《星際穿越》科學考：玉米為何能成為“末日作物”？

　　把人類的未來推向近乎末日的絕境，是不少科幻大片所津津樂道的故事背景。最近熱映的電影《星際穿越》在這方面也不免俗。影片中，激發人們穿越蟲洞尋找新家園的最大原因，就是地球環境的極度惡化：高溫、干旱和疫病席卷了全球，人類只能依靠種植玉米茍延殘喘……

　　在這部聘請了多為知名科學家作為科學顧問的影片中，蟲洞、黑洞也成為了重要的“角色”，而另一個容易被人忽略的“角色”就是玉米。在惡化的環境中，玉米的確可能成為為人類提供食物甚至能源的主要作物。

　　那么，玉米究竟是何德何能，能讓它擔負起“末日作物”的重任呢？

　　豈止未來，就在當下

　　事實上，玉米不僅在想象中的未來里成為決定人類命運的作物。在現實之中，玉米已經成為了影響人類社會發展的重要作物。目前世界每年玉米產量達10億噸以上，遠超過號稱“養活世界一半人口”的水稻——后者的產量還不到每年5億噸。雖然我們平時看不到那么多的玉米，但實際上我們或多或少在間接以玉米為食——因為我們所食用的肉、蛋、奶等動物制品，其飼料主要就是由玉米加工而來，而多種食物生產所需的高果糖漿，也是玉米淀粉分解而來。另一方面，大量的玉米還被用來發酵為乙醇，可以作為機械使用的能源——可以說，玉米現在就已經被人類社會所依賴。

　　然而，這種具有世界影響力的植物，為人所知的歷史并不長久。約1萬年前，玉米的祖先只是分布在中美洲一帶的一種高大、多分支、穗小的植物。今天，這種被稱為大芻草的植物在中美洲地區仍然能夠見到。然而，也許是印第安農民的辛勤選育，亦或是機緣巧合，約在1萬年前到7千年前之間，大芻草的兩個基因的突變使得其分支減少、果穗增大，具有了我們今天看到的玉米樣子的雛形。當然，那時的玉米棒還不到今天的1/3長，但即使是這樣的作物，就足以支持起中美洲多個部落和王國的興起和發展，并被冠以“父親”和“神”的美稱。

　　數千年來，玉米只是在美洲被人種植和崇拜，直到1492年，哥倫布發現新大陸后才將這種神奇的植物帶回歐洲。在當時以小麥和豆類為主食的歐洲，玉米一開始并不受到重視，并不如同樣從美洲傳入、更加適應歐洲寒冷氣候的馬鈴薯受歡迎。然而，19世紀中期的晚疫病摧毀了歐洲的馬鈴薯種植，而玉米則成為了緩解這次饑荒的關鍵糧食之一。這次“末日”的預演使得玉米在歐洲變得流行，而大量逃入美國的饑民則進一步使得玉米在美國中西部的種植面積大增。不到200年時間里，玉米以其高產和易植的特性，順利擊敗了歐洲、西亞地區種植的小麥、土豆和東南亞種植的水稻，登上了世界糧食霸主的寶座。

　　我有特殊的固碳技巧

　　從單位面積產量上來說，玉米和小麥、水稻相比并沒有顯著的優勢。然而，玉米卻具有后兩者不具有的優勢——更加耐熱、更加耐旱。這就是為什么在《星際穿越》之中，環境惡化的地球上只剩下玉米一種作物。

　　玉米的這一特性是由它獨特的固定碳的方式決定的。在水稻和小麥中，被吸收的二氧化碳進入細胞后，首先需要和一種名為二磷酸核酮糖的含有5個碳原子的分子（記為C5）結合，產生兩個分別含有3個碳原子的分子（記為C3），其中一個C3分子通過一定的反應重新變為C5分子，而另一個C3分子則被合成為含有6個碳的糖類。因此，通過這種過程固定二氧化碳的植物，就以其最初產物的碳原子數目，命名為C3植物。而催化最初C5和二氧化碳結合的酶，被稱為二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCO）。

　　然而，這個酶有一個致命的缺陷——在二氧化碳濃度不足、光照過強或溫度過高的情況下，它會選擇利用氧氣氧化C5分子。這樣一來，在這個稱為光呼吸的過程中，這個酶非但不能固定二氧化碳，反而會消耗C5分子——這對于需要通過固定二氧化碳來獲得有機物的人類來說，是一個重大的損失。

　　然而，玉米卻巧妙地規避了這一點。它的葉肉細胞分化為兩種類型，一類和小麥、水稻類似，松散分散在葉片之中，而另一類則緊密圍繞在葉脈周圍。在那些直接和空氣接觸的松散葉肉細胞內，一種稱為磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）的酶代替RuBisCO來固定二氧化碳，這種酶對二氧化碳有很強的親和力，而最初的碳固定產物是一個具有4個碳原子的分子（記為C4）。相應的，玉米被稱為C4（碳四）植物。由于PEPC并不利用氧氣，因此避免了碳的損失。而結合了二氧化碳的C4產物，則進入包圍葉脈的細胞之中，在那里脫下二氧化碳，進行和C3植物中類似的產生糖類的過程。這樣做的好處很明顯：二氧化碳被富集到了圍繞葉脈的細胞之中，此時RuBisCO的氧化活性被細胞內較高濃度的二氧化碳所抑制，光反應所造成的碳損耗遠低于C3植物。

　　如果你看暈了，以上概括起來就是，玉米這類C4植物可以主動“捕獲”二氧化碳，而其他C3植物更像是“守株待兔”。

　　正因為有著這種特殊的固碳技巧，使得玉米更加耐受高溫、高光強和低二氧化碳濃度。這三大優勢讓玉米在應對未來可能遭遇的末日環境中占據了先機。短期來講，大氣內二氧化碳濃度的上升對植物來說是有益的，然而過多二氧化碳造成的全球平均溫度上升，加強了總體光呼吸的損耗，而玉米能在高溫和強光照射下依然保持較高的光合速率，這無疑對保證糧食的產量是有益的。而就長期來說，大氣二氧化碳并不會無節制地升高——在高溫和強光下，地殼內豐富的硅酸鹽的風化將加快，大量二氧化碳在硅酸鹽風化時被吸收，并固定于地殼之中。這一過程中大量丟失的二氧化碳將造成地球碳循環的崩潰。那時，不耐受低二氧化碳濃度的C3植物將最先因不能得到足夠的碳而“餓死”。而玉米，則可能是水稻、小麥這類C3植物消亡之后，人類得以殘喘的為數不多的“救星”。

　　技術的寵兒：遺傳操作優勢

　　除了自身的先天優勢之外，玉米的特殊地位也給它帶來了特別的優勢——玉米是世界糧食作物中為數不多的擁有成熟遺傳操作體系的作物。

　　盡管玉米天賦異稟，但在末日災害來臨時，單純依靠自然選擇賦予它的優勢并不一定抵御得了。在影片中，世界范圍內農業作物的突然死亡，其直接因素被歸因于一種神秘病菌的侵襲。因此為了應對這種突如其來的風險，人類有必要打破自然演化中時間所編制的窠臼，讓需要百萬年才能形成的優良特性，在短期內出現。

　　幸好，人類掌握了這門技術，得以通過對玉米基因組的改良，讓玉米產生新的或更強的特性，來適應更加惡劣的環境。就在當下，全球約60萬平方千米的土地上種植著接受了遺傳改良的玉米。這些玉米，或是更加抵御蟲害，或是能夠耐受除草劑以適應工業化種植，抑或是改良了籽粒成分。而在全球各地的實驗室中，擁有更加抗熱、抗干旱、抗病菌侵害的新的玉米品種也在不斷問世。2008年2月，繼水稻之后，玉米成為了第二種被全基因組測序的農作物，而就在隨后短短6年間，新的測序技術又成功地從不同角度測序和分析了多個玉米品種的全基因組序列。這些信息將更加有助于人們對玉米進行改良。可以相信，在現實之中，依靠這些技術手段，人類并不會像影片中那樣束手無策。

　　誰還有潛力成為“末日作物”的候選者？

　　當然，在末日作物的名單之上，并不只有玉米一個人選。那么，還有什么作物能夠和玉米一樣擔當起延續人類種群和文明的重任呢？

　　顯然，這樣的作物需要和玉米類似，能夠在惡劣環境下保持較高的光合效率，合成足夠的有機物。也許有人會提議沙漠中極為耐旱耐熱的仙人掌等多肉植物，但實際上，這些植物也許更適合充當點綴，而不適合作為作物來種植。這是因為，這些多肉植物采取了一種將二氧化碳吸收和固定分別在不同時間進行的策略。這種策略雖然能夠避免水分的散失，但嚴重降低了光合速率——換句話說，雖然抗旱，但產量太低。

　　事實上，有一類人們并不將其視為作物的植物，更有可能擔此重任，那就是甘蔗。和玉米一樣，甘蔗也屬于C4植物，因此同樣具有較高的光合效率，而甘蔗本身合成的大量的蔗糖，可以直接被人類用于食品的生產。同樣的，同屬于C4植物的高粱也是末日植物的有力候選者，但是，它們還需要人類努力提高其產量，才能和玉米一較高下。

　　另一個問題是，未來的末日也許并非是干旱和酷熱，也可能是一個冰期的到來或世界大戰后核冬天的降臨。那么在地球表面溫度驟降的環境下，玉米、甘蔗等適應熱帶氣候的作物將喪失它們的優勢（也許可以依靠遺傳改良的耐寒品種），而這時，另一種植物可能會異軍突起，那就是甜菜。

　　甜菜之所以得名，就是因為在它的肉質塊根之中，累積著大量的蔗糖。甜菜原產于歐洲中西部，雖然身為C3植物的它光合效率較低，但相比玉米和甘蔗來說更加適應寒冷的氣候，而我們主要利用的塊根，則正是甜菜用于抵御嚴寒而做的儲備。在歐洲和亞洲北部，甜菜是人們冬季最為重要的食物之一，由此誕生出用紅甜菜熬制的聞名遐邇的羅宋湯。至于甜菜制糖業，更是應對19-20世紀歐洲乃至世界連綿數十年的“末日之戰”的產物——早在拿破侖戰爭之時，蔗糖海上運輸的路線被戰爭切斷，從而刺激了歐洲本土的甜菜種植和制糖；而在隨后的兩次世界大戰之中，糖用甜菜也在其中作為重要的食品和工業原料被大面積種植。在現在，雖然甜菜被玉米來源的糖搶去了風頭，但在末日之時，甜菜還是極有希望進行逆襲的。