《星际穿越》科学考：玉米为何能成为“末日作物”？

　　把人类的未来推向近乎末日的绝境，是不少科幻大片所津津乐道的故事背景。最近热映的电影《星际穿越》在这方面也不免俗。影片中，激发人们穿越虫洞寻找新家园的最大原因，就是地球环境的极度恶化：高温、干旱和疫病席卷了全球，人类只能依靠种植玉米苟延残喘……

　　在这部聘请了多为知名科学家作为科学顾问的影片中，虫洞、黑洞也成为了重要的“角色”，而另一个容易被人忽略的“角色”就是玉米。在恶化的环境中，玉米的确可能成为为人类提供食物甚至能源的主要作物。

　　那么，玉米究竟是何德何能，能让它担负起“末日作物”的重任呢？

　　岂止未来，就在当下

　　事实上，玉米不仅在想象中的未来里成为决定人类命运的作物。在现实之中，玉米已经成为了影响人类社会发展的重要作物。目前世界每年玉米产量达10亿吨以上，远超过号称“养活世界一半人口”的水稻——后者的产量还不到每年5亿吨。虽然我们平时看不到那么多的玉米，但实际上我们或多或少在间接以玉米为食——因为我们所食用的肉、蛋、奶等动物制品，其饲料主要就是由玉米加工而来，而多种食物生产所需的高果糖浆，也是玉米淀粉分解而来。另一方面，大量的玉米还被用来发酵为乙醇，可以作为机械使用的能源——可以说，玉米现在就已经被人类社会所依赖。

　　然而，这种具有世界影响力的植物，为人所知的历史并不长久。约1万年前，玉米的祖先只是分布在中美洲一带的一种高大、多分支、穗小的植物。今天，这种被称为大刍草的植物在中美洲地区仍然能够见到。然而，也许是印第安农民的辛勤选育，亦或是机缘巧合，约在1万年前到7千年前之间，大刍草的两个基因的突变使得其分支减少、果穗增大，具有了我们今天看到的玉米样子的雏形。当然，那时的玉米棒还不到今天的1/3长，但即使是这样的作物，就足以支持起中美洲多个部落和王国的兴起和发展，并被冠以“父亲”和“神”的美称。

　　数千年来，玉米只是在美洲被人种植和崇拜，直到1492年，哥伦布发现新大陆后才将这种神奇的植物带回欧洲。在当时以小麦和豆类为主食的欧洲，玉米一开始并不受到重视，并不如同样从美洲传入、更加适应欧洲寒冷气候的马铃薯受欢迎。然而，19世纪中期的晚疫病摧毁了欧洲的马铃薯种植，而玉米则成为了缓解这次饥荒的关键粮食之一。这次“末日”的预演使得玉米在欧洲变得流行，而大量逃入美国的饥民则进一步使得玉米在美国中西部的种植面积大增。不到200年时间里，玉米以其高产和易植的特性，顺利击败了欧洲、西亚地区种植的小麦、土豆和东南亚种植的水稻，登上了世界粮食霸主的宝座。

　　我有特殊的固碳技巧

　　从单位面积产量上来说，玉米和小麦、水稻相比并没有显着的优势。然而，玉米却具有后两者不具有的优势——更加耐热、更加耐旱。这就是为什么在《星际穿越》之中，环境恶化的地球上只剩下玉米一种作物。

　　玉米的这一特性是由它独特的固定碳的方式决定的。在水稻和小麦中，被吸收的二氧化碳进入细胞后，首先需要和一种名为二磷酸核酮糖的含有5个碳原子的分子（记为C5）结合，产生两个分别含有3个碳原子的分子（记为C3），其中一个C3分子通过一定的反应重新变为C5分子，而另一个C3分子则被合成为含有6个碳的糖类。因此，通过这种过程固定二氧化碳的植物，就以其最初产物的碳原子数目，命名为C3植物。而催化最初C5和二氧化碳结合的酶，被称为二磷酸核酮糖羧化酶（RuBisCO）。

　　然而，这个酶有一个致命的缺陷——在二氧化碳浓度不足、光照过强或温度过高的情况下，它会选择利用氧气氧化C5分子。这样一来，在这个称为光呼吸的过程中，这个酶非但不能固定二氧化碳，反而会消耗C5分子——这对于需要通过固定二氧化碳来获得有机物的人类来说，是一个重大的损失。

　　然而，玉米却巧妙地规避了这一点。它的叶肉细胞分化为两种类型，一类和小麦、水稻类似，松散分散在叶片之中，而另一类则紧密围绕在叶脉周围。在那些直接和空气接触的松散叶肉细胞内，一种称为磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）的酶代替RuBisCO来固定二氧化碳，这种酶对二氧化碳有很强的亲和力，而最初的碳固定产物是一个具有4个碳原子的分子（记为C4）。相应的，玉米被称为C4（碳四）植物。由于PEPC并不利用氧气，因此避免了碳的损失。而结合了二氧化碳的C4产物，则进入包围叶脉的细胞之中，在那里脱下二氧化碳，进行和C3植物中类似的产生糖类的过程。这样做的好处很明显：二氧化碳被富集到了围绕叶脉的细胞之中，此时RuBisCO的氧化活性被细胞内较高浓度的二氧化碳所抑制，光反应所造成的碳损耗远低于C3植物。

　　如果你看晕了，以上概括起来就是，玉米这类C4植物可以主动“捕获”二氧化碳，而其他C3植物更像是“守株待兔”。

　　正因为有着这种特殊的固碳技巧，使得玉米更加耐受高温、高光强和低二氧化碳浓度。这三大优势让玉米在应对未来可能遭遇的末日环境中占据了先机。短期来讲，大气内二氧化碳浓度的上升对植物来说是有益的，然而过多二氧化碳造成的全球平均温度上升，加强了总体光呼吸的损耗，而玉米能在高温和强光照射下依然保持较高的光合速率，这无疑对保证粮食的产量是有益的。而就长期来说，大气二氧化碳并不会无节制地升高——在高温和强光下，地壳内丰富的硅酸盐的风化将加快，大量二氧化碳在硅酸盐风化时被吸收，并固定于地壳之中。这一过程中大量丢失的二氧化碳将造成地球碳循环的崩溃。那时，不耐受低二氧化碳浓度的C3植物将最先因不能得到足够的碳而“饿死”。而玉米，则可能是水稻、小麦这类C3植物消亡之后，人类得以残喘的为数不多的“救星”。

　　技术的宠儿：遗传操作优势

　　除了自身的先天优势之外，玉米的特殊地位也给它带来了特别的优势——玉米是世界粮食作物中为数不多的拥有成熟遗传操作体系的作物。

　　尽管玉米天赋异禀，但在末日灾害来临时，单纯依靠自然选择赋予它的优势并不一定抵御得了。在影片中，世界范围内农业作物的突然死亡，其直接因素被归因于一种神秘病菌的侵袭。因此为了应对这种突如其来的风险，人类有必要打破自然演化中时间所编制的窠臼，让需要百万年才能形成的优良特性，在短期内出现。

　　幸好，人类掌握了这门技术，得以通过对玉米基因组的改良，让玉米产生新的或更强的特性，来适应更加恶劣的环境。就在当下，全球约60万平方千米的土地上种植着接受了遗传改良的玉米。这些玉米，或是更加抵御虫害，或是能够耐受除草剂以适应工业化种植，抑或是改良了籽粒成分。而在全球各地的实验室中，拥有更加抗热、抗干旱、抗病菌侵害的新的玉米品种也在不断问世。2008年2月，继水稻之后，玉米成为了第二种被全基因组测序的农作物，而就在随后短短6年间，新的测序技术又成功地从不同角度测序和分析了多个玉米品种的全基因组序列。这些信息将更加有助于人们对玉米进行改良。可以相信，在现实之中，依靠这些技术手段，人类并不会像影片中那样束手无策。

　　谁还有潜力成为“末日作物”的候选者？

　　当然，在末日作物的名单之上，并不只有玉米一个人选。那么，还有什么作物能够和玉米一样担当起延续人类种群和文明的重任呢？

　　显然，这样的作物需要和玉米类似，能够在恶劣环境下保持较高的光合效率，合成足够的有机物。也许有人会提议沙漠中极为耐旱耐热的仙人掌等多肉植物，但实际上，这些植物也许更适合充当点缀，而不适合作为作物来种植。这是因为，这些多肉植物采取了一种将二氧化碳吸收和固定分别在不同时间进行的策略。这种策略虽然能够避免水分的散失，但严重降低了光合速率——换句话说，虽然抗旱，但产量太低。

　　事实上，有一类人们并不将其视为作物的植物，更有可能担此重任，那就是甘蔗。和玉米一样，甘蔗也属于C4植物，因此同样具有较高的光合效率，而甘蔗本身合成的大量的蔗糖，可以直接被人类用于食品的生产。同样的，同属于C4植物的高粱也是末日植物的有力候选者，但是，它们还需要人类努力提高其产量，才能和玉米一较高下。

　　另一个问题是，未来的末日也许并非是干旱和酷热，也可能是一个冰期的到来或世界大战后核冬天的降临。那么在地球表面温度骤降的环境下，玉米、甘蔗等适应热带气候的作物将丧失它们的优势（也许可以依靠遗传改良的耐寒品种），而这时，另一种植物可能会异军突起，那就是甜菜。

　　甜菜之所以得名，就是因为在它的肉质块根之中，累积着大量的蔗糖。甜菜原产于欧洲中西部，虽然身为C3植物的它光合效率较低，但相比玉米和甘蔗来说更加适应寒冷的气候，而我们主要利用的块根，则正是甜菜用于抵御严寒而做的储备。在欧洲和亚洲北部，甜菜是人们冬季最为重要的食物之一，由此诞生出用红甜菜熬制的闻名遐迩的罗宋汤。至于甜菜制糖业，更是应对19-20世纪欧洲乃至世界连绵数十年的“末日之战”的产物——早在拿破仑战争之时，蔗糖海上运输的路线被战争切断，从而刺激了欧洲本土的甜菜种植和制糖；而在随后的两次世界大战之中，糖用甜菜也在其中作为重要的食品和工业原料被大面积种植。在现在，虽然甜菜被玉米来源的糖抢去了风头，但在末日之时，甜菜还是极有希望进行逆袭的。