本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。
远古人类一直追寻着食物，在地球上摸索前行。一万年前，我们的祖先学会了植物驯化，推进了人类文明，并依靠技术发展不断解决吃饭的问题。近年来，受人口增长、地区冲突、气候变化、新冠疫情等影响，全球粮食危机也正在不断逼近。生物育种等新技术的发展与应用，是否能够化解粮食安全危机并推动生物多样性和环境保护？
首都科学讲堂特别邀请复旦大学希德书院院长、中国国家生物安全委员会委员卢宝荣教授，带领我们从远古狩猎采集时代出发，共同经历一场农耕时代、工业革命时代的超时空旅行，了解食物变迁与人类文明的演化史，解读盘中餐里的科技与秘密。
主讲嘉宾：
卢宝荣
复旦大学希德书院院长、生命科学学院生态与进化生物学系教授，中国国家生物安全委员会委员
▲民以食为天：改变我们餐桌的农业科技（上）▲民以食为天：改变我们餐桌的农业科技（下）为什么生物多样性如此重要年12月15日，中国在《生物多样性公约》第15次缔约方大会上，表明了对生物多样性保护的四点主张。第一，要凝聚生物多样性保护的全球共识。第二，要推进生物多样性保护的全球进程。第三，要通过生物多样性保护来推动绿色发展。第四，维护公平合理的生物多样性保护全球秩序。
生物多样性的内涵是多姿多彩的，包含了海洋中和陆地上的一切生命，有看得见的植物、动物，有看不见的微生物，甚至还有许多我们目前没有发现的生物。那么生物多样性为什么会这么重要呢？它跟我们吃饭又有怎样的密切联系呢？
生物多样性这样一个名词，是联合国环境规划署在年12月29日发布的《生物多样性公约》中提出的。一言以蔽之，生物多样性是地球上所有的植物、动物、微生物变化的总和，包括了三个层次：第一个层次叫做遗传多样性（基因的多样性），这是微观的层次，也许眼睛看不到，手摸不着，例如我们长的是单眼皮还是双眼皮，以及人有高矮胖瘦各种不同的形态……都是由基因多样性来控制的；第二个层次叫做物种多样性，植物、动物和微生物中的不同物种都包含在物种多样性中，例如马、牛、猪、狗、猫等都是属于不同的物种；第三个层次叫做生态系统多样性，是指在特定时间和空间内的环境以及其中所有生物体的总和，生态系统也是多样的，有海洋生态系统、陆地生态系统，其中陆地生态系统还包含了沙漠生态系统、草原生态系统、森林生态系统等等。所以，生态系统非常复杂，但无论它怎样复杂，它都包含了非生物因素（环境）和生物因素这两方面。
非生物因素包括阳光、温度、水分、土壤、空气等环境因素，而生物因素包括植物、动物、微生物等因素。其中植物是生态系统中最重要的元素，因为植物具有光合作用，是生产者，所有动物都要直接或间接从植物身上获取能量。所有的动物都不能够自己生产能量，属于消费者，需要消费生产者所产生的能量来养活自己。所有的微生物是分解者，微生物能够把大量的动物和植物残体分解为最小的分子和矿物质元素回到土壤，然后供植物重新吸收和利用，再生产物质和能量。所以，生态系统是非常复杂的，但同时又是非常和谐稳定的。
不难看出，所有的生命都需要能量，因此我们常讲的“民以食为天”，实际上也可以说是“命”以食为天。所有的生命都需要吃“饭”，没有食物，生命就无法生存与繁衍。生物多样性是构成生态系统和谐的物质基础，“食物链”是保障生态系统稳定的关键。如果“食物链”中间的任何一个环节断裂了，就会对生态系统的稳定带来问题。人类也生活在生态系统中，如果这个系统遭到破坏，人的生存也将面临巨大的挑战。
所以，生物多样性不但给人类提供了最基本的生存条件，提供了美好适宜的居住环境，也是我们食物和能量的来源，为我们提供了生存和繁衍的物质基础。我们吃的大米来自于水稻，吃的馒头、面条来自于小麦，吃的肉类来自于各类饲养动物……这些食物都来源于不同类型的植物和动物，这就需要有物种多样性作为基础。
人类生存发展的最基本倚靠在万年前或者更早，人类祖先的生存条件是非常艰苦的，食物的来源常常不足，那时候为了获取生存的食物，他们可能需要和猛犸象、剑齿虎这样凶猛的野兽去打斗。
等到25万年前，现代人类的祖先智人出现，他们也是为了生存去追赶动物，采集为数不多的野果来填饱肚子。人类最初的那一个时代，称之为狩猎采集时代，经历了非常漫长的时光，那时人类无法创造任何食物，只能靠大自然的施舍，不断的迁徙、追寻食物。
大约在一万年前，人类学会了植物驯化——对野生植物进行种植，然后把它们改变成可以进行人工栽培和收获的家养植物（农作物），例如水稻、小麦和玉米。当人类学会了植物驯化以后，就可以把植物种植到居住环境附近，进行统一管理和收获，收获之后还学会了选择和保存种子，以便在下一次进行栽种。这个时期，人类的生活发生了非常重要的变化，他们定居下来，开启了农耕时代，利用最简单的技术改良植物，获得更多食物，逐渐带来了人类的文明。
那么人类都驯化了哪些植物呢？其中最重要的是“五谷”。五谷包含了稻、黍、稷、麦、菽，其中的“稻”就是水稻，水稻是大家特别喜欢的农作物。把水稻进行碾压去了颖壳，就变成了我们喜欢吃的大米。很多人都特别喜欢吃东北大米，因为东北的大米是粳稻，一般外型是短而胖，非常透亮；而南方的籼稻则外型细而长，它们的淀粉结构不同，味道也就不一样；还有一种糯稻的米，常常用来做元宵和腊八粥，口感就像它的名字一样入口黏糯。
那么水稻在什么地方起源的呢？中国的长江中下游就是水稻的故乡。栽培稻的起源大约在一万年前，栽培稻的祖先，被称之为普通野生稻。袁隆平爷爷研究团队培育的杂交水稻，就是在普通野生稻里找到了一种特别重要的基因，叫做雄性不育基因，由此而培育成了我们现在所熟悉的杂交水稻。
那么一万年前这个时间点是从哪里来的呢？不是凭空猜想的，而是从大量考古证据中得来的。在长江中下游的许多考古地点都挖掘出了大量碳化的古代稻种颗粒。比如说从河姆渡古遗址（浙江）很深的土层中，就挖掘出了野生稻和半野生类型稻的碳化种子，这就是非常有力的证据。所以说，起源于中国的水稻对全世界的粮食安全都做出了巨大的贡献，这非常值得我们自豪和骄傲。
大米都能做什么食物呢？米饭、粥类、年糕、元宵、糍粑、米酒……很多美食都让人垂涎欲滴。所以，我们丰富的食物种类都是由生物的多样性提供，当人类开始运用植物改良技术，就带来了农耕文化和文明，人类学会使用简单的技术之后，就极大地丰富了餐桌上的食物来源。
两百多年前，蒸汽机的发明让人类进入了工业革命时代。工业革命彻底改变了包括农业生产在内的生产模式，人类进入了机械化生产的时代，现在更是发展出了人工智能等高新技术。生产效率的大幅提高，导致人类活动的频繁和对环境的强烈影响，也带来了诸多生物多样性的问题，比如造成了一些物种的永久性灭绝。由此，人类也逐渐意识到并开始重视和保护生物的多样性。
粮食安全始终是人类的挑战目前来看，全球人口始终处于一个大幅增长的趋势。在年的时候，全球的总人口是16亿，而到年，全球总人口已经达到了80亿，预计在年，世界人口会增长到90亿甚至更多。世界人口总量一直在增长，粮食产量的增长如何能够跟上人口增长的速度？粮食安全的问题，可以说是自人类诞生以来的一个永恒挑战。
同时，人口增长还带来耕地面积不断减少的问题。随着城市的不断发展和扩大，更多的耕地被占据。与此同时，极端气候的增多、干旱及水资源的缺乏、大量农药化肥施用造成农业生态环境破坏，部分地区武力冲突以及近年来疫情造成的影响等，都给全球农业生产带来了巨大的压力和挑战，威胁着人类的粮食安全。
年，全球饥饿人口约为7.68亿，特别是在人口密集的亚洲，约占54%。此外，联合国粮农组织统计数据显示，还有约30亿的人口得不到健康膳食。
人类面临如此严峻的粮食安全挑战，那如何才能保证我们有足够食物呢？我们必须要提高单位面积耕地的产量，让每一亩或每一公顷耕地上的农作物产量大幅提高才能保障粮食安全。那么怎么做到这点呢？
一是要高效利用生物的基因资源，也就是生物多样性中的优异基因多样性；二是要发展和依靠高新科学技术，包括生物技术。比如干旱气候下，我们可以利用抗旱的基因资源来改良农作物，增加其抗旱性，减少用水，但提高单位面积产量。基因资源和高新技术的结合，就是我们解决全球粮食安全问题的一个非常重要的手段。
技术进步与生物多样性保护由此可见，保障粮食安全，利用优异基因资源和高新技术是关键。但是，新技术如何在为我们创造更多财富的同时，又能够有效保护生物多样性，并且新类型品种的产生又不会对现有生物多样性带来负面影响？这些又成为我们在发展中应该考虑和解决的问题。
目前，我们利用生物技术育种来实现预期目标，相比传统的育种方式，生物育种的效率更高，目标性更强，还可以逾越物种间生殖隔离的障碍，能够快速而准确地将优异的目的基因，转移到需要改良的农作物而培育出新品种。比如说利用抗旱、抗虫、氮素高效利用、高产以及富含营养的基因，不仅有助于培育成的作物新品种在缺水条件下提高单位面积产量和品质，还可以减少氮肥和农药的使用，起到保护环境和保护生物多样性的作用。
在上世纪的60-70年代，科学家们曾经利用一个矮秆基因和杂交育种技术，对包括水稻、小麦和玉米在内的不同农作物进行了遗传改良，使这些农作物新品种的产量大幅度提高，翻了一倍甚至更多，掀起了一场席卷全球的“绿色革命”。
今天，科学家们又开始利用更多的优质基因资源结合生物技术，对农作物进行更高端的遗传改良，来提供更高产、优质、营养丰富和更环保的农作物新品种，希望以另一场“基因革命”来保障人类粮食安全和保护生物多样性。
以西红柿为例，让我们一起来看看遗传改良技术的发展。现在红彤彤的西红柿又大又甜，人人都很爱吃。其实，最早的野生西红柿不仅果实很小、气味难闻，而且还有*，果实的直径一般只有一厘米左右。最初人类通过选择，挑出了无*、味道可以接受、果实稍大的西红柿食用；经过不断地筛选和积累，再进行杂交育种，培育出不同类型和口味的西红柿品种；后来科学家还进一步通过辐射育种和化学诱变育种，产生出了更多的变异类型，提高了西红柿的产量和品质。
例如我们非常熟悉的太空育种，就是把作物的种子送上太空，让它们接受地球上没有的射线照射，导致其产生变异，最后把产生了高产、好吃变异作物的种子保留下来，育成了新品种。上述过程都是不同的传统育种方式。现在，我们需要采用新的生物技术来进行作物育种，因为生物技术育种的目标性很强，育种效率也比传统育种有大幅度提高。未来，我们还可以通过对作物的某些基因进行遗传修饰和基因编辑的新技术来改良作物。目前，为了保障粮食安全，全世界各国都在努力向新技术育种的方向发展。
我们可以看到，人类在利用生物多样性和生物资源的过程中，不断利用新的技术来对野生植物和农作物进行改良，让它们变得越来越适合人类食用，同时也降低了资源的耗费以及对环境的负面影响。所以说，利用高新技术的生物种业为我们的食物来源提供了更多选择。随着各种农业新技术的不断发展，我们人类的餐桌将会变得越来越丰富，未来的食品也会变得越来越安全、越来越多样。
为了保障国家粮食安全，我们需要加快培育优良农作物种子的步伐，现在有个说法是“种子是农业的芯片”，我们有了优良的种子以后，就可以进行更高效、更环保、更安全的粮食生产。目前生物种业也上升到了国家战略的层面，将来我国的粮食安全问题就要靠我们大家共同努力学习和掌握新的科学技术来有效得到解决。
所以，为了实现可持续发展的目标，我们必须发展以高科技为依托的生物育种技术，生产优良的种子，解决吃饭的问题，把我们的饭碗牢牢地端在自己的手中。
同时，在发展过程中，也千万不能忘记对生物多样性和对生态环境的保护。生物多样性和重要的农作物基因资源，包括了农作物的野生近缘种，如野生高粱、水稻、小麦、大豆等，都是经过上百万年、上千万年，甚至更久远的历史而沉淀和积累起来的，是人类赖以生存的重要物质基础。所以，我们要保护好这些基因资源，并利用好新的技术进行作物育种改良，就可以化解粮食安全的危机。因此，保护生物多样性和保护环境是每一个公民神圣和重要的职责，也是我们可持续发展的基础。我们一定要保护好生物多样性和基因资源，只有这样，我们才会永远都有饭吃，永远都有居住的美好环境，中华民族才能够千秋万代永续发展。
（本期图片、视频来自第期首都科学讲堂）
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