十一月的第二個星期，印第安納州中部是一片黃褐色和黑色的交織：這裡是一片覆蓋著乾燥的玉米和大豆植株殘茬的田地；稍遠處，是農民犁掉了去年夏天作物殘茬的裸露土地。這是一片渴望生長的土壤，如果你仔細觀察，已經可以看到一些秋季雜草的嫩芽：繁縷、豆瓣菜和紫蕁麻。在普渡大學校園的溫室裡，查德·布拉巴姆，一位說話輕聲細語的雜草科學專業研究生，選擇了兩個盆栽，每個盆栽都種著一株 18 英寸高的植物，植物的粗莖上長著鋸齒狀的三裂葉。如果這些植物看起來很眼熟，你可能在美國本土 48 個州的空地或路邊見過它們。它們是豚草 (Ambrosia trifida)，或巨型豚草——一種和它的名字一樣醜陋，而且和它的近親普通豚草(A. artemisiifolia)一樣無用的植物，普通豚草是一臺吸水並噴射出高致敏性花粉的機器。如果農民停止耕作，用不了幾年，印第安納州的這片土地就會名副其實，農學家們開玩笑說應該出現在其車牌上的暱稱是：巨型豚草國家森林。
在過去半個世紀左右的時間裡，主要依靠化學除草劑才得以阻止這種命運的發生。其中最廣泛使用的除草劑之一是草甘膦，最著名的是孟山都公司和其他公司的農達除草劑中的活性成分。布拉巴姆將這兩個盆栽放在噴霧室中，並在一個小罐中裝滿了草甘膦鉀鹽溶液。一個移動噴頭迅速穿過噴霧室的長度，並將淡綠色的葉子浸透，按理說這應該是致命的劑量。布拉巴姆取出盆栽，將它們放回生長臺上。在接下來的 24 小時內，這些雜草的變化將以微觀的方式展示農民們在本生長季將在美國中西部面臨的情況。
草甘膦已成為一場新興戲劇的中心舞臺，在這場戲劇中，除草劑是主角。“我不會用‘災難’這個詞，但有人說，這可能是棉花種植者自象鼻蟲以來遇到的最糟糕的事情。” 憂思科學家聯盟的植物病理學家和高階科學家道格·古裡安-舍曼在討論抗草甘膦雜草（又名“超級雜草”）的蔓延時這樣說道。在過去十年中，超級雜草在美國的分佈範圍已從零星出現擴充套件到多達 1100 萬英畝。這個覆蓋面積仍然只佔美國 4 億英畝耕地的一小部分，但僅自 2007 年以來就增加了五倍。“這些植物的範圍大幅增加，我認為沒有人預料到這一點，”賓夕法尼亞州立大學的雜草生態學家大衛·莫滕森說。正如他在去年夏天由俄亥俄州眾議員丹尼斯·J·庫西尼奇召集的國會聽證會上作證時所說的那樣——該聽證會旨在調查美國農業部對轉基因種子的監管——“有理由相信這種趨勢將繼續下去。” 如果超級雜草真的上升到災難的程度，那將是一場不僅可以預測到，甚至是可以預見到的災難。就像對抗生素產生耐藥性的細菌讓傳染病專家擔心最壞的情況一樣，這是一個我們咎由自取的難題，提醒我們試圖超越進化是徒勞的。在一個可能正在逼近技術擴大糧食生產極限的世界裡，我們最不需要的就是更多的雜草。
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殺手豚草的誕生
那些主要從飛機視窗觀看玉米地的人可能不瞭解農業在多大程度上在於防止雜草侵擾作物。“耕作”這個詞的本義不僅是使某物生長，還包括犁地或耕地，這是最初的雜草控制方法——將不需要的植物連根拔起並掩埋它們的種子。雜草缺乏昆蟲和微生物的隱蔽性和一心一意的殺傷力，昆蟲和微生物似乎可以憑空出現，並在幾天之內消滅作物。它們在光天化日之下生長，並間接地攻擊它們的鄰居，掠奪這些植物的養分、水分，以及至關重要的陽光。但是蟲害和疾病通常是零星的、碰運氣的事件，而雜草則無處不在。如果不加以控制，單株巨型豚草就可以使 30 株大豆植物所在區域的產量減少一半之多。
這就是為什麼農學家一直在密切關注雜草種類——美國最後統計有 10 種，世界其他地區大約也有相同數量——在這些雜草種類中，某些種群已經進化出承受通常致命劑量的草甘膦的能力。正如孟山都公司的發言人很快指出的那樣，這使得 300 多種雜草仍然容易受到農達的影響。但這 10 種雜草包括一些侵擾棉花、玉米和大豆田地最多產且最難處理的害蟲：巨型豚草和普通豚草、加拿大飛蓬、約翰遜草、水麻和莧菜。最後一種，也稱為豬草，是雜草中的保羅·班揚，能夠長出像棒球棒一樣粗的莖，並且足夠堅韌，可以使不幸遇到它的聯合收割機癱瘓。普渡大學的雜草科學家托馬斯·T·鮑曼說，在其抗除草劑的形式中，“它是我們無法控制的最接近的東西。” “它使巨型豚草[本身可以超過 10 英尺]看起來很小，並且它在整個生長季節發芽，所以在你認為你已經消滅它之後，它會在下一次下雨時再次出現。” 一些棉花種植者不得不放棄豬草已經紮根的田地。另一些人則使農業倒退了一個世紀，並派遣工人到田間用鋤頭砍伐豬草。“我看到[2010 年]田間鋤草工人比過去 15 年加起來還要多，”密西西比州立大學負責研究和開發的副校長大衛·R·肖說。“這是一項非常艱苦的工作，”他補充說，“而且極難盈利。”
這也是發達國家的農民認為他們已經拋在腦後的工作，因為第二次世界大戰後有機除草劑問世了。最早的除草劑之一是 2,4-滴，它是模仿激素生長素的大類除草劑中的第一種，它使植物陷入不協調生長的致命狂潮。其他類別的除草劑攻擊其他過程，例如光合作用或養分運輸。草甘膦抑制一種名為 EPSPS（5-烯醇丙酮醯莽草酸-3-磷酸合酶）的酶，該酶在植物和細菌中構建三種必需氨基酸，但對其廣泛應用至關重要的是，不在動物中構建。這種化學物質攻擊植物頂端分生組織中的細胞，分生組織是植物頂端的生長芽。施用後一天內，植物停止生長，死亡通常在一兩週內發生。
與選擇性殺死闊葉植物但對禾本科植物相對無害的生長素類似物不同，草甘膦攻擊任何綠色的東西。與可以在春天雜草出現之前撒在土壤上的除草劑不同，它必須直接施用於您試圖殺死的任何植物的葉子上。在 1970 年發現後的幾十年裡，這些特性限制了草甘膦的用途。農民通常只能在早春使用它，即在第一批雜草出現和作物發芽之間，或者在生長季節透過勞動密集型的方法，將其直接噴灑在作物植株之間，直接噴灑在單個雜草上。愛荷華州立大學的農學家邁克爾·歐文將那些年的雜草管理描述為藝術和科學的結合，不斷地權衡除草劑施用、輪作以及不同深度的秋季和春季耕作，每種方法都有金錢和時間的代價，需要與避免潛在的產量損失進行權衡。每種技術也傾向於控制不同的雜草組合，或者換句話說，選擇它沒有殺死的雜草。那些能夠從猛烈攻擊中倖存下來的雜草在攻擊方案下蓬勃發展。雜草問題是累積的，因為種子年復一年地堆積起來，因此保持領先地位的方法是使用不同的技術並經常更換它們。雜草在可預測性中茁壯成長。
準備一場革命
所有這一切都在 1990 年代初期發生了變化，當時孟山都公司完善了培育抗草甘膦作物的技術。無論人們對這項創新有什麼看法，這都是一項科學上的勝利，據孟山都公司估計，這項勝利花費了 70 萬人時的研究時間。對合適基因的七年尋找最終在路易斯安那州孟山都公司設施的流出管道中結束。在那裡，研究人員尋找可以在草甘膦徑流中生存的生物，發現了一種細菌，這種細菌已經變異，產生了一種稍微改變形式的 EPSPS 酶。這種改變後的酶產生相同的三種氨基酸，但不受草甘膦的影響。科學家們分離出了編碼該酶的基因，並與從其他三種生物體中收集的各種管家基因（用於控制和插入酶基因）一起，用基因槍將其植入大豆細胞中。
這是一種蠻力技術，其中選定的 DNA 被包裹在微小的金點周圍，這些金點被噴射到大豆胚胎中，希望至少有一些金點能夠找到它們在染色體上的正確位置。數以萬計的試驗產生了少數能夠承受草甘膦並將這種特性傳遞給後代的植物。從 1996 年開始，孟山都公司開始銷售這些大豆種子，命名為農達 Ready。抗草甘膦棉花、油菜和玉米種子也緊隨其後。
這也是商業上的成功。農達 Ready 種子徹底改變了美國和世界各地（尤其是在阿根廷和巴西）經濟作物的種植。在孟山都公司廣告的鼓勵下，農民基本上將他們的雜草問題外包了出去，種植農達 Ready 種子，並在雜草首次（以及第二次和第三次）出現時用草甘膦浸透他們的田地。去年在美國，93% 的大豆種植面積以及絕大多數玉米和棉花都種植了農達 Ready 種子。2010 年全球需求的估計值高達近 100 萬噸。
這項技術是否真的幫助農民生產了更多糧食尚有爭議。生物技術行業喜歡聲稱它做到了，但憂思科學家聯盟在 2009 年進行的一項研究得出結論，任何收益都很小，並且遠遠落後於傳統育種帶來的進步，而成本卻只佔一小部分。但是農達 Ready 系統也有其他優勢。大多數專家都認為，在合成有機農藥中，草甘膦是毒性最小且永續性最差的農藥之一。而且其在農達 Ready 作物上的有效性意味著農民對耕地的需求減少了。免耕或少耕農業是 1980 年代開始的趨勢，可以節省燃料並減少侵蝕和養分徑流進入水道。美國農業部的首席雜草科學家約翰·萊頓說，草甘膦“是一種非常有效的植物殺滅化學物質，也是使用中最良性的農業化學物質之一。”
當然，這種狀況太好了，不會持久。“雜草透過適應作物生產實踐施加的高選擇壓力而不斷進化，”普渡大學園藝學家斯蒂芬·韋勒說。在農達出現之前的幾年裡，草甘膦抗性幾乎是未知的，但從那時起，它以每年大約一種新雜草物種的速度出現。鮑曼說，每年對同一作物施用相同的除草劑，而不採取其他雜草控制措施，就為抗性的進化創造了一個完美的實驗室。“抗性雜草就在那裡。只需施用除草劑，你就會發現它。”
每個人對這些抗草甘膦超級雜草的第一個問題是，它們是否具有農達 Ready 種子中發現的相同抗性機制——也就是說，基因是否從作物跨越物種屏障進入雜草？歐文表達了植物生物學家的共識，他說不；美國本土的雜草與大豆、玉米或棉花的親緣關係太遠，無法雜交。（相比之下，某些植物被認為與它們的雜草近親太近，無法冒險新增抗除草劑基因，例如匍匐剪股穎，高爾夫球場的首選草皮。）在草甘膦的進化壓力下，雜草發展出了自己的防禦能力。抗性豬草具有正常形式的 EPSPS 基因，而不是孟山都公司工程改造的改變後的等位基因。但它具有正常基因，數量卻大大增加，是正常基因的 5 到 160 倍，這產生的酶量足以克服除草劑的抑制作用。
神秘的倖存者
回到普渡大學的溫室，布拉巴姆對巨型豚草的實驗證明了另一種抗性，這種抗性似乎也是獨立進化出來的。在易感雜草中，草甘膦的影響首先在分生組織快速分裂的細胞中顯現出來。（化學物質也傳播到根部，在那裡它可能會干擾對真菌的抵抗力；植物出了名的難以解剖，但在噴灑草甘膦後，經常會注意到根部萎縮和腐爛。）但是，當布拉巴姆在噴灑後 18 小時檢查他的標本時，他看到了非常不同的東西：大葉子已經開始捲曲和變黃，但分生組織是綠色且健康的。植物似乎正在葉子中隔離除草劑，葉子將在接下來的一兩週內死亡並脫落。但植物將存活下來並從分生組織再生。“我很想知道是什麼原因造成的，”韋勒說，“因為你在病原體抗性中也看到了同樣的情況。葉子死了，但它不會擴散到植物的其他部分。如果我們知道它是如何做到的，那將是非常有用的。”
韋勒說，重要的是要記住，孟山都公司的農達 Ready 技術本身並沒有造成這個問題；雜草是自行進化出對草甘膦的抗性的。但是，抗草甘膦作物的種子供應使農民能夠採取阻力最小的路徑，即在他們的田地裡噴灑農達，以排除其他雜草控制技術和化學物質。他們本可以從醫學中吸取教訓，醫學依靠多藥策略來控制快速突變的病毒，例如 HIV；一個單一的生物體自發進化出對幾種不同化學物質的抗性的機率非常小，因此理想情況下，不會有幸存者。可以公平地說，孟山都公司為了收回鉅額投資，並沒有明確勸阻他們。[草甘膦抗性]本來是可以避免的，或者至少可以推遲很長時間，如果農民將另一種除草劑結合使用的話，”普渡大學推廣代理人格倫·尼斯沉思道，他經常與全州的農民打交道。“但農業和任何其他行業一樣，都是一項生意。” 實際上，並不完全像任何其他行業：農民靠利潤賺錢——也就是說，在支付開支之後——他們的努力不僅受到成本的限制，而且還受到一天的時間和生長季節的長度的限制。“一盎司的預防勝過一磅的治療，”尼斯補充說，“但你仍然必須為這一盎司付出代價。”
農民將為此付出代價。生物技術和化學公司正在努力將對其他除草劑的抗性基因插入作物中。孟山都公司希望在未來一兩年內銷售抗麥草畏除草劑的植物種子，而陶氏公司已經開發出抗 2,4-滴的基因。這些特性將與農達 Ready 基因“堆疊”在一起，成為新一代轉基因種子，這樣農民就可以在他們的田地裡同時或按順序噴灑兩種除草劑，而不是僅僅依賴草甘膦。杜邦公司已經銷售具有抗草甘膦和另一種除草劑草銨膦的種子。這還不包括商業種子中培育的其他工程特性，例如 Bt 基因，一種天然存在的殺蟲劑。
許多農學家對這種前景感到擔憂。麥草畏和 2,4-滴是較舊的化學物質，其使用已根據聯邦法規獲得豁免；與草甘膦相比，它們都被認為毒性更大且永續性更強，如果今天推出，可能不容易透過註冊程式。特別是麥草畏，在施用後容易揮發、漂移並沉降在鄰近的田地中，在那裡它已被證明會損害其他作物或野生植被。還有一個問題，仍然沒有答案，那就是你可以在種子上載入多少附加特性，然後你才開始損害植物的活力和生產力。你對生物體提出的每一項額外要求都會從它原本應該做的事情中奪走能量——在這種情況下，是種植糧食。
更大的問題與農業的未來以及農民將如何養活日益增長、越來越富裕和城市化的世界人口有關。“這是一種銀彈式的工業方法，而不是一種農業生態系統方法，”古裡安-舍曼說。由於抗草甘膦雜草種群已經在許多地方建立起來，幾乎可以肯定，如果以相同的方式使用麥草畏和 2,4-滴，一些相同的雜草也會進化出對它們的抗性。到那時我們將轉向哪裡？除草劑家族的數量是有限的，化學公司沒有開發新的除草劑家族，因為基因工程種子的回報要好得多。“我原則上不反對基因工程，但它把我們帶到了哪裡？”他問道。“數十億美元的研究只產生了兩種有益的特性[抗草甘膦性和 Bt 表達]，而傳統技術以較低的成本產生了抗蟲性和抗病性、耐旱性和更高的作物產量。”
古裡安-舍曼認為，解決方案不在於更昂貴的技術修復，而在於 19 世紀格雷戈爾·孟德爾會熟悉的作物科學型別：產量、耐旱性和肥料利用率的逐步提高。“我們需要從根本上轉變我們對農業的看法，”他說，“而這並沒有讓我們更接近它。”