探雷植物能教会我们什么设计知识

想象一下，一种植物在有地雷的情况下会变色，提醒不警惕的人脚下有危险。这个想法启发了许多团体，包括一家丹麦公司，该公司开发了一种拟南芥植物，当有爆炸物渗入土壤时，它会变红。乍一看，这是人道主义诉求和高科技酷炫的完美结合。那么，为什么还没有地雷探测植物呢？因为这是糟糕的生物设计。

如今的生物技术专家拥有大量工具来对生物进行生物工程改造，但将这些工具应用于现实世界却是一项挑战。例如：部署地雷探测植物需要什么？首先，生物工程师必须创造能够始终如一地探测爆炸物并对其作出反应的植物——假阴性将是致命的。这是一个巨大的技术挑战，但或许并非不可能。

接下来，需要在雷区种植探雷植物，但由于这是雷区，所以不能手工种植。假设种子必须空投。然后，这些种子必须长成健康的开花植物，完全无人照管，因为没有人在雷区种花。本质上，它们必须像野草一样生长，在恶劣的条件下生存，并在竞争中胜过邻居。所以在这种情况下，生物工程师会改造野草，并将它们自由地分布在整个生态系统中，因为他们知道野草本身会带来问题。而这还只是在移除一颗地雷之前。

还有另一种解决方案：APOPO（荷兰语，意为反人员地雷探测产品开发）是一家非营利组织，训练非洲巨囊鼠感知地雷。该组织每年只训练 40 只老鼠。尽管如此，去年，在回收了 13,000 多枚地雷后，该组织宣布莫桑比克已无地雷。这是生物学应用得非常非常好的一次。从这种比较中可以吸取一些教训。

一是生物工程师在开发工具之前必须先问自己：“解决这个问题的最佳方法是什么？”如果生物学确实为这个问题提供了解决方案，那么找到最适合这项工作的生物就很重要了。对于识别地雷，老鼠似乎提供了更好的解决方案。老鼠可以相对容易地被训练来准确识别各种化合物并向我们发出它们的存在信号。与此同时，植物有能力过滤大量的水，中和有毒化合物，招募和与微生物群落互动，通过根部广泛采样土壤，并将阳光转化为食物、化学物质和生物质。这并不是说改造植物来感知和检测环境条件是无用的——这一领域的研究扩展了我们对植物适应环境方式所涉及的基因和蛋白质的认识，有朝一日可能会成为一种有用的工具。

另一个教训是，人们有时很容易相信，只要某样东西可以制造出来，就应该制造出来。创作自由对基础研究来说非常重要，因为基础研究的最终目标是追求新知识。但对于现实世界的解决方案，生物工程师需要在更广泛的背景下考虑他们的工作，并提出超出技术可行性的问题。为了有效，新的设计必须进入世界，并与已经存在的充满系统的经济和社会结构相结合。新技术面临的许多挑战都与非生物障碍有关，例如监管、公众舆论和商业激励。

我希望看到更多生物设计的例子，就像这个来自台湾的学生小组利用细菌开发出一种新型阻燃剂一样。他们的科学并不具有革命性——他们使用已经存在了几十年的技术，将两种蛋白质的 DNA 序列插入细菌中——但他们解决问题的方法很巧妙。

首先，他们发现了一个需要解决的问题。阻燃剂通常有毒，经常分解成有毒副产品，历史不光彩，而且可能根本没有任何好处，以至于消防员要求家庭少用阻燃剂。该团队从大自然中寻找现有的阻燃剂。酪蛋白是牛奶中的主要蛋白质，它具有防火性，羊毛也是如此。在这两种情况下，正是蛋白质的特定化学成分导致了防火性。当火焰分解这些蛋白质时，它们会释放出浓密的氮或磷云，像传统的阻燃剂一样将火扑灭。然而，与传统阻燃剂不同，酪蛋白和羊毛是无毒的。

该团队在人工实验室细菌中模拟了这一现象。然后他们将细菌应用于棉花。这是喷灯用于未处理的棉花，这是喷灯用于用细菌阻燃剂处理过的棉花。这种方法很有效。它很优雅。它解决了问题，并且使用了正确的工具。这是生物学的一次深思熟虑且有用的应用。

本文中的许多教训听起来都很熟悉：关注问题；不要爱上你的解决方案；了解你的产品将如何使用以及谁会使用它。生物技术专家必须根据其技术属性以外的因素来判断潜在的应用，重点关注实用性和设计。今天，我们有机会定义生物技术的文化、我们共同的价值观和我们追求的标准。

凯拉·海文斯最初是一名实验室科学家，如今她致力于合成生物学界，致力于追求美丽的生物技术——为复杂问题提供精心设计、优雅的解决方案。她目前的项目是“The One Sky”计划，这是一个独立的非营利组织，旨在阐明生物学背后的价值观，并为消费者构建工具，以便他们做出有关应用生物学的有效决策。您可以在 Popsci 中阅读她过去作为空军军官的生活以及她重返科学界的故事。