“人因的生態系擴張,2045年的食物生產與科研目標” npj science of food論文 中文翻譯

“人因的生態系擴張,2045年的食物生產與科研目標” npj science of food論文 中文翻譯

この記事は、以下の論文 “Human augmentation of ecosystems: objectives for food production and science by 2045” を(社)シネコカルチャーアシスタントリサーチャー、林凱元が中国語に翻訳したものです。

 

人因的生態系擴張,2045年的食物生產與科研目標

株式會社索尼電腦科學研究所(Sony Computer Science Laboratories, Inc.)  舩橋真俊

 

摘要(Abstract)

目前的糧食生產系統需要在人口增長,氣候變化以及健康和環境退化的情況下進行根本性的改革。在人類文明演進的過程裡,每一個農業生產系統都在生產力和環境負載力之間進行了某種權衡。這些權衡導致地球超越其生物地球化學循環的邊界,並引發了前所未有的野生物種滅絕速度,從而將全球生態系統推向了崩壞的邊緣。在這個時代,人類活動的特徵是可以深刻地影響氣候和環境(即人類世紀),其臨界點可以是正面的或負面的。雖然負面臨界點可能導致社會和環境系統突然、迅速和不可逆轉的惡化,但正面的臨界點可以產生健康的改善和永續的社會生態系統。促進全球正面臨界點的關鍵是在發展規模上全面性里解人類活動和生活史,同時整合科學和技術,以制定正確的糧食生產政策和方針,特別是在發展中國家(見補充資料1,給決策者的摘要)。單方面地提高單一且密集型農業的生產率和規模不太可能在正面和永續的方向上推動社會生態變革。反之,必須通過基於基因遺傳、代謝和健康生態系統的生態基礎上進行人為生態系統擴張,開發出一種解決健康-飲食-環境三難問題的新方案,以實現對生物多樣性的正面影響。本文討論永續糧食生產在分子,生理和生態規模上的基本要求,包括演化和地質見解,試圖檢驗全球初級糧食生產所需的條件,以確保我們在本世紀生存。特別強調如何善用地球的遺傳資源而不是無可挽回地失去它們。

 

緒論(Introduction)

糧食生產的歷史特徵是人類最輝煌的成就,伴隨可疑的環境殘留物。由於1萬多年前農業的發展,以及工業革命帶來的農業技術進步,如今世界人口已增加到75億。這些進步也創造了能夠影響全球生態系統的文明和先進的社會系統。1雖然綠色革命可能挽救了很多人類的生命2,但合成肥料,殺蟲劑和高產能作物品種的廣泛使用卻創造了可能引發地球上第六次大規模人類滅絕的全球足跡3。這使人們質疑初級糧食生產在物質資源以及環境和人類健康方面的可持續性。同時,在生物地球化學的流動上,氮、磷和碳等農業投入已經超過了地球負荷極限,遺傳多樣性不可逆轉的損失可能會極大地改變生物圈的完整性。4

此外醫療保健支出已經成為已發展與發展中國家中最沉重的經濟負擔之一。5整體問題與慣行的糧食生產系統和只能選擇兩者的飲食-環境-健康三難關係。6若要回到永續發展的軌道,需要在整個生產、分配和消費價值鏈上的傳統食品系統進行徹底和根本的改革。7

食物生產和消費相關的空間和時間規模是非常多樣的,從全球環境到涉及健康的分子功能。圖1總結了科學和工業領域之間的關係及其對環境的各自影響。與食品有關的大多數生物學研究在某種程度上受到限制,因為它們是在高度受控的實驗室條件下生產的,例如體外組織培養或對少數模組有機體的體內試驗。 這不是要批判食品科學方法學的局限性,而是提醒人們仔細選擇與食品生產相關的那些因素的重要性。在更廣泛的架構下,田間/農場生產與實驗室評估之間的持續反饋將變得更加重要。

Fig1

Fig1:科學和工業領域的規模對應人類在糧食生產的影響。橫軸表示實現所需的技術複雜程度。縱軸是從小(下)到大(上)規模維護所涉及的時間空間度量,其中工業中的科學和生產模式中的實驗系統可以表示為在活體外與活體內,以及在文化上和自然條件裡。作為未來糧食生產的一種解決方案,生態系統的人為擴張位於右上方,結合資訊和通訊技術(ICT)支援的農業生態多樣性,在無需外部投入的情況下利用各種生物資源進行密集與混合的混種。(參見補充材料2中的更多解釋)

初級糧食生產的實際經營規模是開放場域,干預範圍包括慣行單一農業(在文化中)和在自然生態系統中採集狩獵(在自然生態中)。8例如,農學主要關注使用單一栽培(在文化中)的產量優化,而生態學主要研究具有不同程度擾動的生態系統(在自然生態中)的自然形成。在生產力優化的生態學理論中,生理最優化被定義為在文化中生長的單個有機體(例如,植物或動物)的優化,而在自然中,它被定義為單區域中的自發組織,其中物種生長與其他個體相關聯(即最適生態條件)9現代社會主要處於人類活動(在文化中)所規範的自然環境的強大規則之下,同時這也是大多數醫學團隊研究進行的環境。在整個農業歷史中,人口壓力下自然生態系統的喪失逐步增加,正如在人類棲息地和農業景觀中的自然條件下占主導地位的文化條件。由人類活動引起的全球生物地球化學循環的變化被稱為人類世紀。10

圖1顯示了空間和時間(y軸)可能產生的後果的範圍和類型,它們是增長的技術複雜性(x軸)的函數。 雖然傳統的城市和農田開發方案最終將導致全球狀態轉變,通常稱之為沙漠化,但未來糧食生產的創新技術將傾向於關注可控的環境解決方案,如自動農業和植物工廠,類似於活體內實驗與活體外培養的肉類生產。11這些新興的替代品基於與cGMP實驗室兼容的高度控制和受限制的環境,甚至在極端情況下,與星際旅行中的航天器兼容。

在使用封閉系統(例如實驗室)的研究的基礎上,傳統科學已經將其範圍擴展到開放環境中的應用,其具有多個外部負載(紫色虛線內的區域,圖1)。在這裡,迫切需要一個更好的管理框架,特別是一種稱為開放系統科學的新型形式化(紅色虛線區域內)。開放系統科學在解決問題時非常強調與周圍系統的關係,並廣泛使計算機技術來動態更新問題域的定義,結構和功能,以便在有限的觀察條件下提供及時有效的控制。12

在特定氣候條件下對自然生態系統的管理有可能通過應用開放系統科學和開發支援性資訊和通訊技術(ICT),如衛星遙距感測,雲端計算,人工智慧,和物聯網(IoT)實現生物多樣性的擴展(右上角,圖1)。13,14,15,16

由於這樣的擴展會使生態系統功能的淨增加超出自然組成,因此這與基於將資訊和通訊技術應用於傳統農法的“智慧農業”存在本質上的不同。9一般而言,最適生態條件是描述最終建立的生態系統形式,其基礎是假設進化上的自然組織能力,展現了群體層面上生態系統功能進行的某些全面優化(即自然形成的生態系統多功能性)。17由於與植被協調發展的生態系統的性質,生態轉變的多樣性以及替代性穩定狀態的存在18,19,在相同環境條件下由不同物種的組成發生的生態系統功能可能不同並帶來不同等級的生態系統服務。這意味著,通過操縱人工物種多樣性,與自然發生的生態系統相比,最適生態條件具有可擴展的範圍。

圖1中的Y軸(紫色和紅色箭頭)表示人類對生物多樣性的負面(向下,紫色)和正面(向上,紅色)影響的程度。有效的減緩情形應可防止環境負荷超過自然恢復力,這需要在自然組織中擴展生態系統,以抵消全部損失並實現淨積極影響。通常,生物多樣性和碳中和的補償論點將基線誤認為是常規負荷而不是自然狀態:例如,過度吹捧的農田高生物多樣性未必需要高於自然保護狀態,因為在最初的土地轉變為農田期間無論如何都會丟失,而此過程佔全球溫室氣體年排放量的1/621,是導致生物大規模滅絕的主要原因(更多是氣候變化壓力下的滅絕)。22

了解環境負荷以及可能的緩解和恢復措施需要涉及復雜系統的多度量綜合框架。由於傳統負荷估計會在本世紀中葉迫使社會和生態狀態的轉變,因此物質循環和生物多樣性的抵消和恢復以及適當的評估制度是最基本的任務。這包括對糧食生產可持續集約化的遠見,包括從文化和糧食系統轉變為素食實現保護森林24,25;改善不適當的生產和分配26;加強在都市農業裡的在地生產27;尋找對生態和營養友善的替代飲食,如昆蟲食品28;為資源貧乏的農民量身定制小規模農業29;以及基於生態系統功能的計劃管理漁業資源。30此外,這些措施應包括解決除減緩之外的環境和健康風險,以實現淨積極影響,並彌補人口增長和社會不平等帶來的問題。6,9,20

有鑑於氣候變化,綜合的處理方法也非常重要。與糧食生產有關的農業,林業和其他土地使用佔全球人為溫室氣體排放量的25%31。最易受氣候變化影響的國家也更有可能助長社會上的貪污32、飢餓33和生物多樣性熱點,特別是在沿海地區34。這些國家的初級糧食生產主要由小規模的家庭農場支持,這些農場佔世界農業用地的87%左右。全球來說,中小型農場生產高達77%的主要商品和營養來源。36

 

這些問題顯然超出了傳統食品生產優化技術的範圍,例如精準型農業,這種在已開發國家中基於“一切照舊”的狀況和研發投資政策。

例如在美國,大型農場採用精準型農業,僅回報淨回收增加1-3%37。在歐洲國家,儘管傳統投入部分減少,但實施的替代成本上升,並且到目前為止在調查的案例和情形中沒有證明獲利能力。38

 

由於其定性地基於對環境的負面影響,因此在世界人口增加和預期的全球生態系統崩塌的背景下,擴展單一種植的解決方案無法彌補不利的生態影響。39

即使是基改作物生產等高科技農業技術也無法確保基本管理服務的安全和充足的生物多樣性,因為這些只存在擁有大量活躍的遺傳及基因資源的天然植被。開放場域中的基改有機體(GMO)通過與野生親緣雜交和種間基因轉移作為基因組進化的一般機制,具有潛在的遺傳多樣性同質化的風險。40

綜合全球的科學知識,顯示了對過去25年來地球系統下降軌跡的持續警告。41

如果永續糧食生產這個方案存在,應考慮:活體外-活體內-文化中-自然中現象中的多度量相互作用的總體權衡和潛在相互作用,以實現生物多樣性的最終目標。並且優於或與整個人類活動價值鏈、政策制定,生產,分配,消費,回收和健康影響或達到平衡。設計維持具有非人類性質的人類生態系的社會,在當今人類世紀時代是非常重要的。42通過農學和生態學的整合,食品科學有望在食品生產的完整性中發揮核心作用,將長期生態效應和益處作為一種綜合生命科學,為人類與自然提倡健康與富裕。

元素主義和真正的因果關係問題(Problems of elementalism and true causality)

目前國際食品科學倡議往往側重於成分分析和對公共衛生的影響(參考文獻43)。這種從實驗室到人體和場域的自下而上的推斷在農學和醫學中也很常見,形成了科學中元素主義的基本方法論。然而,目前方法的量化擴展並不一定是保證解決問題的可靠途徑。奇怪的是,隨著我們積累越來越多的部分證據,忽略了越來越多的隱藏參數。這些可能包含大量與適當整合脫節的矛盾微觀證據,或者可能導致任何看不見的偏見影響全球共識。越來越多研究生命複雜系統的科學家“見樹不見林”。在這個類比中,樹木是個體組學研究,森林是人類和生態系統健康的綜合原則。典型的例子是製藥行業研發效率的弱化.44

直白來說,僅使用統計測試的高通量發現導向研究具有方法上的缺陷。即使在具有專家意見支持的經驗證據的既定區域中,所聲稱的結果實際為真的研究後概率也可能非常低。45實際上,p值的顯著性水平α= 0.05僅定義了檢測假陽性結果的I型錯誤,這意味著在20次實驗過程中可以拒絕任何零假設。 這將導致已發表文章中最多95%的假陽性結果,這與臨床藥物試驗的精確不可再現性相差不遠(例如,癌症研究領域,其中89%的具有里程碑意義的研究結果無法再現)46

 

另一方面,如果統計功率低,則可能不一定檢測到真正顯著的效果。不僅統計結果而且與奧卡姆剃刀原則的真實關係應該在生物系統的複雜性中進行情境化(即,滿足解釋現象的必要和充分條件的最簡單理論)。作為生物化學途徑和基因相互作用的一般性質,生理反應作為各種元素的綜合作用而出現:生物活性化合物通常表現出非線性劑量效應,其在中等範圍內起積極作用,但在缺乏和過量時都變得致命;多種化合物的相互作用形成一種模糊邏輯,根據每種劑量接受生物反應的不確定性;負調控通路的開通可以逆轉下游受器的生理結果;兩個以上變量的高階相關性在生物學研究中是急待未開發的。47作為系統級屬性,這些相互作用可能是生物體存活的必要條件的一部分,但它們在成分研究中不一定是可檢測的(即構成真正必要條件一部分的元素的錯誤排斥)。此外,生物系統的穩健性意味著它們也接受邊緣性質,這些性質不一定與存活率相關,但仍然顯示出適應性特徵的顯著差異(即不必要條件的錯誤接受)。

 

這裡的一個底層關鍵的基本任務是從觀察到的相關性中區分真正的因果關係和可能只是意外關聯或偽關聯。

顯著的相關性也可能起到干擾的作用,並阻礙隱藏因果關係的發現。統計分析通常不區分偽相關性和真因果關係,這可能會帶來妥協後結果。

 

對於對長期健康保護很重要的微量營養素,抗氧化劑是這種綜合效應複雜性的典型例子:即使在其他抗氧化劑如β-胡蘿蔔素,維生素A和維生素E的補充劑實際上增加了大型臨床試驗中健康和穩定期患者的死亡率。50黃酮類化合物的體外和體內證據在細胞水平上顯示出顯著的抗氧化作用48,並且在預期壽命長的食物系統中的天然產物中含有豐富的。49

 

這種不一致源於盲目地將每種食物成分和生理化學性質作為全身健康的必要條件。如果偽相關和真因果關係的重要性取決於不同的度量怎麼辦?食物成分和代謝標誌物肯定是相關的,儘管潛在的因果變量可能存在於測量之外,這可能是觀察到的偽相關的常見來源。

 

事件A和B之間的統計相關性並不一定意味著因果關係,並且一個潛在變量C是否存在同時影響A和B作為真正的因果關係是一個懸而未決的問題。典型的例子是影響植物代謝的產品的培養條件和與消費者的健康影響相關的其他食物變量。與健康狀態高度相關的營養元素可能只是測量範圍之外的其他真正因果因素的共同標記,或者只是同時相互作用以發揮觀察效果的一部分因果因素。這就是食品科學中無止盡驗證過程的必要條件。確定因果元素的挑戰大大增加了在評估食品項目整體健康影響時的難度,超出了成分攝入測試的範圍。’

這種證據構建背後的複雜性導致“魔鬼證明”的負擔,從而獲得超出實驗條件和數據限制的綜合觀點。如果沒有一個廣泛涉及潛在相關變量的充足全面環境,就無法檢驗區分真正因果因子的假設。不同學科中的分離嘗試在方法上省略了發現統一框架的可能性,其中不同領域中的變量在實際情況中相互耦合並相互影響。

為了減輕這種負擔並建立多尺度綜合模型,食品和醫學中的各種術語,如“風險因素”和“有益成分”應與背景中潛在變量明確表示相結合,如圖2(a1-3)為“暗礁模型”。

Fig2

Fig2

(a1-a3):“暗礁模型”,在生物學研究中整合了可觀察的(紅色和綠色圓圈)和潛在的(藍色)變量。 b1-b3:關於發展穩定狀態的食物變量的平衡模型(ESS,設置為綠色圓圈)。 x軸是食物變量的濃度(每單位重量的含量)除以生理效應或生產的環境要求。 y軸是食物攝入量的實際量。 c人類與生態系統健康和耕作方法之間的關係。 對自然狀態以外的最適生態條件的強化,例如,協生耕作法(參考文獻8),創造了一種新的綜合方法,有可能將人類和生態健康作為正向的互動解決方案(左上方的綠色箭頭)。 (參見補充材料3中的更多解釋)

 

在暗礁模型中,從系統生物學的前提,具有各種反饋的複雜生物體具有記憶結構,例如內部代謝狀態,其提供對特定治療的生物反應資料。這種內部狀態可能受到遺傳變異性,環境因素,社會地位以及通常難以測量和標準化的其他隨機機制的影響。51,52

在圖2(a1)中,那些與生物體健康狀態相關的可觀測值,可以類推地被稱為“礁石”,部分淹沒在“海面”(藍線)之下。

海面水平代表健康效應閾值,其將潛在變量的淨效應整合到測量範圍之外,例如內部代謝狀態和環境條件。海面指的是潛在的測量條件,其在體外,體內,文化和自然中是不同的。相對的,礁石的一部分可能或可能不在海面之上,分別代表健康風險(紅色圓圈)或利益(綠色圓圈)。 (a2)顯示了藥物治療的情況,該藥物治療部分地改變了海面並降低了特定目標的風險,同時在其他因素中產生副作用。這可以類比地描述為在波濤洶湧的海面情況下的礁石,波浪代表藥物激增。它也可以代表在相同的可觀察值下對疾病易感性的個體差異。 (a3)代表理想的處理方法,通過改變環境來提高海平面,或通過修改個體特徵向下移動礁石,使大部分礁石降至風險閾值以下。

形成遺傳和代謝網絡穩健性的發展穩定狀態(ESS)可以被認為在自然飲食和環境條件下趨向這種“暗礁”狀態。53可觀察(礁石)和潛伏(海面)的變量案例參見補充材料5。

這種形式化可以將經典問題置於遺傳病理學中,例如與飲食模式等環境因素相關的遺傳性缺失。54它也可以表達實驗動物的表型變異性作為相同遺傳譜下的背景變異。51通常,在每個單獨的研究中,海面被隱含地設定為平坦閾值。然而,映射不同測量之間的關係需要參考潛在變量,其中需要展示不同海面作為不同實驗系統之間的界面。對於改善長期健康和福祉的新興組學研究的合理解釋條件是從分子到環境的多尺度潛在變量的整合,這些變量在每項研究中被切斷但在實際情況中變得不可或缺。

雖然營養缺乏和過量等簡單因果關係的健康問題很容易解決,但最近出現的非傳染性疾病通常涉及從遺傳到環境的多尺度變量(如飲食和生活方式),這些變量不單是特定組件的缺陷,更構成了整個系統的功能障礙。這些變量在食物,內分泌和神經系統,腸道微生物群和周圍生態系統之間形成多個反饋迴路,然而目前人類只對這些代謝途徑有部分了解(例如參考文獻55)。

解決複雜有機體中的系統功能障礙,理想上需要同時且相同地精確測量所有變量,但是藉由適當地選擇建模尺度可以確保基本動態。換句話說,科學方法論嚴格地基於還原論,但我們減少現象的要素可以在系統層次結構的多個度量中選擇 通過從相互作用系統的不同層次中適當選擇描述性變量,我們應該能夠將單個組學研究難以涵蓋的潛在變量的重要影響整合起來。面對複雜系統問題,還原論的挑戰和發展可歸納為三個步驟:基本還原論,在受侷限環境中的系統理論,以及開放式複雜系統的實時管理(補充材料6)。

 

自然中的綜合生命科學的介面(Interface for integrated life science in natura)

讓我們考慮自然中的進化範疇,它造就了我們自己的基因和代謝特徵。53理論上,自然選擇可以導致發展穩定狀態(ESS)的實現,作為在適度波動的環境下支持長期適應性的基因組成。56現代智人的這種狀況可以在解剖學上追溯到大約30萬年前57,之前是幾百萬年來基本代謝系統適應狩獵 – 採集生活方式,直到最近轉向農業生活。農業支持的生活方式和膳食改變以及隨之而來的人類世環境變化已經產生了糧食生產的複雜性,目前各種科學學科都被劃分(圖1)。

為了整合相關學科來解決飲食-健康-環境三難問題,支持永續糧食生產的科學應包含該原始因素:農業裡自然到文化中的食物文化條件的突然變化。然後我們應該考慮這種宏觀狀況如何導致在公共衛生和環境問題中觀察到多樣的微觀症狀。目前各學科都沒有整合其他關聯領域,因此都碰到困境。

圖2(b1-b3)顯示了在自然與文化上如何區分作為解釋飲食-健康-環境三難的介面,具體而言,作為食物變量與發展穩定狀態(ESS)相結合的平衡模型加上暗礁模型如圖2(a1-a3)所示。在(b1-b3)中,x軸表示每單位食物項目的食物變量的數量除以生理或環境要求(營養成分,生產的環境影響等)。在營養素的情況下,x軸上的濃度值對應於每單位食物重量的營養含量,這與營養密度乘以膳食指南中常用的能量密度相吻合。58 y軸顯示實際食物攝入量,如食物重量。在(b1)中,將所有食物變量和攝入量標準化為代表自然ESS的綠色圓圈作為營養需求曲線的標準點x×y =常數,其中常數是自然狀態下的營養譜。轉換到(b2,b3)中表示的文化環境將使每個食物變量(紅色圓圈)的參數多樣化,這影響個體生物的淨生理需求(綠色圓圈上方的藍線的上移)。設定紅色圓圈的所需攝入水平(y值)以滿足綠色圓圈的需求,而藍色線條的所需攝取水平(y值)表示個體生物體的後續反應。

作為營養不良的典型例子,描繪了導致暴飲暴食(藍線的上移)的高熱量食物(b3中的紅色圓圈的右移)中的微量營養素缺乏(b2中的紅色圓圈的左移)。 相對的,(b2)和(b3)中的紅色陰影區域分別代表微量營養素缺乏和過量卡路里攝入量。藍線上移是因應到兩種意義:一,當食物豐富時,動物傾向於過量攝取。二,低微量營養素含量需要增加攝入量以滿足營養需求。生態環境中人類攝食行為的演變也支持能量密集和美味食物的飲食選擇。59作為與健康風險相關的食物成分研究的一個例子,紅色的x軸和y軸的值圓形對應“礁石”,而藍線與自然ESS(綠色圓圈)的偏差程度是“海面”的另一種表達。這裡的關鍵思想是,根據藍線的位置,營養素的相同x值和y值可以在適當的攝入劑量和不足/過量之間改變其對個體健康的含義。

在(b2,b3)中用紅色圓圈表示農業的環境負載力的情況下,在文化上充足、缺乏和過剩中應分別讀取必要的,減少的和過量的負荷。左移(b2)可以比狩獵收集產生更多的環境影響的食物,而右移(b3)使每單位食物的生態系統退化率更高。在這種情況下,藍線對應於增加的農業產量。食品變量和文化反應的例子參見補充材料7。

 

將ESS的攝入平衡設定為自然的最適生態條件,文化偏差可以表示為缺乏和過量的食物變量,導致健康風險和環境過載的總體增加。人類和環境健康的必要和充分條件可能存在於將自然狀態重新引入初級糧食生產,從而維持我們在擴張的生態系統多樣性中新陳代謝的ESS。9這種初級糧食生產方法與生物多樣性的淨正面影響方法是一致的20,可以想像,這種方法可以引入世界上的小農,以自下而上的方式解決健康-飲食-環境的三難問題。60,61

人類與生態系統健康之間的關係如圖2(c)所示,提供了農業生產模式及其後續的健康效益和風險。從歷史上看,雖然農業系統上單一栽培方法的最適生理條件的發展,實現了更長的壽命和基本營養狀況的改善(右上方的青色箭頭),卻同時產生微量營養素和食物中卡路里的不平衡,成為非傳染性疾病的危險因素。農業及周邊生態系統的監管服務嚴重喪失(右下方的紅色箭頭)。最適生態條件方案通過人類在植物群落的自然發展中引入生物多樣性來增加生態系統的功能,展現了共同作業上,人類和生態系統健康的可能(左上方的綠色箭頭)。它在多尺度適應過程中產生多種功能互補和協同作用,包括每個生物的生理學和自組織群落的生態學。增加情景伴隨的相關風險可能是食物和生態系統變化上新的發展壓力(左下青色箭頭):例如,生育率下降和人類發展指數(HDI)改善帶來的人口老齡化;62跨代上與新飲食習慣的不相容;63人類社會與高度發達的生態系統中受保護的野生動植物之間的衝突,以及不斷進化的病原體。

 

以自然裡擴張的生態系統,預防和反轉農業引起的條件變化(Preventing and reversing agriculture-induced regime shifts with in natura augmentation of ecosystems)

如果我們選擇改革糧食生產,人類世的可能結果是什麼?通過農業的傳播,影響地球系統功能的主導力量似乎已經從天文和地球物理轉變為人為驅動,這意味著離開第四紀晚期的冰期與間冰期極限環的風險。64

恢復和加強初級糧食生產中的自然動態將是對抗預期的條件變化的必要方法,例如全球生物多樣性1的崩潰以及社會服務和健康狀況的惡化。23

通過實證實踐,證據表明,人類活動可以被利用來增強自然組織中被稱為最適生態條件的生物多樣性,而不是環境權衡之外的自然保護狀態。13,60,61,65,66通過初級糧食生產實現生態系統的自然增長,最近出現了顯著的例子,將環境影響的質變從負面轉為正面,如下所述。

眾所周知的,透過積極引入新植物物種,生物多樣性高的農田和一些自然農業元素,在周圍景觀中引發了更高的生物多樣性。

作為一個極端的概念,協生農法計劃(圖2(c)中的協生耕作法)通過促進市場上園藝領域的物種多樣性和製造具有最適生態條件的高密度群集,不斷收集生態系統裡自然增強的證據。65在日本的實驗表明,只有3000平方公尺範圍的農作物物種多樣性可媲美那些實行慣行農法的區域性規模的自然保護區。13

 

包括周圍生態系統在內的生物多樣性記錄顯示出增強的保護價值,包括IUCN紅色​​名錄物種的觀察,土壤微生物多樣性和相關緩衝功能的更高組織,更高的總產量,以及包括授粉在內,更強的調節功能。61

這意味著耕作、肥料和化學品的完全替代與增強的生態系統功能/服務可以在生產力方面表現出色,作為高度多樣化產品的綜合產出,即使在持續的收穫壓力下也不會損失反而增加土壤沃力。在撒哈拉以南的非洲,布吉納法索的一項實驗明顯恢復了當地的條件變化,並在物種組成方面重新建立了植被到成熟的初級階段。60

 

生產率比市場園藝生產的全國平均水平高40至150倍,總成本效益提高了十倍。67這些可以被視為乾旱地區農業擴展可預見範圍之永續發展的關鍵證據,因為可以實現生物多樣性促進和活化當地經濟之間前所未有的高度兼容性。 協生農法有增加作物多樣性和產量的巨大潛力,這將最大限度地減少土地開墾並保護受威脅的大型哺乳動物的棲息地。68

總體結果表明,在最適生態條件的生長下,可以利用人為力量來增強植物群落的多樣性和生態系統功能,這可視為生態系統的自然增強。當生物多樣性被認為高於自然保護狀態時,根據物種多樣性的三個部分,它具有以下含義:65

 

1.

α-多樣性描述了生態系統在特定生態演替階段的物種多樣性,可以通過人類引入各種作物物種以及接續對天然物種的誘導來增強。

2.

β多樣性描述了與具有不同生態演替階段的兩個生態系統之間的差異相對應的物種多樣性,可以通過對具有不同α-多樣性的多個生態系統的單獨管理來實現多樣化。

3.

γ-多樣性描述了具有不同演替階段的所有現有生態系統中物種的多樣性,可以通過多種增強和保存狀態的結合來增強,例如通過農業與周圍生態系統之間的相互作用。

通過人為干預不斷引入新物種和積極干擾,可以控制物種多樣性的三個層次,以比自然保護更快地達到更高的目標狀態。這一過程不僅可能包括引入的非侵入物種的貢獻,而且還包括在入侵物種的負面標籤下經常被忽視的新的主要物種的正向觀點。69由於繼承階段的多樣性通常會通過融合到自然發展的高潮階段而減少,人類管理可以通過各種類型的生態系統共存來促進更高的生物多樣性。

生態系統的恢復過程與人類協助的生物多樣性促進特別相容。60,70,71

事實上,與初級植被相比,全球報告顯示,輕度到集約利用的次生植被在物種豐富度和充足度方面都表現更為優異。72

雖然世界上90%的食物卡路里大約僅來自30種作物,但歷史上使用的食用植物種類數量超過30,000種(參考文獻73),這提出了一個巨大的尚未開發的植物遺傳資源庫,用於擴張農業生態系統。

人類世軌跡的其中一個潛在結果,如果我們通過大多數初級糧食生產,成功實現生態系統的增加,特別是發展中國家小農的生產,那就是它可以成為維持我們社會生態系統的主要推動力。

圖3(a1-a3)顯示了預防和逆轉生態條件變化的可行機制和方案。 (a1)描繪了一個地球系統,它已朝著更高的生態系統複雜性發展到擁有多種生命形式(橙色箭頭),儘管文化中的農業強迫在歷史上已經降低了生物多樣性並削弱了自然物質循環(灰色箭頭),接近了災難全球條件變化的門檻(第T行,圖1中自然恢復力的極限)。自然生態系統的增強可能是重建生態複雜性的驅動力(紅色箭頭),其遵循與地球化相同的方向,其中行星環境(棕色箭頭)轉變為可居住的條件(E行)。74

Fig3

Fig3:預防和逆轉生態狀態轉變(a1-a3)和生態系統功能預期結果(ES)的可能情形(b1-b4)。 (參見補充材料4中的更多解釋。)

在(a2)中,藍色曲線描述了生態系統相對於x軸的一般滯後:人類影響,如農業土地利用變化,環境污染和其他棲息地破壞,以及y軸:生態狀況,如生物多樣性單位面積。它是基於參考資料1的生態狀態轉換的典型相圖。紅色曲線代表了對增強型生態系統的推測,其中一定比例的人類活動按比例投入以促進生態狀態,反映在響應曲線的右移。 虛線箭頭表示在生物多樣性喪失(向下)和恢復(向上)之間的替代穩定狀態之間的條件變化,其遵循不可逆的相變過程。

(a3)顯示了預防和逆轉生態狀態轉變的估算動態。 x軸表示以年度為單位的時間,推測全球狀態在2045年左右移動. y軸與(a2)相同。實線表示相圖(a2)後的時間動態。 y值代表當地生態系統(綠色實線),全球生態系統(藍色實線)和在地或全球增強生態系統(紅色實線)的生物多樣性。虛線箭頭表示兩種替代穩定狀態之間的相變:在地生態系統崩潰(CLE,綠色向下箭頭);全球生態系統崩潰(CGE,藍色向下箭頭);增強型生態系統的在地或全球崩潰(CAE,紅色向下箭頭);當地生態系統的恢復(RLE,綠色向上箭頭);全球生態系統的恢復(RGE,藍色向上箭頭);當地增強的生態系統恢復(RLAE,紅色向上箭頭);和全球增強生態系統的恢復(RGAE,紅色向上箭頭)。

 

正如數字所暗示的那樣,增強的生態系統(紅線)傾向於減輕生物多樣性的喪失並減少條件變化的差距(橙色箭頭),如果在大多數初級糧食生產中發生重大增加,可能會阻止它。

圖3(b1-b4)顯示了在不同的開發,保護和增強情景下,具有定價機制的生態系統服務的預期產量。根據參考文獻75,所有數據均代表生態系統服務的供需曲線。 x軸:數量和y軸:價格。

(b1)是沒有人為退化的自然供應的情況。與經濟學中的傳統表徵不同,生態系統服務的供給曲線無論人類需求如何都是恆定的,表示為垂直閾值線。藍色和綠色區域分別代表消費者盈餘和生產者盈餘的數量。

(b2)顯示了人為強迫下供應退化的情況。供給曲線向左側移動,導致消費者和生產者盈餘減少。

(b3)是一種典型的保護方案,人類為自然生態系統的恢復支付了自然供給水平的成本。保護消費者和生產者剩餘(藍色和綠色區域)以及保護成本(紅色陰影區域)可以預期作為回收盈餘(橙色邊界區域)。

傳統的生物多樣性概念通常將自然保護狀態作為最高標準,並討論人類引起的退化。 相反,生態系統的增加可以創造一個操作物種多樣性的新領域,包括實際建立增強型生態系統和虛擬多樣性知識。66正如(b4)所述,可利用效用的能力也相應增加:生態系統超越保護的增加,其前提是實現生態系統服務的增加供應而不是自然保護狀態。 在一個成功的案例中,超出保護情形(橙色邊界區域)和進一步的額外盈餘(紅色邊界區域)的新恢復盈餘可以預期為增加的消費者和生產者盈餘(藍色和綠色區域),具有更高的成本效益投資(紅色陰影區)。

 

生態系統服務的成本和盈餘的這種分類為綠色經濟中的政策制定提供了基本的市場機制,並且可以通過明確區分生態增長和傳統的保護工作來補貼活動。超過保護的增加可以對生態系統服務提供更多的槓桿效應,這可以通過已實現的生態狀態和管理模式來評估。目前旨在將生物多樣性納入食品和生產生態系統主流的主要國際倡議應該將這樣一個框架與根據生態系統服務的成本效益比率確定投資的優先次序結合起來,特別是在增加保護之外的區別。潛在適用的項目包括促進糧食,飲食和農業生態系統的多樣性,通過本土化改善營養; 76營養敏感型農業的政策制定和行動規劃; 77可持續碳抵消和生物多樣性促進綜合市場機制的林地利用; 78跨品種的健康倡議與人類和獸醫學的聯合; 79名古屋協定上,遺傳資源獲取和利益分享及其資料交換所機制; 66,80商業性農業和林業部門裡生物多樣性沒有淨損失和淨積極影響的辦法; 20和政府主導的綜合途徑,用於發展中的超級生物多樣性國家同盟的農業生物多樣性,如在原地/農場保護植物遺傳資源;81促進可持續利用卻未充分利用和被忽視的可食用物種;82開發多年生主要作物品種,以提高邊緣土地的碳固定和低投入種植; 83,84通過增加植物多樣性改變不同環境下的產量和生態系統服務。85補充材料8給出了將目前倡議轉變為增強情景的標準案例。

除農業以外的初級糧食生產也顯示出有助於實現田間生態系統增加的潛力,並應在各個行業之間進行協調。傳統的畜牧業在邊緣環境中創造了一些生物多樣性最豐富的大草原生態系統,它們需要新的適應機制來應對氣候變化。86

最近出現的管理密集型放牧實踐已迅速將土壤碳固定在原生森林的水平上。87粗放的水產養殖系統有可能附帶地豐富水生態系統中的物種多樣性和豐富度88,因此可能為鳥類物種提供濕地棲息地。89擴大生態無害的替代飲食如食用昆蟲可以通過永續利用森林環境積極地刺激生物多樣性。28

 

自然中生態系統的增加程度,與文化中過去的農業歷史相比,在生態復雜性的極端情況下,會劃分地球系統的命運和相關的自然資本邊際,包括人類和環境健康。為了用科學證據推進這些行動,跨學科方法將變得至關重要。多度量生態和營養的大數據90,91,需要納入生態系統增強更精確的動態,在未來的規範、裡克服傳統方案的局限性。這應該超越營養方面的風險評估,達到系統級屬性,以解決一體的人類和生態系統中系統功能障礙問題。將個性化定制的精​​準醫學,營養學和公共衛生與縱向多組學相結合92,應整合潛在的環境變量(圖2(a1-a3)),並融入增強生態系統服務的預期收益背景中(圖3)。

 

如上所述,縮小糧食組成多樣性與生態多樣性之間的差距是科學政策中具有直接重要性的挑戰性任務。永續,需要技術和社會共同作業,以建立耦合的社會生態系統的恢復力。在更根本的層面上,建立一個合理的地方和協作經濟體,通過公平的生產和分配模式縮小經濟差距,這是一個基本的社會基礎。7

它還應該將廢物,消耗,溫室氣體排放和基礎設施擴建減少到可將人類文明影響限制在地球範圍的規模。

這將需要改革經濟活動,大量轉向分享各種商品和服務,以便儲存和回收不可再生資源,用積極促進環境的活動取代能源消耗的生活方式,從增強的生態系統服務中提供大部分日常必需品。

在制定政策時需要符合新監管框架的法律制度,為了迅速有效地實施,應與全球可持續發展目標密切協調,採用在第四次工業革命時代實現,廣泛應用的訊息和通訊技術(ICT)模式。15,66,93

應以開源和參與式結構提供技術和社會媒介,以最大限度地提高越來越多作為分散自治組織(DAO)而工作的參與者間可獲取性和合作綜效。

日本社會5.0等政府對智能社會的倡議需要將增強型生態系統作為未來自然資本的基準,並通過網絡空間的迅速發展來充分利用整個生物圈的潛力(圖1,右上圖)。

縮小社會差距並減少已發展國家和發展中國家之間環境負荷的差異將導致人口轉變的新階段。

具體而言,發展中國家改善食品質量和恢復生物多樣性將有助於提高人類發展指數(HDI),這通常與生育率下降有關。

與此同時,人們知道先進的人類發展指數國家的進步會對生育率產生積極反彈。62

這將導致發達國家和發展中國家之間的生育率差距縮小,從而導致人口更加平均地分佈在具有更高和更窄的人類發展指數範圍的年齡群和地理區域。

在定義人類發展指數的因素中,通過改革初級糧食生產和相關的自然環境,可以大大改善預期壽命等健康措施。這種結果對於人類世轉變為共生地球非常有利,在這裡,適當規模化的人類文明和增強的生態系統為另一方的繁榮發揮著互利的作用。

 

結論(Conclusion)

 

糧食生產需要進行根本性的改革,以應對地球生態狀況的持續惡化和相關的健康風險。

這種重組不能僅通過簡單地提高農業交易效率(即犧牲生物多樣性來提高生產力),亦不能結合在傳統食物系統中佔優勢的單一栽培(在文化中)生產裡,那些結合體外/體內和群組研究的基本知識的偏見。。

相反,它需要結合已經存在的自然動力學,在整個生態系統的演變過程中為全球生命提供支持,並制定人類和其他生物體的遺傳和代謝計劃。

這種多方面的視角應該在自然生命科學的背景下,通過ICT和資訊科學的介面,整合和更新相關學科,如分子和系統生物學,食品和醫學科學,農學,生態學和地球科學。

為了建立永續食品產業與更高標準的公共衛生之間的相容性,關於人類健康的新興縱向多組學研究應進一步納入和區分宏觀生態變量,包括破壞,保護,減緩,保護和增強生物多樣性。這種整合需要一個標準模型,將不同方面的實驗研究從個體生理學和群體生態學進行背景化和相互關聯。

鑑於社會生態系統預期臨界點之前的有限時間框架,既存的初級糧食生產不應等到這些變化發生1,23,64:相反,我們必須積極主動進行每個地區生態系統的擴大,特別是在中小規模農田中,從長遠角度最大化其經濟和生態利益,並考慮到物質資源的行星限制。

為了促進這些行動,技術投資、補貼和政策制定應該大大轉而支持增強低投入、生物多樣性主流化小農的能力,從而在大多數參與者之間產生自下而上的綜效。

可以為2050年估計的91億人口提供基本生活支持的糧食系統的實現,主要要靠在地小農建立的自然增強生態系統。

這應該與技術槓桿相關聯,例如ICT支持在全球分散的生產和分配系統中對超級多樣性進行資源有效管理。13,14,15,61

全球永續發展目標需要進行工業和科學革命,在沒有先例的情況下,將糧食生產作為改革的主要支柱之一。其所創造的人類能力和全球生態狀態的增強將在未來的地球系統軌跡中扮演決定性的角色。