寻找未来的食物

科技如何改变我们的食物体系

在发达国家，现成的食品供应经常被视为理所当然，但并非每个地方都能如此沾沾自喜。

消除全球饥饿是 2015 年可持续发展议程中宣布的 2030 年的一项关键的联合国可持续发展目标（目标 2），时过境迁，现实状况已截然不同。

根据联合国粮食和农业组织 (FAO)[1] 的数据，2020 年有 7.2 亿多人面临饥饿，尽管新冠肺炎疫情影响了产量、环境压力不断加剧，但全球对粮食的需求仍在持续增长。

根据 FAO 的数据，与 2019 年相比，2020 年亚洲受饥饿影响的人口增加了 5,700 万、非洲增加了 4,600 万、拉丁美洲和加勒比海地区增加了 1,400 万[2]。

今年（即 2022 年），由于乌克兰目前的局势，这个全球主要的“粮仓”受到了威胁，预示着粮食市场会出现新一轮的低迷。世界银行预测粮食价格将大幅上涨，涨幅达 37%，越来越多的人口被迫陷入贫困和营养不良。[3]

联合国秘书长安东尼奥·古特雷斯警告说：“有一点日益明显，那就是，全球粮食危机迫在眉睫，除非立即采取行动，否则可能会对数亿儿童和成人产生长期影响”。他指出，世界正处于半个世纪以来最严重的食品危机的边缘。[4]

从需求角度来看，这个问题在短期内不太可能得到缓解。

预计到 2050 年，全球人口将达到前所未有的 100 亿，比当今全球人口多出约 20 亿，在此期间，撒哈拉以南非洲地区的人口可能会翻倍。[5]

气候危机加剧全球饥饿的可能性已经显而易见。海洋酸度上升正在扼杀扇贝和牡蛎，龙卷风和干旱不断毁坏农作物，海水淹没稻田。研究表明，如果目前的趋势继续下去，到本世纪末，玉米产量可能会下降 28%、小麦下降 22%、大豆下降 12%、水稻下降 11%。[6]

确定解决方案容易，实施起来却很难。

在全球粮食体系内，我们需要更多的粮食，更具营养价值，生产更经济高效，分配更公平。

粮食生产的进步先是表现为机器设备的机械改良，后来表现为耐寒种子的基因进化和更有效的肥料。虽然这些领域的发展仍在继续，但新兴技术，通常是数字化和互联领域的技术，可以帮助开辟加强粮食安全的道路。

从原始数据到机器人技术

全球农场频繁遭受恶劣天气，受贫困影响的农业地区冲突加剧，科技将成为鼓励农村提高恢复能力和最大限度提高营养产量的利器。

在此背景下，世界经济论坛确定了不同发展阶段最具前景的若干技术战略。

随着新兴经济体越来越多地使用移动网络，新一代应用程序正在推出，让农民可以记录和共享农业数据、与市场同步并获得金融服务。[7]这一切意味着食物链更高效，从种植、施肥、收获到最终销售。

这些数据共享将如何形成？ 它已经存在，尽管尚处于萌芽状态。

例如在非洲，埃及、埃塞俄比亚和苏丹的菜农收到了实时天气数据，帮助他们提前一步应对气候波动。与此同时，在亚洲，蒙古的牧民对疾病爆发保持警惕，帮助保证畜群健康。南半球有越来越多的农民加入短信网络，该网络就种植哪些新作物和采用哪些种植技术提供建议[8]。

这种革命性的互联互通让农民能够协调运输物流，交换动物饲料等易腐货物，保障种子和化肥以确保收成，并根据未来的环境条件优化畜群规模。

农业的技术进步不仅仅在于数据共享和超高速连接。

全球咨询公司麦肯锡的研究人员预测，“人工智能、分析、互联传感器和其他新兴技术可以进一步提高产量，提高水和其他投入的效率，让整个作物种植和畜牧业具备可持续性和弹性。”[9]

新一代机械可能对粮食种植产生重大影响，这涉及一系列领域：

• 无人机种植：无人机监控和远程图像分析，再加上地面传感器监测，这有助于管理大规模的耕地、触发自动干预，以提高产量并减少害虫等常见危害的影响。
• 智能牲畜监测：身体传感器数据和运动跟踪技术将有助于减少畜群发病，同时个性化设计的饲料和药物组合可以最大限度促进生长。
• 自主农业机械：未来，作物和动物将受益于自主操作机械和机器人的针对性干预，它们将结合传感器数据、GPS 信息和高级图像分析作出决定。
• 智能建筑和设备管理：经过优化的维护计划和实时环境调整将提高性能，并延长昂贵的农场基础设施和机器的使用寿命。

全球有几家公司的技术已经突破了概念验证阶段。[10]

例如在瑞士，ecoRobotix 正在开发自主除草机器人，这种机器人可以让土地所需的肥料和杀虫剂数量减少 95%，同时将生产成本降低 40% 以上。Gamaya 推出配备超光谱摄像头的无人机，力求实现数字农艺。SenseFly 同样生产无人机，其无人机收集地理空间数据，帮助完善农业战略。与此同时，Cleangreens 制造移动航空电子设备系统，让作物生产更经济、更环保。

创新思维也以一些其他不太明显的方式提供帮助。目前正在开发一种使用特殊纳米颗粒涂层来杀菌的包装。[11]这不仅可以延长所包装产品的保质期，还有助于减弱食物浪费的危害，美国每年有多达 40% 的食物被扔掉。[12]

助力进化

基因编辑是能够让科学家添加、去除或改变生物体 DNA 的一组技术，该技术已经用于生产更耐寒、更有营养的作物。

科学家正在通过通过巨型核酸酶、锌指核酸酶、转录激活子样效应核酸酶和集群规则间隔短回文重复序列 (CRISPR) 系统等工具，改良主要油籽作物和园艺作物（效率远高于传统育种）。[13]近年来，CRISPR 得到广泛应用，极具成本效益。

总之，这些技术不仅可以增加全球的食物量，还可以提高其营养价值、增强抗病能力和对抗过敏原。通过加强对土壤和植物生物群落的控制（即微处理），我们有可能改变粮食生产，同时减少对环境影响可疑的化学品的依赖。[14]

随着农业生物技术的发展，人们开始注意到微生物，特别是如何利用特定种类的细菌、真菌和藻类来控制微生物群或生长环境。

科学家已经证明微生物如何将空气中的氮转化为可溶的硝酸盐而用作天然的肥料。由此进行的种子处理可帮助生产能够承受恶劣气候或干旱天气的作物，对可持续生产颇有好处。

研究仍在进行中，尽管由于“快速测序”技术的发展，研究速度正在加快。新的探索途径包括合成生物群落、调节土壤和水资源健康的全新诊断和生物标记，以及土壤结构和养分有效性的改善。

这项技术不断发展，还需要进行更多的研究来改进对生态条件的分析，了解微生物和植物的分子通信机制。然而，随之欧盟委员会的国际生物经济论坛推广食品和营养安全的微生物菌群，以及美国 2016 年的国家微生物菌群倡议推动作物和土壤技术创新，有望得到政府层面的支持。

实验室培育肉类：文化转变

蛋白质是人类所有饮食的关键组成部分，它可以促进生长和发育，对身体构建和修复组织至关重要。动物肉通常一直是我们的主要蛋白质来源之一，但随着其对环境的影响越来越明显，这个问题饱受争议。

研究表明，畜牧业生产不可避免的副产物甲烷对环境的危害是二氧化碳的 34 倍。[15]牛肉是罪魁祸首，生产 100 克蛋白质约产生 50 千克温室气体。据估计，全球牲畜每年的甲烷总排放量为 71 亿吨二氧化碳当量，占所有人为温室气体排放量的 14.5%。^[16]

蛋白质的替代来源越来越受欢迎，尤其是通过植物蛋白质（大豆、豌豆、菜籽）、昆虫（饲料业用的蟋蟀、蚱蜢和面包虫）和真菌蛋白（真菌生物量）替代。然而，由于未来几十年人口压力可能会加剧，目前大量投资集中在养殖或实验室培育的肉类上。[17]

自 2013 年世界首创实验室人造汉堡登上头条新闻以来，人造肉不断发展。2020 年，人造肉研究的投资和交易量创下历史新高，达到 49 项，总价值约 3.66 亿美元，而 2016 年仅有 6 项交易总价值 600 万美元。[18]

通俗地说，实验室培育肉是利用先进的组织培养技术，在母体体外培育动物细胞，创造出理论上可以无限供应具有相同蛋白质值的肌肉组织。

在技术层面上，首先通过活检从动物身上提取肌肉细胞，在实验室进行分离和培养。然后，在生物反应器内培养这些细胞（细胞本身悬浮在纤维网络中），细胞浸泡在充当生长培养基的特殊营养混合物中。最后，将它们加工成一种组织，其中包括肌肉、脂肪和其他可消化产品，准备制成最终产品，如肉末或汉堡。[19]

它在多个方面都是一个成长型行业。

目前，全球有 60 多家初创公司潜心钻研人造肉技术。此项研究的大部分工作旨在从盐、糖、微量营养素和氨基酸等成分中设计出最高效的生长培养基。生长培养基目前的成本为每升数百美元。但价格需要做到接近每升一美元，才能要实现真正的可扩展性。

设计适合未来的食品渠道仍有许多挑战，政府和私营部门如今面临着越来越大的压力，需要进行明智的投资。

公共和私营部门有着共同的目标

我非常自豪，由 Community Jameel 和麻省理工学院于 2014 年在 麻省理工学院共同创立的安利捷水资源和食品系统实验室 (J-WAFS) 正在帮助支持突破性的食品技术研究，以更公平、更加可持续的方式养活全球人口。

几个正在进行的研究项目证明了这一重要使命的范畴。其中包括以下领域的开创性项目：

• 通过改变基因拷贝数和激活移动 DNA 来触发作物的遗传变异，以找到更耐热冲击或盐度增加的变体。^[20]
• 在受到污染的食品到达消费者手上之前，在加工现场检测食源性病原体，从而减少食品召回和疾病暴发。^[21]
• 提高疫苗在水产养殖中的表现，满足人们对富含蛋白质的海产品日益增长的需求。^[22]
• 使用混合蒸发和辐射冷却技术，延长未加入电网地区的食品保质期。^[23]
• 通过代谢工程将乳制品行业的废弃物转化为食品和饲料原料。^[24]
• 开发光谱传感器，减少氮肥的使用，同时保持作物产量，让小农户实现高效的作物管理。^[25]

我也很高兴贾米尔投资管理公司 (JIMCO) 通过其战略资产基金会，帮助支持全球食品科技和可持续农业计划。

然而，仅凭研究实验室和私人投资者无法实现粮食安全。世界各国政府可以立刻为审慎的研究和投资奠定基础，帮助开创全民营养的未来。

该领域的专家提出了一系列配套战略。

立法者必须与科学家和投资者一起推广食品技术，克服既得利益、缺乏风险资本、基础设施不足和监管负担等障碍。[26]

同时，应更加关注“互联互通”的潜力，彻底改变农业和食品技术。即使在通常被视为是互联互通领头羊的美国，目前也只有四分之一的农场利用了数据共享带来的可能性。随着硬件和软件价格不断下降，物联网 (IoT) 技术带来了先进的作物和牲畜监测，“第一年”就可以获得投资回报。[27]

然而，要最大化提高未来的收成，需要广泛采用新一代分析应用程序，而这又需要低延迟高带宽连接，只有 LPWAN、5G 和 LEO 卫星等前沿技术才能提供。

利用科技改造我们的食物体系，这一使命从田间一直延伸到实验室。现在就投资正确的技术，就可以防止以后的社会在紧急情况迫使我们采取行动时付出更高的代价。

粮食安全对全球数百万人而言，与我们面临的人类健康、环境可持续性、经济弹性和人口压力等其他主要挑战息息相关。公共和私营部门有责任抓住科技带来的宝贵机遇，拿出我们致力于彻底改变全球能源系统的活力和协调性，变革我们的全球食品体系。

[1] https://www.fao.org/state-of-food-security-nutrition

[2] https://www.fao.org/state-of-food-security-nutrition

[3] https://www.worldbank.org/en/topic/agriculture/brief/food-security-update

[4] https://www.theguardian.com/society/2020/jun/09/world-faces-worst-food-crisis-50-years-un-coronavirus

[5] https://institute.global/policy/technology-feed-world

[6] https://www.theguardian.com/environment/2022/apr/22/climate-food-biodiversity-five-charts

[7] https://www.weforum.org/agenda/2018/03/food-security-s-social-network

[8] https://www.weforum.org/agenda/2018/03/food-security-s-social-network

[9] https://www.mckinsey.com/industries/agriculture/our-insights/agricultures-connected-future-how-technology-can-yield-new-growth

[10] https://www.lombardodier.com/contents/corporate-news/responsible-capital/2021/january/how-technology-is-changing-the-f.html

[11] https://www.israel21c.org/killer-paper-for-germ-free-food-packaging/

[12] https://www.forbes.com/sites/nicolemartin1/2019/04/29/how-technology-is-transforming-the-food-industry/?sh=7050b49f20a3

[13] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2020.577313/full

[14] https://institute.global/policy/technology-feed-world

[15] ^{https://unece.org/challenge}

[16] ^{https://www.fao.org/news/story/en/item/197623/icode/}

[17] https://www.mckinsey.com/industries/agriculture/our-insights/alternative-proteins-the-race-for-market-share-is-on

[18] https://institute.global/policy/protein-problem-how-scaling-alternative-proteins-can-help-people-and-planet

[19] https://www.newscientist.com/article/mg24032080-400-accelerating-the-cultured-meat-revolution/

[20] https://jwafs.mit.edu/projects/2021/new-approach-enhance-genetic-diversity-improve-crop-breeding

[21] https://jwafs.mit.edu/projects/2021/site-analysis-foodborne-pathogens-using-density-shift-immunomagnetic-separation-and

[22] https://jwafs.mit.edu/projects/2021/precise-fish-vaccine-injection-using-silk-based-biomaterials

[23] https://jwafs.mit.edu/projects/2021/hybrid-evaporative-and-radiative-cooling-passive-low-cost-high-performance-solution

[24] https://jwafs.mit.edu/projects/2021/converting-dairy-industry-waste-food-and-feed-ingredients

[25] https://jwafs.mit.edu/projects/2021/accurate-optical-sensing-efficient-fertilizer-use-and-increased-yield-small-farms

[26] https://institute.global/policy/technology-feed-world

[27] https://www.mckinsey.com/industries/agriculture/our-insights/agricultures-connected-future-how-technology-can-yield-new-growth