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聊一聊农药是怎么让化学家拿到诺贝尔医学奖以及其他
王彬    来源社团:上海市科普作家协会
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【摘要】我们今天并不是为农药唱赞歌来的,而是想讲一讲在农药漫长的发展史上几个有趣的小故事。比如农药是怎么让一位化学家拿到诺贝尔医学奖,又比如农药是怎么通过自身经历告诉大家吃回头草的重要性的。

农药的名声目前在我国比较复杂,基本上处于大家都想躲,但怎么都躲不过的状态。这也是没办法的事儿,因为自然界中总有许多昆虫要和我们抢粮食吃,人类要从虫口夺粮,目前主要方法还是杀死对方。而且即使到了今天,每天还是约有8亿人在挨饿1,农业发展在各个国家还有很长的路要走。我们的粮食储备,离让虫子自由吃的境界还挺远的,所以我们还真没法离开农药的帮助。

不过我们今天并不是为农药唱赞歌来的,而是想讲一讲在农药漫长的发展史上几个有趣的小故事。

第一个故事是关于一名化学家是如何拿到诺贝尔医学奖的。

1948年诺贝尔医学奖挺有传奇色彩的。首先这次获得者的背景特别传奇,他是第一位没有任何生理学或医学背景的医学奖获得者。同时这届的后续也很传奇,先是被世人称颂,没过多久又被认为是诺贝尔奖历史上的污点,而到了21世纪初,却又被世界卫生组织等著名机构再次提起并呼吁,并引起了广泛的关注与争议。

所以这到底是怎么回事呢?先来看看这位获奖者吧。

获奖者是位来自瑞士的化学家,名叫缪勒尔(Paul Hermann Müller)。他获奖的原因是他对DDT杀虫作用的发现。对,没错,就是《寂静的春天》所猛烈抨击的DDT,被认为污染了整个地球而被痛骂至今的DDT——也是曾经被认为拯救了人类的DDT。

DDT俗称滴滴涕,化学式是(ClC₆H₄)₂CH(CCl₃),中文化学名是双对氯苯基三氯乙烷,英语的二,二,三简写为di,di,tri.DDT 就是来源于此。它的化学结构图简洁对称而优美,但经历却要复杂得多了。

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DDT最初是由奥地利化学家赛德勒(Othmar Zeidler)在1874年合成的。但这项合成并没给当时的社会带来任何涟漪,24岁的赛德勒虽然合成了DDT, 却只是拿来简单发表了篇论文,而没有像缪勒尔一样挖掘出它的真正效能。所以至今前者在维基百科上的介绍只有寥寥五六行,与后者的长篇巨幅形成了鲜明对比。

到了1939年,在赛德勒去世后的18年,DDT遇到了缪勒尔。这位热爱植物的化学家一直在努力寻找一种便宜持久、并且温和不伤人的化学农药,这个想法现在看起来没什么,但当时可是挺惊世骇俗的。要知道,当时的主流思想可是认为天然农药产品(见效慢且价格高)才是唯一可用的杀虫剂,合成物除了剧毒的砷化合物(对昆虫和人类基本是无差别伤害)之外,都对昆虫无效。如果当时有微博,估计缪勒尔的这个想法会被群嘲并且回复破万。

但不愧是在百度百科和维基百科上同时拥有长篇巨幅的男人,缪勒尔并没有轻易去迎合当时的主流观点,因为他有底气。经过潜心研究,他发现除了吞食、昆虫还可以通过身体表面来吸收化学物品。这意味着,或许能找到某种化学药剂,只要喷洒到昆虫体表就可以杀死它们了,这样的操作可以大大降低误伤人类或其他动物的可能性呢!

而且在那个时候,他的家乡瑞士正在遭受严重的虫害,粮食短缺严重;遥远的俄罗斯也因为致命的斑疹伤害传染病(主要通过虱子传播)的肆虐而痛苦呻吟。所以为了自己的理想,也为了大家的幸福,找到方向的缪勒尔卯足了劲儿就开干了。从1935年到1939年,他坚持了整整四年,在经过349次失败后,他遇到了诞生于上个世纪的DDT,盒子打开了。

在沉默了65年后,DDT忽然成为了世界的焦点、人类的救星。人们发现,它能够毫不留情地杀死蚊子,虱子,跳蚤和白蛉等等多种昆虫,但对于人类、鸟儿和哺乳动物却似乎温柔得很,只要不去吃它好像就没啥伤害。这可是前所未有的天使杀虫剂呀!在DDT的帮助下,田里害虫少了,庄稼好了,粮食短缺缓解了;更重要的是,像疟疾、瘟疫、斑疹伤害等等一度让人类束手无策的可怕传染病也终于能够控制了,因为DDT可以杀灭它们的传播者蚊子、跳蚤、虱子等等而不会误伤人类。

在1944年的意大利那不勒斯(Napoli),通过排队往身上喷洒稀释后的DDT消灭虱子,人们在历史上第一次实现了对斑疹伤害传染病流行的控制。对,就是直接往身上喷,这种现在看起来特别疯狂的行为在当时救了无数人的性命。类似的情形也在其他国家出现,据统计在二战期间,DDT帮助数百万人摆脱了传染病的魔爪。同时在它的协助下,许多国家成功地消灭了疟疾(主要通过蚊子传播)。这样大的功劳,无怪乎1948年的诺贝尔医学奖被授予给了缪勒尔这位没有任何生理学医学背景的化学家了,正是因为他,才有了DDT在全球范围内控制住那些可怕传染病,拯救了亿万人生命的辉煌。

后来的故事我们也都知道了,没多久DDT就从神坛跌落到谷底,成为万人唾骂的对象。因为DDT虽然对人类、哺乳动物、鸟类等等没有急性毒性,但是它很难被自然分解,所以会千年万年地停留在水里、土壤里、空气中、以及被它杀死的昆虫尸体里。然后通过被植物吸收、或者通过鸟儿吃虫等等进入食物链,一层一层地在动物体内慢慢累积。越是处于食物链末端的动物,体内积累的DDT浓度自然越高,甚至可能高出最初环境所含浓度的数百万倍,对生物体造成严重危害2。比如美国的国鸟白头海雕(Haliaeetus leucocephalus),就差点因为DDT的影响而灭绝。

虽然到今天关于DDT还是争议不断。但我们也不能否认它是人类对抗虫害和传染病的重要转折点。从DDT开始,一代又一代化学合成农药终于进入了主流视野,并为解决人类粮食危机和对抗大规模传染病立下了汗马功劳。

如果缪勒尔当时盲从了主流思考模式,而无视自己发现的事实,缺乏独立思考精神,那么DDT可能还会沉默更长的时间,化学合成农药的发展也会迟迟迈不开脚步。这意味着什么呢?首先是疟疾等可怕的传染病可能还会继续困扰我们,同时粮食的虫害也会让大家头疼,吃不饱饭的同时还可能被蚊子、跳蚤,臭虫什么的给坑死,这必须让人害怕到骨子里去好么。

第二个故事是关于老鼠是怎么来协助发展我们的低毒农药的。

前面讲到DDT之后化学合成农药开始进入主流视野了,并且后续陆陆续续研发出了很多明星级产品。比如鼎鼎有名的敌敌畏(C4H7Cl2O4P)、甲胺磷(C2H8NO2PS )、内吸磷(C8H19O3PS2)等等。这些农药虽然杀虫活性都很高,但毒性都不低,对自然环境的影响都不小,不免让人们重新开始担心,这些农药在杀虫的时候,会不会和DDT一样,毒人于无形?饭是要吃的,但健康活着才能开心吃饭呀?所以这个方向必须把控一下,走歪了就没意思了。

所以人们在进行农药研究的时候,慢慢达成了共识,就是“安全”是农药研发生产的第一要素。人们对于农药的愿望其实挺朴素的:首先虫子要杀,但人不能跟着一起受害。同时,能够推广的农药价格不能太高,效果要快要好,而且能多杀几类虫子。这些要求慢慢被大众所接受,并形成了八字方针,即“高效、低毒、价廉、广谱”。广谱指的是一种农药可以杀灭多个类型的害虫,它和高效、价廉一样,都很容易衡量。但低毒这个就难讲了,因为不能用人类来做实验啊,而且怎么定量也是个问题,对成年人影响不大的毒性是否对小婴儿也是一样呢?所以测试对象和比较参数的选择都很麻烦。

但问题就是用来解决的嘛,有了问题就等于有了方向,朝着这个方向努力总是让人很有奔头。首先是测试对象,最好的办法当然是用接近人类的动物来实验,比如萌萌的猩猩之类的。但现实就是用来撕碎梦想的,先不说萌不萌,猩猩们的首先问题就是身价高,而且繁殖还不容易。比如原来属于猩猩科(现已并入人科)的那批现在已经全部列入《华盛顿公约》CITES 附录Ⅰ级保护动物了。最后人们选择了老鼠来协助实验,因为它们同样来自哺乳纲,繁殖能力超强身价也便宜,特别适合需要大量数据来进行反复验证和统计分析的科学实验。目前它们已经是药理学实验最常用的动物,特别适用于需要大样本的实验,如药效筛选、药物半数致死量(LD50)的测定等。(朱大诚,黄丽萍.医学功能学科实验指导[M].北京:中国协和医科大学出版社.2017:1)

好了,大家是不是看到那个药物半数致死量(LD50)了?对,这就是我们要说的另一个话题,就是关于毒性测量的重要参数。LD50通常也叫致死中量(lethal dose 50%,),最早是由加拿大职业安全健康中心(Canadian Centre for Occupational Health and Safety/CCOHS)的J.W. Trevan在1927年提出的。它是指能够引起一组被试验的生物群体一半死亡的药物剂量。通俗点说,就是选择一组动物,然后不断地给它们喂食需要被测量的药剂,直到它们死了一半,那么当时那个剂量就叫做致死中量。

通常这个是用每公斤体重对应的药物毫克数表示的,单位是mg/kg。比如敌敌畏对大白鼠的致死中量分别是:口服56到80mg/kg,皮肤接触75到210mg/kg。这个数值肯定是越高越好的,越是高,意味着同样的体重需要越多的药剂才会造成致死伤害。拿之前提到的内吸磷做个例子,它对于大白鼠口服的致死中量只有1.7mg/kg。这意味着要毒死一只大白鼠,内吸磷的用量只要敌敌畏的三十多甚至四十多分之一就够了,这毒性真是太不友好了,难怪早早地就被禁止了。

这些前仆后继牺牲在实验台上的大白鼠小白鼠以及各种老鼠们,为我们警示了无数高毒性的农药,对于保护人类和自然界其他动物的安全以及抵抗环境污染起到了很大的帮助。

第三个故事是关于回头草的价值

人们对于农药安全性的探求,从来是没有极限的。因为我们要的农药不仅要对人类毒性尽可能低,同样对自然界的影响也要尽可能小。如果是能够在灿烂的阳光下就会分解的那种,就更好啦!听起来是不是很像在做梦呀?但梦想总是要有的不是吗?世界这么大,万一实现了呢?

科学不仅要往前走,有时候也要学会回头看。这次梦想的实现,就是一个关于回头有精彩,吃回头草更出彩的绝妙轮回。

之前我们在DDT篇章看到,自从缪勒尔挟带着DDT横空出世之后,合成农药就迅速独霸天下,将昂贵低效的天然产品排挤得没有半点话语权。然而这些历经了几个世纪考验的天然产品,真地完全不可取,不值得回头再看看么?未必!

这次的回头草是一种名叫波斯粉(Persian powder)的天然杀虫产品,这是一种几个世纪以来一直用于家庭昆虫,花园害虫和农业害虫的非常优秀的天然农药产品3。这种波斯粉的原料是一类名叫除虫菊的菊花,这类菊花曾作为杀虫剂被引种到世界各地,颇受欢迎。但菊花的生长受到自然环境的影响,而早期受限于科技发展,所制成的产品也有很大的局限性,所以一直不能很好地满足实际需求,但这并意味着它从此就失去了上台资格。

在寻求更好更安全的农药时,有部分可敬的化学家们并没有沉溺在合成农药的路上闷头往前走,而是勇敢地往回看,开始在天然产品中寻求帮助,研究起除虫菊的灭虫原理了。经过几代人的研究,最终人们发现除虫菊内发挥杀虫作用的物质主要为一类被称为“除虫菊酯”的系列化合物,到1964年,人们发现这类天然”除虫菊酯”一共有6种,分别为除虫菊素I(Pyrethrins I)、除虫菊素II(Pyrethrins II)、瓜叶菊素I(Cinerin I)、瓜叶菊素II(Cinerin II)、茉酮菊素I(Jasmolin I)、茉酮菊素II(Jasmolin I)组成的。这类除虫菊酯能够迅速杀灭多种害虫,但对于哺乳动物和鸟类的毒性并不明显,并且容易被温血动物进行体内降解,不容易造成体内累积。更可爱的是,这类天然除虫菊酯对于阳光也是比较惧怕的,常常被晒着晒着就自行分解了,用现在的话说就是环境友好型,所以它们一直被认为是用于食品的最安全的杀虫剂之一了。

从天然农药产品——>化学合成农药——>天然农药产品的新生这样一个轮回,我们可以看到,我们可以看到,所谓创新,其实从来就是和“人云亦云”对着干的。一部农药发展史其实既是科技进步的创新史,也是科技与伦理、与自然环境和谐共生的历史。更安全、高效、环境友好的农药发展的新篇章正在徐徐展开。譬如“以虫治虫”,即通过昆虫来帮助我们精准灭虫等等。当然,那就是另一个故事啦。

1、联合国粮食总署官网

2、赵玲、马永军。有机氯农药残留对土壤环境的影响。土壤,2001,(5):309-311

3、Bioaromatica The history of pyrethrum Archived 2010-03-24 at the Wayback Machine

-完-
我要评论
WB 2018-11-04 11:33
感谢各位老师的点评! 这次因为个人原因错过了投票时间,但万幸得到了老师们的宝贵意见!这类无形的财富是我一步一步向前迈进的真正力量,谢谢! 同时欢迎大家多多向我提出修改意见,这些都是帮助我成长的宝贵养分!谢谢!
科普作品
聊一聊农药是怎么让化学家拿到诺贝尔医学奖以及其他
王彬

学校:少年儿童出版社

学历:本科

专业:物理

社团:上海市科普作家协会

职业:自然教育

评委点评 评语汇总

通俗易懂,科学性强。

2018-11-01 15:18 王薇 ——

不错的科普文!虽然有大量的专业名词但都解释得当,口语化的语言搭配较专业的科学内容概述,让本文的科普效果很不错,但是全文涉及的知识稍微多了一些,不利于读者的记忆。

2018-10-21 19:54 匿名 ——

通过三个小故事简明扼要的说明了农药的发展历史,通俗易懂。

2018-10-15 13:29 匿名 ——

我向来不认为口语化是科普作品应该避免的,只要使用得合适,口语化能给人一种娓娓道来的感觉,符合这篇文章里前后三个故事的讲述风格,最难得是作者通过这三个故事传达了一定的科学思想,美学的,自然的。反对主流和返璞归真,都是人类科学和技术不断发展的动力所在。

2018-10-11 11:21 高雪雨 ——

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