Увеличаването на въглеродния диоксид води до лошо качество на храната на Земята

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Статия за трудовете на грузински учен, който, пристигайки в Съединените щати, освен математиката, се занимава с биология. Той започва да наблюдава промени в живота на растенията в зависимост от качеството на въздуха и светлината. Изводът беше екологичен: растежът на въглероден диоксид в атмосферата ускорява растежа на растенията, но ги лишава от вещества, полезни за хората.

Иракли Лоладзе е математик по образование, но именно в биологичната лаборатория той се изправи пред загадка, която промени целия му живот. Това се случи през 1998 г., когато Лоладзе получава докторат от Университета на Аризона. Застанал до стъклени контейнери, светещи с яркозелени водорасли, един биолог каза на Лоладзе и на половин дузина други студенти, че учените са открили нещо мистериозно за зоопланктона.

Зоопланктонът са микроскопични животни, които плуват в световните океани и езера. Те се хранят с водорасли, които по същество са малки растения. Учените са открили, че чрез увеличаване на потока светлина е възможно да се ускори растежа на водораслите, като по този начин се увеличи доставката на хранителни ресурси за зоопланктона и има положителен ефект върху неговото развитие. Но надеждите на учените не се оправдаха. Когато изследователите започнаха да обхващат повече водорасли, техният растеж наистина се ускори. Малките животни имат много храна, но, парадоксално, в един момент те бяха на ръба на оцеляването. Увеличаването на количеството храна трябваше да доведе до подобряване на качеството на живот на зоопланктона и в крайна сметка се оказа проблем. Как може да се случи това?

Въпреки факта, че Лоладзе официално учи във Факултета по математика, той все още обичаше биологията и не можеше да спре да мисли за резултатите от своите изследвания. Биолозите имаха груба представа за случилото се. Повече светлина кара водораслите да растат по-бързо, но в крайна сметка намаляват хранителните вещества, необходими за възпроизвеждането на зоопланктона. Ускорявайки растежа на водораслите, изследователите по същество ги превърнаха в бързо хранене. Зоопланктонът имаше повече храна, но стана по-малко хранителен и затова животните започнаха да гладуват.

Лоладзе използва своя математически опит, за да помогне за измерване и обяснение на динамиката, изобразяваща зависимостта на зоопланктона от водораслите. Заедно с колеги той разработи модел, който показа връзката между източник на храна и животно, което зависи от него. Те публикуват първата си научна статия по тази тема през 2000 г. Но освен това вниманието на Лоладзе беше приковано към по-важния въпрос от експеримента: докъде може да стигне този проблем?

„Бях изумен от това колко широко разпространени бяха резултатите“, спомня си Лоладзе в интервю. Може ли тревата и кравите да бъдат засегнати от същия проблем? Ами ориза и хората? „Моментът, в който започнах да мисля за човешкото хранене, беше повратен момент за мен“, каза ученият.

В света отвъд океана проблемът не е, че растенията изведнъж получават повече светлина: те консумират повече въглероден диоксид от години. И двете са необходими за растежа на растенията. И ако повече светлина води до бързо растящи, но по-малко питателни водорасли за "бърза храна" с лошо балансирано съотношение захар към хранителни вещества, тогава би било логично да се предположи, че увеличаването на концентрацията на въглероден диоксид може да има същия ефект. И може да засегне растенията по цялата планета. Какво означава това за растенията, които ядем?

Науката просто не знаеше какво е открил Лоладзе. Да, фактът, че нивото на въглероден диоксид в атмосферата се е увеличило, вече е добре известен, но ученият е поразен от това колко малко изследвания са били посветени на ефекта на това явление върху ядливите растения. През следващите 17 години, продължавайки математическата си кариера, той внимателно изучава научната литература и данните, които е успял да намери. И резултатите сякаш сочат в една посока: ефектът от бързото хранене, за което той научи в Аризона, се проявяваше в полета и гори по целия свят. „Тъй като нивата на CO₂ продължават да се повишават, всяко листо и стръкче трева на Земята произвеждат все повече и повече захари“, обясни Лоладзе. "Свидетели сме на най-голямата инжекция на въглехидрати в биосферата в историята - инжекция, която разрежда други хранителни вещества в нашите хранителни ресурси."

Ученият публикува данните, които е събрал само преди няколко години, и те бързо привличат вниманието на малка, но доста загрижена група изследователи, които повдигат тревожни въпроси за бъдещето на нашето хранене. Може ли въглеродният диоксид да окаже влияние върху човешкото здраве, което все още не сме проучили? Изглежда, че отговорът е „да“и в търсене на доказателства Лоладзе и други учени трябваше да зададат най-належащите научни въпроси, включително следното: „Колко е трудно да се провеждат изследвания в област, която все още не съществува?“

В селскостопанските изследвания новината, че много важни храни стават по-малко хранителни, не е нова. Измерванията на плодовете и зеленчуците показват, че съдържанието на минерали, витамини и протеини в тях е намаляло значително през последните 50-70 години. Изследователите смятат, че основната причина е доста проста: когато отглеждаме и подбираме култури, нашият основен приоритет са по-високите добиви, а не хранителната стойност, докато сортовете, които дават повече добиви (било то броколи, домати или пшеница), са по-малко хранителни. …

През 2004 г. задълбочено проучване на плодове и зеленчуци установи, че всичко от протеини и калций до желязо и витамин С е намаляло значително в повечето градинарски култури от 1950 г. насам. Авторите заключиха, че това се дължи основно на избора на сортове за по-нататъшно отглеждане.

Лоладзе, в компанията на няколко други учени, подозира, че това не е краят и че може би самата атмосфера променя храната ни. Растенията се нуждаят от въглероден диоксид по същия начин, по който хората се нуждаят от кислород. Нивото на CO₂ в атмосферата продължава да нараства - във все по-поляризирания дебат относно науката за климата, на никого не му хрумва да оспорва този факт. Преди индустриалната революция концентрацията на въглероден диоксид в земната атмосфера е била около 280 ppm (части на милион, една милионна е мерна единица за всякакви относителни стойности, равна на 1 · 10-6 от основния индикатор - ред.). Миналата година тази стойност достигна 400 ppm. Учените прогнозират, че през следващия половин век вероятно ще достигнем 550 ppm, което е два пъти повече, отколкото беше във въздуха, когато американците за първи път започнаха да използват трактори в селското стопанство.

За тези, които имат страст към отглеждането на растения, тази динамика може да изглежда положителна. Още повече, че така се криеха политиците, оправдавайки безразличието си към последствията от изменението на климата. Републиканецът Ламар Смит, председател на научната комисия на Камарата на представителите на САЩ, наскоро заяви, че хората не трябва да се притесняват толкова от нарастващите нива на въглероден диоксид. Според него е добре за растенията, а това, което е добро за растенията, е добро за нас.

„По-високата концентрация на въглероден диоксид в нашата атмосфера ще насърчи фотосинтезата, което от своя страна ще доведе до увеличаване на скоростта на растеж на растенията“, пише републиканец от Тексас. „Хранителните продукти ще се произвеждат в по-големи количества и качеството им ще бъде по-добро.“

Но както показа експериментът със зоопланктона, повече обем и по-добро качество не винаги вървят ръка за ръка. Напротив, между тях може да се установи обратна връзка. Ето как най-добрите учени обясняват това явление: нарастващата концентрация на въглероден диоксид ускорява фотосинтезата, процес, който помага на растенията да преобразуват слънчевата светлина в храна. В резултат на това растежът им се ускорява, но в същото време те също започват да усвояват повече въглехидрати (като глюкоза) за сметка на други хранителни вещества, от които се нуждаем, като протеини, желязо и цинк.

През 2002 г., докато продължава обучението си в Принстънския университет след защита на докторската си дисертация, Лоладзе публикува солидна изследователска статия във водещото списание Trends in Ecology and Evolution, която твърди, че повишаването на нивата на въглероден диоксид и храненето на човека са неразривно свързани с глобалните промени в растенията. качество. В статията Лоладзе се оплака от липсата на данни: сред хиляди публикации за растенията и покачващите се нива на въглероден диоксид той намери само една, която се фокусира върху ефекта на газа върху баланса на хранителните вещества в ориза, култура, на която разчитат милиарди хора прибиране на реколтата. (Една статия, публикувана през 1997 г., се занимава със спада на нивата на цинк и желязо в ориза.)

В своята статия Лоладзе е първият, който показва ефекта на въглеродния диоксид върху качеството на растенията и човешкото хранене. Ученият обаче повдигна повече въпроси, отколкото намери отговори, с право твърдейки, че все още има много пропуски в изследването. Ако настъпят промени в хранителната стойност на всички нива на хранителната верига, те трябва да бъдат проучени и измерени.

Оказва се, че част от проблема е в самия изследователски свят. За да получи отговори, Лоладзе се нуждаеше от познания в областта на агрономията, храненето и физиологията на растенията, обилно овкусени с математика. С последната част можеше да се работи, но по това време той едва започваше научната си кариера, а катедрите по математика не бяха особено заинтересовани от решаването на проблеми на селското стопанство и човешкото здраве. Лоладзе се бореше да осигури финансиране за нови изследвания и в същото време продължаваше маниакално да събира всички възможни данни, които вече бяха публикувани от учени от цял свят. Отива в централната част на страната, в университета на Небраска-Линкълн, където му предлагат длъжността асистент към катедрата. Университетът активно се занимаваше с научни изследвания в областта на селското стопанство, което даде добри перспективи, но Лоладзе беше просто учител по математика. Както му беше обяснено, той може да продължи да извършва изследванията си, ако сам ги финансира. Но той продължи да се бори. При разпределението на стипендиите в катедрата по биология той получи отказ поради факта, че в кандидатурата му се обръща твърде много внимание на математиката, а в катедрата по математика - заради биологията.

„Година след година получавах отказ след отказ“, спомня си Лоладзе. - Бях отчаян. Не мисля, че хората разбират важността на изследванията."

Този въпрос беше оставен извън дъската не само в математиката и биологията. Да се каже, че намаляването на хранителната стойност на основните култури поради увеличаване на концентрацията на въглероден диоксид е малко проучено, е подценяване. Това явление просто не се обсъжда в селското стопанство, здравеопазването и храненето. Изобщо.

Когато нашите репортери се свързаха с експерти по хранене, за да обсъдят темата на изследването, почти всички бяха изключително изненадани и попитаха къде могат да намерят данните. Един водещ учен от университета Джон Хопкинс отговори, че въпросът е доста интересен, но призна, че не знае нищо за него. Той ме насочи към друг специалист, който също за първи път чу за това. Академията по хранене и диететика, асоциация на голям брой експерти по хранене, ми помогна да се свържа с диетолога Робин Форутан, който също не беше запознат с изследването.

„Наистина е интересно и си прав, малко хора знаят“, пише Форутан, след като прочете някои статии по темата. Тя също така добави, че би искала да проучи въпроса по-задълбочено. По-специално, тя се интересува как дори малко увеличение на количеството въглехидрати в растенията може да повлияе на човешкото здраве.

„Не знаем до какво може да доведе малка промяна в съдържанието на въглехидрати в храната“, каза Форутан, отбелязвайки, че цялостната тенденция към повече нишесте и по-висок прием на въглехидрати изглежда има нещо общо с повишената честота на заболявания. свързани като затлъстяване и диабет. - До каква степен промените в хранителната верига могат да повлияят на това? Все още не можем да кажем със сигурност."

Потърсихме един от най-известните експерти в тази област да коментира този феномен – Марион Несл, професор в Нюйоркския университет. Nesl се занимава с въпроси на хранителната култура и здравеопазването. Първоначално тя беше доста скептична към всичко, но обеща да проучи подробно наличната информация за изменението на климата, след което зае различна позиция. „Ти ме убеди“, написа тя, като също изрази загриженост. - Не е напълно ясно дали намаляването на хранителната стойност на храните, причинено от повишаване на концентрацията на въглероден диоксид, може да повлияе значително на човешкото здраве. Имаме нужда от много повече данни."

Кристи Иби, изследовател от Вашингтонския университет, изучава връзката между изменението на климата и човешкото здраве. Тя е един от малкото учени в Съединените щати, които се интересуват от възможните сериозни последици от промяната на количеството въглероден диоксид и споменава това във всяка реч.

Има твърде много неизвестни, убеден е Еби. „Например, откъде знаете, че хлябът вече не съдържа микроелементите, които са били в него преди 20 години?“

Връзката между въглеродния диоксид и храненето не е станала веднага очевидна за научната общност, казва Еби, точно защото им е отнело много време, за да обмислят сериозно взаимодействието на климата и човешкото здраве като цяло. „Така обикновено изглеждат нещата“, казва Еби, „в навечерието на промяната“.

В ранната работа на Лоладзе бяха поставени сериозни въпроси, на които е трудно, но съвсем реалистично, да се намерят отговори. Как повишаването на концентрацията на CO₂ в атмосферата влияе върху растежа на растенията? Какъв е делът на ефекта на въглеродния диоксид върху спада на хранителната стойност на храната спрямо дела на други фактори, например условията на отглеждане?

Провеждането на експеримент в цялата ферма, за да разберете как въглеродният диоксид влияе върху растенията, също е трудна, но изпълнима задача. Изследователите използват метод, който превръща полето в истинска лаборатория. Идеален пример днес е експериментът за обогатяване на въглероден диоксид в свободен въздух (FACE). В хода на този експеримент учените на открито създават мащабни устройства, които разпръскват въглероден диоксид върху растенията в определена област. Малките сензори следят нивото на CO₂. Когато твърде много въглероден диоксид напусне полето, специално устройство впръсква нова доза, за да поддържа нивото постоянно. След това учените могат директно да сравнят тези растения с тези, отглеждани при нормални условия.

Подобни експерименти показват, че растенията, растящи в условия на повишено съдържание на въглероден диоксид, претърпяват значителни промени. И така, в групата растения С3, която включва почти 95% от растенията на Земята, включително тези, които ядем (пшеница, ориз, ечемик и картофи), се наблюдава намаляване на количеството на важни минерали - калций, натрий, цинк и желязо. Според прогнозите за реакцията на растенията към промените в концентрацията на въглероден диоксид, в близко бъдеще количеството на тези минерали ще намалее средно с 8%. Същите данни показват и намаление, понякога доста значително, на съдържанието на протеини в културите С3 – в пшеницата и ориза съответно с 6% и 8%.

През лятото на тази година група учени публикува първата работа, в която бяха направени опити да се оцени влиянието на тези промени върху населението на Земята. Растенията са основен източник на протеини за хората в развиващия се свят. Изследователите изчисляват, че 150 милиона души са изложени на риск от недостиг на протеини до 2050 г., особено в страни като Индия и Бангладеш. Учените установиха също, че 138 милиона ще бъдат изложени на риск поради намаляване на количеството цинк, който е жизненоважен за здравето на майките и децата. Те изчисляват, че повече от 1 милиард майки и 354 милиона деца живеят в страни, за които се очаква да намалят количеството желязо в храната си, което може да влоши и без това сериозния риск от широко разпространена анемия.

Такива прогнози все още не са приложими за САЩ, където диетата на по-голямата част от населението е разнообразна и съдържа достатъчно протеини. Изследователите обаче отбелязват увеличение на количеството захар в растенията и се опасяват, че ако този темп продължи, тогава ще има още повече затлъстяване и сърдечно-съдови проблеми.

USDA също има значителен принос към изследванията за връзката на въглеродния диоксид с храненето на растенията. Люис Зиска, физиолог на растенията в Службата за селскостопански изследвания в Белтсвил, Мериленд, е написал редица хранителни статии, които подробно разглеждат някои от въпросите, поставени от Лоладзе преди 15 години.

Ziska измисли по-прост експеримент, който не изисква отглеждане на растения. Решил да проучи храненето на пчелите.

Златната пръчица е диво цвете, считано от мнозина за плевел, но от съществено значение за пчелите. Цъфти в края на лятото и неговият прашец е важен източник на протеин за тези насекоми през суровата зима. Хората никога не са отглеждали специално златна пръчка или са създавали нови сортове, така че с течение на времето тя не се е променила много, за разлика от царевицата или пшеницата. Стотици екземпляри от златна пръчица се съхраняват в огромния архив на Смитсонианския институт, като най-ранният датира от 1842 г. Това позволи на Зиска и колегите му да проследят как се е променил заводът от това време.

Изследователите открили, че след индустриалната революция, съдържанието на протеин в прашеца на златна пръчка е спаднало с една трета и този спад е тясно свързан с повишаването на въглеродния диоксид. Учените отдавна се опитват да открият причините за намаляването на популациите на пчелите по света – това може да се отрази зле на културите, за които те трябва да опрашват. В работата си Зиска предполага, че намаляването на протеина в цветния прашец преди зимата може да е друга причина, поради която пчелите трудно оцеляват през зимата.

Ученият се притеснява, че ефектите на въглеродния диоксид върху растенията не се изучават с достатъчна скорост, като се има предвид, че промяната на земеделските практики може да отнеме много време. „Все още нямаме възможност да се намесим и да започнем да използваме традиционни методи, за да коригираме ситуацията“, каза Зиска. „Ще отнеме 15-20 години, преди резултатите от лабораторните тестове да бъдат приложени на практика“

Както Лоладзе и колегите му установиха, новите всеобхватни, междусекторни въпроси могат да бъдат доста сложни. По света има много физиолози на растенията, които изучават културите, но те се фокусират предимно върху фактори като добив и контрол на вредителите. Няма нищо общо с храненето. Според опита на Лоладзе, катедрите по математика не се интересуват особено от хранителните продукти като обект на изследване. А изучаването на живи растения е дълъг и скъп бизнес: ще отнеме няколко години и сериозно финансиране, за да получите достатъчно данни по време на експеримента FACE.

Въпреки трудностите учените се интересуват все повече от тези въпроси и през следващите няколко години може би ще успеят да намерят отговори на тях. Зиска и Лоладзе, които преподават математика в Брайънс колеж по здравни науки в Линкълн, Небраска, работят с екип от учени от Китай, Япония, Австралия и Съединените щати по мащабно изследване върху ефектите на въглеродния диоксид върху хранителните свойства на ориз, една от най-важните култури. Освен това те проучват промяната в количеството на витамините, важни хранителни компоненти, което досега практически не е правено.

Наскоро изследователи на USDA проведоха друг експеримент. За да разберат как по-високите нива на CO₂ влияят на културите, те взеха проби от ориз, пшеница и соя от 50-те и 60-те години на миналия век и ги засадиха в райони, където други учени са отглеждали същите сортове преди много години.

В изследователското поле на USDA в Мериленд учените експериментират с чушки. Те искат да определят как се променя количеството на витамин С с повишена концентрация на въглероден диоксид. Те също така изучават кафето, за да видят дали количеството кофеин спада. „Все още има много въпроси“, каза Зиска, докато показваше изследователското съоръжение в Белтсвил. "Това е само началото."

Люис Зиска е част от малка група учени, които се опитват да оценят промените и да открият как те ще засегнат хората. Друг ключов герой в тази история е Самюъл Майърс, климатолог от Харвардския университет. Майърс е начело на Планетарния здравен алианс. Целта на организацията е да интегрира отново климатологията и здравеопазването. Майърс е убеден, че научната общност не обръща достатъчно внимание на връзката между въглеродния диоксид и храненето, което е само част от много по-широката картина на това как тези промени могат да повлияят на екосистемата. „Това е само върхът на айсберга“, каза Майърс. „Имахме трудно да накараме хората да разберат колко въпроси трябва да имат.

През 2014 г. Майърс и екип от учени публикуваха голямо проучване в списание Nature, което разглежда ключови култури, отглеждани на множество места в Япония, Австралия и Съединените щати. В състава им се наблюдава намаляване на количеството протеин, желязо и цинк поради повишаване на концентрацията на въглероден диоксид. За първи път изданието привлече истинско медийно внимание.

„Трудно е да се предвиди как глобалното изменение на климата ще се отрази на човешкото здраве, но ние сме готови за неочакваното. Една от тях е връзката между повишаването на концентрацията на въглероден диоксид в атмосферата и намаляването на хранителната стойност на С3 културите. Сега знаем за това и можем да предвидим по-нататъшно развитие“, пишат изследователите.

През същата година всъщност на същия ден Лоладзе, който по това време преподава математика в Католическия университет в Тегу в Южна Корея, публикува своя собствена статия - с данни, които е събирал повече от 15 години. Това е най-голямото досега проучване за повишаване на концентрацията на CO₂ и ефекта му върху храненето на растенията. Лоладзе обикновено описва науката за растенията като „шумна“– както на научния жаргон учените наричат област, пълна със сложни разнородни данни, които сякаш „вдигат шум“, и чрез този „шум“е невъзможно да чуете сигнала, който търсите. Новият му слой с данни най-накрая беше достатъчно голям, за да разпознае желания сигнал чрез шума и да открие „скритото изместване“, както го нарече ученият.

Лоладзе установи, че неговата теория от 2002 г. или по-скоро силното подозрение, което изрази по това време, се оказва истина. Изследването включва близо 130 вида растения и повече от 15 000 проби, получени в експерименти през последните 30 години. Общата концентрация на минерали като калций, магнезий, натрий, цинк и желязо намалява средно с 8%. Увеличава се количеството въглехидрати спрямо количеството минерали. Растенията, като водораслите, се превръщаха в бързо хранене.

Остава да видим как това откритие ще се отрази на хората, чиято основна диета са растенията. Учените, които се гмуркат в тази тема, ще трябва да преодолеят различни препятствия: бавното темпо и неяснотата на изследванията, света на политиката, където думата „климат“е достатъчна, за да спре всякакви приказки за финансиране. Ще е необходимо да се изградят абсолютно нови "мостове" в света на науката - Лоладзе говори за това с усмивка в работата си. Когато статията най-накрая беше публикувана през 2014 г., Лоладзе включи списък с всички откази за финансиране в приложението.