Ученые: воздух ухудшает качество еды, превращая ее в фаст-фуд

Крайне любопытный материал о том, как медленно и незаметно ухудшается качество нашей еды, публикует американское издание Politico:

Американский математик Ираклий Лоладзе еще в 1998 году неожиданно столкнулся с загадкой, которая изменила всю его жизнь. Знакомый биолог как-то сообщил ему загадочных метаморфозах, которые ученые наблюдали в зоопланктоне - микроскопических существах, плавающие в водоемах, которые питаются водорослями, которые, по сути, представляют собой крошечные растения. Ученые обнаружили, что, используя больше света, можно ускорять рост водорослей, тем самым увеличивая запас пищевых ресурсов для зоопланктона и оказывая положительное влияние на его развитие. Но надежды ученых не оправдались. Когда исследователи стали больше освещать водоросли, их рост действительно ускорился и у крошечных животных появилось много еды, но, как ни парадоксально, в определенный момент они оказались на грани выживания. Увеличение количества пищи должно было привести к улучшению качества жизни зоопланктона, а в итоге обернулось проблемой. Как это могло произойти?

Несмотря на то, что технически Лоладзе обучался на математическом факультете, он все же любил биологию и не мог перестать думать о результатах исследования. Биологи примерно представляли, что произошло. Большее количество света заставляло водоросли расти быстрее, но в конечном итоге уменьшалось содержание в них питательных веществ, необходимых для размножения зоопланктона. Ускоряя рост водорослей, исследователи по существу превратили их в фаст-фуд. У зоопланктона появилось больше еды, но она стала менее питательной, и поэтому они голодали.

Лоладзе использовал свое математическое образование, чтобы помочь измерить и объяснить динамику, отображающую зависимость зоопланктона от водорослей. Совместно с коллегами он разработал модель, которая показывала связь между источником пищи и животным, от него зависящим. Они опубликовали первый научный доклад на эту тему в 2000 году.

«Меня поразило то, насколько широкое применение имеют полученные результаты», — вспоминал Лоладзе в интервью. Может ли та же проблема затронуть траву и коров? А рис и людей? «Момент, когда я начал думать о питании людей, стал для меня переломным», — заявил ученый.

В мире за пределами океана проблема заключается не в том, что растения внезапно начинают получать больше света: вот уже много лет они потребляют все больше углекислого газа. И то, и другое необходимо растениям для роста. И если большее количество света приводит к быстрорастущим, но менее питательным «фаст-фудным» водорослям с плохо сбалансированным соотношением сахара и питательных веществ, то было бы логично предположить, что повышение концентрации углекислого газа может оказать такой же эффект. И он может затрагивать растения по всей планете. Что это может означать в отношении тех растений, которые мы употребляем в пищу?

Наука просто не знала того, что обнаружил Лоладзе. Да, факт повышения уровня углекислого газа в атмосфере уже был хорошо известен, но ученого поразило то, как мало исследований посвящено влиянию этого феномена на съедобные растения. В течение следующих 17 лет, продолжая свою математическую карьеру, он тщательно изучал научную литературу и данные, которые мог найти. И полученные результаты, казалось, указывали в одном направлении: эффект фаст-фуда, о котором он узнал в Аризоне, проявлялся в полях и лесах по всему миру. «По мере того как уровень CO₂ продолжает расти, каждый листок и каждая травинка на Земле производят все больше и больше сахаров», — объяснил Лоладзе. — Мы стали свидетелями самого большого в истории вброса углеводов в биосферу — вброса, разбавляющего другие полезные вещества в наших пищевых ресурсах».

В сфере сельскохозяйственных исследований известие о том, что многие важные продукты становятся менее питательными, не стало новостью. Измерения фруктов и овощей показывают, что содержание в них минералов, витаминов и белка заметно снизились за последние 50–70 лет. Исследователи полагают, что основная причина довольно проста: когда мы разводим и выбираем культуры, основным приоритетом для нас выступает более высокая урожайность, а не питательность, в то время как сорта, приносящие больший урожай (будь то брокколи, томаты или пшеница), менее питательны.

В 2004 году в результате основательного исследования фруктов и овощей выяснилось, что все, от белка и кальция до железа и витамина С, значительно сократилось в большинстве садовых культур с 1950 года. Авторы пришли к выводу, что в основном это объясняется выбором сортов для дальнейшего разведения.

Лоладзе в компании нескольких других ученых подозревает, что этим дело не ограничивается, и что, возможно, сама атмосфера изменяет нашу пищу. Углекислый газ необходим растениям так же, как людям — кислород. Уровень CO₂ в атмосфере продолжает расти — в среде все более поляризованных дискуссий о климатической науке никому не приходит в голову оспаривать этот факт. До промышленной революции концентрация углекислого газа в атмосфере Земли составляла около 280 ppm (англ. parts per million, миллионная доля — единица измерения каких-либо относительных величин, равная 1·10−6 от базового показателя — прим. Newочём). В прошлом году это значение дошло до отметки в 400 ppm. По прогнозам ученых, в ближайшие полвека мы, вероятно, достигнем 550 ppm, что в два раза больше, чем было в воздухе, когда американцы только начинали использовать тракторы в сельском хозяйстве.

Тем, кто увлекается разведением растений, такая динамика может показаться положительной. Но, как показал эксперимент с зоопланктоном, больший объем и лучшее качество не всегда идут рука об руку. Напротив, между ними может установиться обратная зависимость. Вот какое объяснение этому явлению дают лучшие ученые: возрастающий в концентрации углекислый газ ускоряет фотосинтез — процесс, который помогает растениям перерабатывать солнечный свет в пищу. В результате их рост ускоряется, но вместе с этим они также начинают усваивать больше углеводов (например, глюкозу) в ущерб другим необходимым нам питательным веществам, таким как белок, железо и цинк.

В своей статье Лоладзе впервые показал влияние углекислого газа на качество растений и питание человека. Однако ученый поднял больше вопросов, чем нашел ответов, справедливо утверждая, что в исследовании еще много пробелов. Если изменения питательной ценности происходят на всех уровнях пищевой цепочки, их необходимо изучить и измерить.

Как оказалось, частично проблема заключалась в самом научно-исследовательском мире. Для получения ответов Лоладзе требовались знания в области агрономии, питания и физиологии растений, основательно сдобренные математикой. С последней частью можно было бы справиться, но на тот момент он только начинал свою научную карьеру, а кафедры математики не особо интересовались решением проблем сельского хозяйства и здоровья человека. Лоладзе изо всех сил пытался получить финансирование для новых исследований и в то же время продолжал маниакально собирать все возможные данные, уже опубликованные учеными со всего мира. Но при распределении грантов на кафедре биологии ему отказали из-за того, что в его заявке слишком много внимания уделяется математике, а на кафедре математики — из-за биологии.

«Год за годом я получал отказ за отказом, — вспоминает Лоладзе. — Я был в отчаянии. Думаю, люди не понимали всей важности исследования».

Этот вопрос остался за бортом не только математики и биологии. Сказать, что снижение питательности основных культур из-за повышения концентрации углекислого газа мало изучено — ничего не сказать. Это явление просто не обсуждается ни в области сельского хозяйства, ни в области здравоохранения и питания. Совсем.

В ранней работе Лоладзе были поставлены серьезные вопросы, на которые сложно, но вполне реально найти ответы. Каким образом повышение концентрации CO₂ в атмосфере влияет на рост растений? Какова доля влияния углекислого газа на падение питательности продуктов по отношению к доле других факторов, например, условиям выращивания?

Провести эксперимент в масштабе целой фермы, чтобы выяснить, как углекислый газ влияет на растения — также трудная, но выполнимая задача. Исследователи используют метод, который превращает поле в настоящую лабораторию. На сегодняшний день идеальным примером служит эксперимент «Обогащение углекислым газом на открытом воздухе» (free-air carbon dioxide enrichment, сокращенно — FACE). В ходе этого опыта ученые на открытом воздухе создают масштабные устройства, которые распыляют углекислый газ на растения на определенной территории. Небольшие сенсоры отслеживают уровень CO₂. Когда слишком много углекислого газа уходит за пределы поля, специальное приспособление распыляет новую порцию, чтобы уровень оставался постоянным. Затем ученые могут напрямую сравнить эти растения с теми, которые выращивают в обычных условиях.

Подобные эксперименты показали, что растения, произрастающие в условиях повышенного содержания углекислого газа, подвергаются существенным изменениям. Так, у группы С3-растений, в которую входят почти 95% растений Земли, включая те, что мы едим (пшеница, рис, ячмень и картофель), наблюдалось снижение количества важных минералов — кальция, натрия, цинка и железа. Согласно прогнозам реакции растений на изменения концентрации углекислого газа уже в ближайшем будущем, количество указанных минералов снизится в среднем на 8%. Те же данные указывают и на снижение, иногда довольно существенное, содержания белка в C3-культурах — у пшеницы и риса на 6% и 8% соответственно.

Летом этого года группа ученых опубликовала первые работы, в которых предпринимались попытки оценить влияние этих изменений на население Земли. Растения — важнейший источник белка для людей в развивающемся мире. Согласно оценке исследователей, к 2050 году 150 миллионов человек рискуют ощутить нехватку белка, особенно в таких странах, как Индия и Бангладеш. Ученые также обнаружили, что 138 миллионов окажутся в зоне риска из-за снижения количества цинка, жизненно необходимого для здоровья матери и ребенка. По их подсчетам, более 1 миллиарда матерей и 354 миллионов детей живут в странах, в которых прогнозируется снижение количества железа в пище, что может усугубить и так серьезную опасность широкого распространения анемии.

Подобные прогнозы пока не касаются США, где рацион большей части населения разнообразен и содержит достаточно белка. Однако исследователи отмечают увеличение количества сахара в растениях и опасаются, что если подобные темпы сохранятся, то страдающих ожирением и проблемами с сердечнососудистой системой станет еще больше.

Кстати, во многом подтвердили выводы Лоладзе исследования физиолога растений Льюиса Зиски, который решил изучить питание пчел.

Золотарник — это полевой цветок, который многие считают сорняком, однако он крайне важен для пчел. Он цветет в конце лета, и его пыльца — важный источник белка для этих насекомых во время суровой зимы. Люди никогда специально не выращивали золотарник и не создавали новые сорта, так что со временем он не сильно изменился, в отличие от кукурузы или пшеницы. В огромных архивах Смитсоновского института хранятся сотни образцов золотарника, самый ранний датируется 1842 годом. Это позволило Зиске и его коллегам проследить, как растение изменилось с того времени.

Исследователи обнаружили, что со времени промышленной революции содержание белка в пыльце золотарника снизилось на треть, и это падение тесно связано с повышением концентрации углекислого газа. Ученые уже давно пытались выяснить причины сокращения популяций пчел по всему миру — это может плохо отразиться на культурах, для опыления которых они нужны. В своей работе Зиска предположил, что снижение белка в пыльце перед зимой может быть еще одной причиной, по которой пчелам трудно выживать в зимний период.

Ученый беспокоится, что влияние углекислого газа на растения изучается с недостаточной скоростью, с учетом того, что изменение методов ведения сельского хозяйства может занять долгое время. «У нас пока нет возможности вмешаться и начать использовать традиционные методы, чтобы исправить ситуацию, — заявил Зиска. — Понадобится 15-20 лет, чтобы результаты лабораторных исследований можно было применить на практике»

«Сложно предугадать, как глобальные изменения климата отразятся на здоровье человека, но мы готовы к неожиданностям. Одна из них — взаимосвязь повышения концентрации углекислого газа в атмосфере и снижения пищевой ценности С3-культур. Теперь мы знаем о ней и можем спрогнозировать дальнейшее развитие событий», — пишут исследователи.

15 лет прошло с тех пор, как математик Лоладзе занялся этой проблемой, и сегодня есть сильное подозрение, что выводы, которое он тогда сделал, оказались правдой. За несколько последних десятилетий общая концентрация таких минеральных веществ, как кальций, магний, натрий, цинк и железо, упала в среднем на 8%. Количество углеводов относительно количества минералов увеличивалось. Растения, как и водоросли, становились фаст-фудом.

Еще предстоит выяснить, как это открытие скажется на человеке, основной рацион которого составляют растения. Ученые, которые погружаются в эту тему, вынуждены будут преодолевать различные препятствия: медленный темп и незаметность исследований, мир политики, где слова «климат» достаточно, чтобы прекратить любой разговор о финансировании. Потребуется построить абсолютно новые «мосты» в мире науки — об этом Лоладзе с усмешкой говорит в своей работе. Когда статью, наконец, опубликовали в 2014 году, в приложении Лоладзе включил список всех отказов в финансировании.

Публикуется в сокращении, перевод NEWОЧЁМ