Изменения в атмосфере Земли делают еду менее полезной
Статья о трудах грузинского ученого, который, приехав в США, впридачу к математике занялся биологией. Он стал наблюдать за изменениями в жизни растений в зависимости от качества воздуха и света. Вывод получился экологический: рост углекислого газа в атмосфере убыстряет рост растений, но лишает их полезных для человека веществ.
Ираклий Лоладзе — математик по образованию, но именно в биологической лаборатории он столкнулся с загадкой, которая изменила всю его жизнь. Это произошло в 1998 году, когда Лоладзе получал докторскую степень в университете штата Аризона. Стоя у стеклянных контейнеров, сияющих ярко-зелеными водорослями, один биолог сообщил Лоладзе и полдюжине других аспирантов, что ученые обнаружили нечто загадочное в зоопланктоне.
Зоопланктон — это микроскопические животные, плавающие в мировых океанах и озерах. Они питаются водорослями, которые, по сути, представляют собой крошечные растения. Ученые обнаружили, что, увеличив поток 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. 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 формально Лоладзе обучался на математическом факультете, он по-прежнему 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 животные начали голодать.
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-м году. Но помимо этого внимание Лоладзе было приковано к более важному вопросу эксперимента: насколько далеко эта проблема может зайти?
«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».
Ученый опубликовал собранные данные всего несколько лет назад, и они быстро привлекли внимание небольшой, но достаточно обеспокоенной группы исследователей, которые поднимают тревожные вопросы о будущем нашего питания. Мог ли углекислый газ оказать на здоровье человека еще не изученное нами влияние? Похоже, ответ положительный, и в поисках доказательств Лоладзе и другим ученым пришлось задаваться самыми острыми научными вопросами, в том числе и таким: «Насколько сложно проводить исследования в области, которая еще не существует?»
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. ред.). 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. Более того, именно так прикрывались политики, оправдывая свое равнодушное отношение к последствиям изменения климата. Республиканец Ламар Смит, председатель комитета палаты представителей США по науке, недавно утверждал, что люди не должны так беспокоиться о повышении уровня углекислого газа. По его словам, это хорошо для растений, а что хорошо для растений, хорошо и для нас.
«Более высокая концентрация углекислого газа в нашей атмосфере будет способствовать фотосинтезу, что, в свою очередь, приведет к увеличению темпов роста растений;- написал республиканец из Техаса. — Продукты питания будут производиться в большем объеме, а их качество станет лучше».
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 2002 году, продолжая обучение в Принстонском университете после защиты докторской диссертации, Лоладзе опубликовал в ведущем журнале Trends in Ecology and Evolution основательную исследовательскую статью, в которой утверждалось, что повышение уровня углекислого газа и питание людей неразрывно связаны с глобальным изменением качества растений. В статье Лоладзе жаловался на нехватку данных: среди тысяч публикаций о растениях и повышении уровня углекислого газа ему удалось найти только одну, в которой особое внимание уделялось влиянию газа на баланс питательных веществ в рисе — культуре, на урожай которой полагаются миллиарды людей. (Статья, опубликованная в 1997 году, посвящена падению уровня цинка и железа в рисе).
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. Он отправился в центральную часть страны, в Университет Небраски-Линкольна, где ему предложили должность ассистента кафедры. Университет активно занимался исследованиями в области сельского хозяйства, что давало неплохие перспективы, но Лоладзе был всего лишь преподавателем математики. Как ему объяснили, он может и дальше проводить свои изыскания, если сам будет их финансировать. Но он продолжал бороться. 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.
Когда наши корреспонденты связались с экспертами по вопросам питания, чтобы обсудить тему исследования, почти все они были крайне удивлены и поинтересовались, где можно ознакомиться с данными. Один ведущий ученый из Университета Джонса Хопкинса ответил, что вопрос довольно интересный, но признался, что ничего о нем не знает. Он направил меня к другому специалисту, который также впервые слышал об этом. Академия питания и диетологии, ассоциация, объединяющая огромное количество экспертов по вопросам питания, помогла мне связаться с диетологом Робин Форутан, которая тоже не была знакома с исследованием.
«Это действительно интересно, и вы правы, немногие люди в курсе», — написала Форутан, прочитав некоторые работы по этой теме. Она также добавила, что хотела бы глубже изучить вопрос. В частности, ее интересует, как даже незначительное повышение количества углеводов в растениях может повлиять на здоровье человека.
«Мы не знаем, к чему в итоге может привести небольшое изменение содержания углеводов в продуктах питания, — заявила Форутан, отметив тот факт, что всеобщая тенденция к потреблению большего количества крахмала и углеводов, похоже, имеет какое-то отношение к повышенной частотности заболеваний, связанных с питанием, таких как ожирение и диабет. — Насколько изменения в пищевой цепи могут повлиять на это? Пока мы не можем точно сказать».
Мы попросили прокомментировать данное явление одного из известнейших специалистов в этой области — Мэрион Несл, профессора Нью-Йоркского университета. Несл занимается вопросами культуры питания и здравоохранения. Поначалу она отнеслась ко всему довольно скептически, но пообещала подробно изучить имеющуюся информацию по изменениям климата, после чего приняла другую позицию. «Вы меня убедили, — написала она, также выразив опасения. — Не совсем ясно, действительно ли уменьшение питательности продуктов, вызванное повышением концентрации углекислого газа, может значительно повлиять на здоровье человека. Нам нужно гораздо больше данных».
Кристи Эби, исследователь из Вашингтонского университета, изучает связь изменения климата и здоровья человека. Она — одна из немногих ученых в США, кто интересуется возможными серьезными последствиями изменения количества углекислого газа, и упоминает об этом в каждой своей речи.
«Слишком много неизвестных, — убеждена Эби. — Например, как вы узнаете, что в хлебе больше нет питательных микроэлементов, которые были в нем 20 лет назад?»
Как считает Эби, связь между углекислым газом и питанием не сразу стала очевидна для научного сообщества именно потому, что им понадобилось довольно много времени, чтобы начать серьезно рассматривать взаимодействие климата и здоровья человека в целом. «Именно так все обычно и выглядит, — заявляет Эби, — в преддверии перемен».
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.
Министерство сельского хозяйства США также вносит существенный вклад в исследование связи углекислого газа с питательностью растений. Льюис Зиска, физиолог растений из Службы сельскохозяйственных исследований в Белтсвилле, штат Мэриленд, написал ряд работ, касающихся питания, в которых подробно изучил некоторые вопросы, поставленные Лоладзе 15 лет назад.
Зиска разработал более простой эксперимент, для проведения которого не требовалось выращивать растения. Он 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»
Как выяснили Лоладзе и его коллеги, новые всеобъемлющие междисциплинарные вопросы могут быть довольно сложны. В мире множество физиологов растений, изучающих сельскохозяйственные культуры, однако они по большей части сосредоточены на исследовании таких факторов, как урожайность и борьба с насекомыми-вредителями. Это не имеет никакого отношения к питанию. По опыту Лоладзе, кафедрам математики не особо интересны пищевые продукты как объекты исследования. А изучение живых растений — дело долгое и дорогостоящее: чтобы в ходе эксперимента FACE получить достаточно данных, понадобится несколько лет и серьезное финансирование.
Несмотря на трудности, ученые все больше и больше интересуются этими вопросами, и в ближайшие несколько лет им, возможно, удастся найти на них ответы. Зиска и Лоладзе, который преподает математику в Колледже медицинских наук Брайана в Линкольне, штат Небраска, совместно с группой ученых из Китая, Японии, Австралии и США работают над крупным исследованием влияния углекислого газа на питательные свойства риса, одной из важнейших сельскохозяйственных культур. Кроме того, они изучают изменение количества витаминов, важных пищевых компонентов, которое до настоящего времени практически не делалось.
Недавно исследователи из Министерства сельского хозяйства США провели еще один эксперимент. С целью выяснить, как более высокий уровень CO₂ влияет на сельскохозяйственные культуры, они взяли образцы риса, пшеницы и сои 50-60-х годов и высадили их на участки, где много лет назад другие ученые выращивали те же самые сорта.
На исследовательском поле Минсельхоза США в Мэриленде ученые проводят эксперименты над болгарским перцем. Они хотят определить, как изменяется количество витамина С при повышенной концентрации углекислого газа. Они также изучают кофе, чтобы понять, снижается ли количество кофеина. «Вопросов еще очень много, — поделился Зиска, показывая исследовательский комплекс в Белтсвилле. — Это только начало».
Льюис Зиска — участник небольшой группы ученых, которые пытаются оценить изменения и выяснить, как они отразятся на человеке. Еще один ключевой персонаж этой истории — Сэмюел Майерс, климатолог из Гарвардского университета. Майерс стоит во главе Всемирного союза здравоохранения (Planetary Health Alliance). Цель организации — вновь объединить климатологию и здравоохранение. Майерс убежден, что научное сообщество уделяет недостаточно внимания взаимосвязи углекислого газа и питания, которая является лишь частью намного большей картины того, как эти изменения могут отразится на экосистеме. «Это лишь верхушка айсберга, — считает Майерс. — Мы с трудом заставили людей понять, как много у них должно возникать вопросов».
В 2014 году Майерс совместно с группой ученых опубликовал крупное исследование в журнале Nature, в котором рассматривались ключевые сельскохозяйственные культуры, выращенные на нескольких участках в Японии, Австралии и США. В их составе наблюдалось снижение количества белка, железа и цинка вследствие повышения концентрации углекислого газа. Впервые публикация привлекла реальное внимание СМИ.
«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.
В этом же году, фактически в тот же день, Лоладзе, на тот момент преподававший математику в Католическом университете города Тэгу в Южной Корее, опубликовал свою собственную статью — с данными, которые он собирал более 15 лет. Это самое масштабное исследование увеличения концентрации CO₂ и его влияния на питательность растений. Лоладзе обычно описывает науку о растениях как «шумную» — так на научном жаргоне ученые называют область, в которой полно сложных разрозненных данных, которые как бы «шумят», и сквозь этот «шум» невозможно услышать сигнал, который ищешь. Его новый пласт данных, наконец, оказался достаточно велик, чтобы распознать нужный сигнал сквозь шум и обнаружить «спрятанный сдвиг», как назвал его ученый.
Лоладзе обнаружил, что его теория 2002 года, или скорее сильное подозрение, которое он тогда высказал, оказалась правдивой. В исследовании участвовало почти 130 сортов растений и более 15 000 образцов, полученных в экспериментах за последние 30 лет. 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.
Комментарии 0
