Porast ugljičnog dioksida dovodi do loše kvalitete hrane na Zemlji

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Članak o radovima gruzijskog naučnika koji se, došavši u Sjedinjene Države, osim matematike, bavio i biologijom. Počeo je da uočava promene u životu biljaka u zavisnosti od kvaliteta vazduha i svetlosti. Zaključak je bio ekološki: rast ugljičnog dioksida u atmosferi ubrzava rast biljaka, ali ih lišava tvari korisnih za ljude.

Irakli Loladze je po obrazovanju matematičar, ali se u biološkoj laboratoriji suočio sa zagonetkom koja mu je promijenila cijeli život. To se dogodilo 1998. godine, kada je Loladze doktorirao na Univerzitetu u Arizoni. Stojeći pored staklenih posuda koje sijaju jarko zelenim algama, jedan biolog je rekao Loladzeu i još pola tuceta diplomiranih studenata da su naučnici otkrili nešto misteriozno o zooplanktonu.

Zooplankton su mikroskopske životinje koje plivaju u svjetskim oceanima i jezerima. Hrane se algama, koje su u suštini male biljke. Naučnici su otkrili da je povećanjem protoka svjetlosti moguće ubrzati rast algi, čime se povećava zaliha hrane za zooplankton i pozitivno utiče na njegov razvoj. Ali nade naučnika nisu se obistinile. Kada su istraživači počeli da pokrivaju više algi, njihov rast se zaista ubrzao. Sićušne životinje imaju puno hrane, ali, paradoksalno, u nekom trenutku bile su na ivici preživljavanja. Povećanje količine hrane trebalo je da dovede do poboljšanja kvaliteta života zooplanktona, a na kraju se pokazalo kao problem. Kako se ovo moglo dogoditi?

Unatoč činjenici da je Loladze formalno studirao na Matematičkom fakultetu, on je i dalje volio biologiju i nije mogao prestati razmišljati o rezultatima svog istraživanja. Biolozi su imali grubu ideju o tome šta se dogodilo. Više svjetla uzrokovalo je brži rast algi, ali je na kraju smanjilo nutrijente potrebne za reprodukciju zooplanktona. Ubrzavajući rast algi, istraživači su ih u suštini pretvorili u brzu hranu. Zooplankton je imao više hrane, ali je postao manje hranljiv, pa su životinje počele gladovati.

Loladze je koristio svoju matematičku pozadinu kako bi izmjerio i objasnio dinamiku koja opisuje ovisnost zooplanktona o algama. Zajedno sa kolegama razvio je model koji je pokazao odnos između izvora hrane i životinje koja o njemu zavisi. Svoj prvi naučni rad na ovu temu objavili su 2000. godine. Ali osim ovoga, Loladzeova pažnja bila je prikovana na važnije pitanje eksperimenta: dokle ovaj problem može ići?

"Bio sam zapanjen koliko su rezultati bili rašireni", prisjetio se Loladze u jednom intervjuu. Može li isti problem utjecati na travu i krave? Šta je sa pirinčem i ljudima? „Trenutak kada sam počeo da razmišljam o ljudskoj ishrani bio je prekretnica za mene“, rekao je naučnik.

U svijetu iza okeana, problem nije u tome što biljke odjednom dobivaju više svjetla: one već godinama troše više ugljičnog dioksida. Oba su neophodna za rast biljaka. A ako više svjetlosti dovodi do brzorastućih, ali manje hranljivih algi "brze hrane" s loše izbalansiranim omjerom šećera i hranjivih tvari, onda bi bilo logično pretpostaviti da povećanje koncentracije ugljičnog dioksida može imati isti učinak. I može uticati na biljke širom planete. Šta to znači za biljke koje jedemo?

Nauka jednostavno nije znala šta je Loladze otkrio. Da, činjenica da je povećan nivo ugljen-dioksida u atmosferi već je bila poznata, ali naučnik je bio zapanjen koliko je malo istraživanja posvećeno učinku ove pojave na jestive biljke. Narednih 17 godina, nastavljajući svoju matematičku karijeru, pažljivo je proučavao naučnu literaturu i podatke koje je mogao pronaći. I činilo se da rezultati ukazuju u jednom smjeru: efekat brze hrane o kojoj je naučio u Arizoni pokazao se na poljima i šumama širom svijeta. „Kako nivoi CO₂ nastavljaju da rastu, svaki list i vlat trave na Zemlji proizvodi sve više šećera“, objasnio je Loladze. “Svjedoci smo najveće injekcije ugljikohidrata u biosferu u povijesti – injekcije koja razrjeđuje druge nutrijente u našim izvorima hrane.”

Naučnik je objavio podatke koje je prikupio prije samo nekoliko godina i oni su brzo privukli pažnju male, ali prilično zabrinute grupe istraživača koji postavljaju zabrinjavajuća pitanja o budućnosti naše prehrane. Može li ugljični dioksid utjecati na ljudsko zdravlje koji još nismo proučavali? Čini se da je odgovor potvrdan, a u potrazi za dokazima, Loladze i drugi naučnici morali su postaviti najhitnija naučna pitanja, uključujući i sljedeće: "Koliko je teško provoditi istraživanje u polju koje još ne postoji?"

U poljoprivrednim istraživanjima nije nova vijest da mnoge važne namirnice postaju manje hranljive. Mjerenja voća i povrća pokazuju da se sadržaj minerala, vitamina i proteina u njima značajno smanjio u posljednjih 50-70 godina. Istraživači vjeruju da je glavni razlog prilično jednostavan: kada uzgajamo i biramo usjeve, naš glavni prioritet su veći prinosi, a ne nutritivna vrijednost, dok su sorte koje daju više prinosa (bilo da je brokula, paradajz ili pšenica) manje hranljive. …

2004. godine, detaljna studija voća i povrća pokazala je da je sve, od proteina i kalcijuma do gvožđa i vitamina C, značajno opalo u većini hortikulturnih useva od 1950. godine. Autori su zaključili da je to uglavnom zbog izbora sorti za daljnji oplemenjivanje.

Loladze, u društvu još nekoliko naučnika, sumnja da ovo nije kraj, te da možda sama atmosfera mijenja našu hranu. Biljke trebaju ugljični dioksid na isti način na koji je ljudima potreban kisik. Nivo CO₂ u atmosferi nastavlja da raste – u sve polarizovanijoj debati o nauci o klimi, nikome ne pada na pamet da ospori ovu činjenicu. Prije industrijske revolucije, koncentracija ugljičnog dioksida u Zemljinoj atmosferi bila je oko 280 ppm (dijelova na milion, milioniti dio je mjerna jedinica bilo koje relativne vrijednosti, jednaka 1 · 10-6 osnovnog indikatora - ur.). Prošle godine je ova vrijednost dostigla 400 ppm. Naučnici predviđaju da ćemo u narednih pola veka verovatno dostići 550 ppm, što je duplo više nego što je bilo u vazduhu kada su Amerikanci prvi put počeli da koriste traktore u poljoprivredi.

Za one sa strašću za uzgoj biljaka, ova dinamika može izgledati pozitivno. Štaviše, iza toga su se nekada skrivali političari, pravdajući svoju ravnodušnost prema posljedicama klimatskih promjena. Republikanac Lamar Smith, predsjedavajući Komiteta za nauku američkog Predstavničkog doma, nedavno je ustvrdio da ljudi ne bi trebali biti toliko zabrinuti zbog porasta nivoa ugljičnog dioksida. Prema njegovim riječima, to je dobro za biljke, a ono što je dobro za biljke dobro je i za nas.

"Veća koncentracija ugljičnog dioksida u našoj atmosferi potaknut će fotosintezu, što će zauzvrat dovesti do povećanja stope rasta biljaka", napisao je republikanac iz Teksasa. Prehrambeni proizvodi će se proizvoditi u većim količinama, a njihov kvalitet će biti bolji.

Ali kao što je eksperiment sa zooplanktonom pokazao, veći volumen i bolji kvalitet ne idu uvijek ruku pod ruku. Naprotiv, između njih se može uspostaviti inverzni odnos. Evo kako najbolji naučnici objašnjavaju ovaj fenomen: sve veća koncentracija ugljičnog dioksida ubrzava fotosintezu, proces koji pomaže biljkama da pretvore sunčevu svjetlost u hranu. Kao rezultat toga, njihov rast se ubrzava, ali istovremeno počinju apsorbirati više ugljikohidrata (kao što je glukoza) na račun drugih nutrijenata koji su nam potrebni, kao što su proteini, željezo i cink.

Godine 2002., dok je nastavio studije na Univerzitetu Princeton nakon odbrane doktorske disertacije, Loladze je objavio solidan istraživački rad u vodećem časopisu Trends in Ecology and Evolution, u kojem je tvrdio da su povećanje nivoa ugljičnog dioksida i ishrane ljudi neraskidivo povezani s globalnim promjenama u biljkama. kvaliteta. U članku se Loladze požalio na nedostatak podataka: među hiljadama publikacija o biljkama i rastućem nivou ugljičnog dioksida, pronašao je samo jednu koja se fokusirala na učinak plina na ravnotežu hranjivih tvari u riži, usjevu na koji se milijarde ljudi oslanjaju. žetva. (Članak objavljen 1997. bavi se padom nivoa cinka i gvožđa u pirinču.)

Loladze je u svom članku prvi pokazao utjecaj ugljičnog dioksida na kvalitetu biljaka i ishranu ljudi. Međutim, naučnik je postavio više pitanja nego što je pronašao odgovora, s pravom tvrdeći da još uvijek postoje mnoge praznine u studiji. Ako dođe do promjena u nutritivnoj vrijednosti na svim nivoima lanca ishrane, potrebno ih je proučavati i mjeriti.

Ispostavilo se da je dio problema bio u samom istraživačkom svijetu. Da bi dobio odgovore, Loladzeu je bilo potrebno znanje iz oblasti agronomije, ishrane i fiziologije biljaka, temeljno začinjeno matematikom. Posljednji dio se mogao pozabaviti, ali on je u to vrijeme tek počinjao svoju naučnu karijeru, a matematičke katedre nisu bile posebno zainteresirane za rješavanje problema poljoprivrede i zdravlja ljudi. Loladze se borio da osigura sredstva za nova istraživanja, a istovremeno je nastavio manijakalno prikupljati sve moguće podatke koje su već objavili naučnici iz cijelog svijeta. Otišao je u centralni dio zemlje, na Univerzitet Nebraska-Lincoln, gdje mu je ponuđeno mjesto asistenta na katedri. Univerzitet se aktivno bavio istraživanjima u oblasti poljoprivrede, što je davalo dobre izglede, ali Loladze je bio samo nastavnik matematike. Kako mu je objašnjeno, svoja istraživanja može nastaviti, ako ih sam finansira. Ali nastavio je da se bori. U raspodjeli stipendija na Odsjeku za biologiju odbijen je zbog činjenice da se u njegovoj prijavi previše pažnje posvećuje matematici, a na Odsjeku za matematiku - zbog biologije.

„Iz godine u godinu dobijao sam odbijenicu za odbijanjem“, priseća se Loladze. - Bio sam očajan. Mislim da ljudi nisu shvatili važnost istraživanja."

Ovo pitanje je izostavljeno ne samo u matematici i biologiji. Reći da je smanjenje nutritivne vrijednosti osnovnih usjeva zbog povećanja koncentracije ugljičnog dioksida malo proučavano je potcjenjivanje. O ovom fenomenu se jednostavno ne govori u poljoprivredi, zdravstvu i ishrani. Uopšte.

Kada su naši novinari kontaktirali stručnjake za ishranu kako bi razgovarali o temi studije, gotovo svi su bili izuzetno iznenađeni i pitali gdje mogu pronaći podatke. Jedan vodeći naučnik sa Univerziteta Džon Hopkins odgovorio je da je pitanje prilično interesantno, ali je priznao da ne zna ništa o tome. On me je uputio kod drugog specijaliste koji je takođe prvi put čuo za to. Akademija za ishranu i dijetetiku, udruženje velikog broja stručnjaka za ishranu, pomogla mi je da se povežem sa nutricionistom Robinom Forutanom, koji takođe nije bio upoznat sa studijom.

“Zaista je zanimljivo, i u pravu ste, malo ljudi zna”, napisao je Forutan nakon što je pročitao neke radove na tu temu. Također je dodala da bi željela dublje istražiti ovo pitanje. Posebno je zanima kako čak i malo povećanje količine ugljikohidrata u biljkama može utjecati na zdravlje ljudi.

"Ne znamo čime bi se mogla završiti mala promjena u sadržaju ugljikohidrata u hrani", rekao je Forutan, napominjući da izgleda da ukupni trend ka većem unosu škroba i većeg unosa ugljikohidrata ima veze s povećanom učestalošću bolesti. povezane kao što su pretilost i dijabetes. - U kojoj mjeri promjene u lancu ishrane mogu uticati na to? Još ne možemo sa sigurnošću reći”.

Pitali smo jednu od najpoznatijih stručnjaka iz ove oblasti da prokomentariše ovaj fenomen - Marion Nesl, profesorku na Univerzitetu Njujork. Nesl se bavi pitanjima kulture ishrane i zdravstvene zaštite. U početku je bila prilično skeptična prema svemu, ali je obećala da će detaljno proučiti dostupne informacije o klimatskim promjenama, nakon čega je zauzela drugačiji stav. „Ubedio si me“, napisala je, takođe izrazivši zabrinutost. - Nije sasvim jasno da li smanjenje nutritivne vrijednosti namirnica uzrokovano povećanjem koncentracije ugljičnog dioksida može značajno utjecati na zdravlje ljudi. Treba nam mnogo više podataka."

Christy Eby, istraživač sa Univerziteta Washington, proučava vezu između klimatskih promjena i zdravlja ljudi. Ona je jedna od rijetkih naučnica u Sjedinjenim Državama koje zanimaju moguće ozbiljne posljedice promjene količine ugljičnog dioksida i to pominje u svakom govoru.

Previše je nepoznanica, uvjeren je Ebi. "Na primjer, kako znate da kruh više ne sadrži mikronutrijente koji su bili u njemu prije 20 godina?"

Veza između ugljen-dioksida i ishrane nije odmah postala očigledna naučnoj zajednici, kaže Ebi, upravo zato što im je trebalo mnogo vremena da ozbiljno razmotre interakciju klime i zdravlja ljudi uopšte. "Ovako stvari obično izgledaju," kaže Eby, "uoči promjene."

U ranom Loladzeovom radu postavljala su se ozbiljna pitanja na koja je teško, ali sasvim realno, naći odgovore. Kako povećanje koncentracije CO₂ u atmosferi utiče na rast biljaka? Koliki je udeo uticaja ugljen-dioksida na pad nutritivne vrednosti hrane u odnosu na udeo drugih faktora, na primer, uslova uzgoja?

Provođenje eksperimenta na cijeloj farmi kako bi se otkrilo kako ugljični dioksid utječe na biljke također je težak, ali izvodljiv zadatak. Istraživači koriste metodu koja pretvara polje u pravi laboratorij. Idealan primjer danas je eksperiment obogaćivanja ugljičnim dioksidom slobodnim zrakom (FACE). U toku ovog eksperimenta, naučnici na otvorenom stvaraju velike uređaje koji raspršuju ugljični dioksid na biljke u određenom području. Mali senzori prate nivo CO₂. Kada previše ugljičnog dioksida napusti polje, poseban uređaj raspršuje novu dozu kako bi nivo bio konstantan. Naučnici zatim mogu direktno uporediti ove biljke sa onima koje se uzgajaju u normalnim uslovima.

Slični eksperimenti su pokazali da biljke koje rastu u uvjetima povećanog sadržaja ugljičnog dioksida doživljavaju značajne promjene. Dakle, u C3 grupi biljaka, koja obuhvata skoro 95% biljaka na Zemlji, uključujući i one koje jedemo (pšenicu, pirinač, ječam i krompir), došlo je do smanjenja količine važnih minerala - kalcijuma, natrijuma, cinka. i gvožđe. Prema prognozama reakcije biljaka na promjene koncentracije ugljičnog dioksida, u bliskoj budućnosti količina ovih minerala smanjit će se u prosjeku za 8%. Isti podaci ukazuju i na smanjenje, ponekad prilično značajno, sadržaja proteina u usjevima C3 – u pšenici i pirinču za 6%, odnosno 8%.

U ljeto ove godine grupa naučnika objavila je prvi rad u kojem je pokušano da se procijeni uticaj ovih promjena na stanovništvo Zemlje. Biljke su esencijalni izvor proteina za ljude u zemljama u razvoju. Istraživači procjenjuju da je 150 miliona ljudi u opasnosti od nedostatka proteina do 2050. godine, posebno u zemljama poput Indije i Bangladeša. Naučnici su također otkrili da će 138 miliona biti ugroženo zbog smanjenja količine cinka, koji je od vitalnog značaja za zdravlje majki i djece. Procjenjuju da više od milijardu majki i 354 miliona djece živi u zemljama za koje se predviđa da će smanjiti količinu željeza u hrani, što bi moglo pogoršati ionako ozbiljan rizik od široko rasprostranjene anemije.

Takve prognoze još nisu primijenjene na Sjedinjene Države, gdje je prehrana većine stanovništva raznolika i sadrži dovoljno proteina. Međutim, istraživači primjećuju povećanje količine šećera u biljkama i strahuju da će, ako se ova stopa nastavi, biti još više gojaznih i kardiovaskularnih problema.

USDA također daje značajan doprinos istraživanju o odnosu ugljičnog dioksida i ishrane biljaka. Lewis Ziska, biljni fiziolog u Službi za poljoprivredna istraživanja u Beltsvilu, Maryland, napisao je niz nutricionističkih radova koji razrađuju neka od pitanja koja je Loladze postavio prije 15 godina.

Žiška je osmislio jednostavniji eksperiment koji nije zahtijevao uzgoj biljaka. Odlučio je da proučava ishranu pčela.

Zlatna šipka je divlji cvijet koji mnogi smatraju korovom, ali neophodan za pčele. Cvjeta u kasno ljeto i njegov polen je važan izvor proteina za ove insekte tokom oštre zime. Ljudi nikada nisu posebno uzgajali zlatnu šipku niti stvarali nove sorte, tako da se tokom vremena nije mnogo promijenila, za razliku od kukuruza ili pšenice. Stotine primjeraka zlatne šipke pohranjene su u ogromnoj arhivi Smithsonian instituta, a najraniji datira iz 1842. To je omogućilo Žiški i njegovim kolegama da prate kako se postrojenje promijenilo od tog vremena.

Istraživači su otkrili da je od industrijske revolucije sadržaj proteina u polenu zlatne šipke opao za trećinu, a taj pad je usko povezan s porastom ugljičnog dioksida. Naučnici već dugo pokušavaju da otkriju razloge smanjenja populacija pčela širom svijeta – to bi moglo loše uticati na usjeve za koje su potrebne za oprašivanje. Žiška je u svom radu sugerirao da bi smanjenje proteina u polenu prije zime moglo biti još jedan od razloga zašto pčele teško prežive zimi.

Naučnik brine da se efekti ugljičnog dioksida na biljke ne proučavaju dovoljnom brzinom, s obzirom da bi promjena poljoprivrednih praksi mogla potrajati dugo. „Još nemamo priliku da intervenišemo i počnemo da koristimo tradicionalne metode da popravimo situaciju“, rekao je Žiška. “Biće potrebno 15-20 godina da se rezultati laboratorijskih ispitivanja primjene u praksu”

Kao što su Loladze i njegove kolege otkrili, nova sveobuhvatna pitanja koja se protežu mogu biti prilično složena. Postoji mnogo biljnih fiziologa širom svijeta koji proučavaju usjeve, ali se uglavnom fokusiraju na faktore kao što su prinos i kontrola štetočina. To nema nikakve veze sa ishranom. Prema Loladzeovom iskustvu, odsjeci matematike nisu posebno zainteresirani za prehrambene proizvode kao objekte istraživanja. A proučavanje živih biljaka je dug i skup posao: biće potrebno nekoliko godina i ozbiljno finansiranje da se dobije dovoljno podataka tokom FACE eksperimenta.

Uprkos poteškoćama, naučnici su sve više zainteresovani za ova pitanja, a u narednih nekoliko godina bi mogli da nađu odgovore na njih. Ziska i Loladze, koji predaju matematiku na Brian's College of Health Sciences u Linkolnu, Nebraska, rade s timom naučnika iz Kine, Japana, Australije i Sjedinjenih Država na velikoj studiji o efektima ugljičnog dioksida na nutritivna svojstva pirinač, jedan od najvažnijih useva. Osim toga, proučavaju promjenu količine vitamina, važnih sastojaka hrane, što do sada praktično nije učinjeno.

Nedavno su istraživači USDA izveli još jedan eksperiment. Kako bi otkrili kako viši nivoi CO₂ utiču na usjeve, uzeli su uzorke pirinča, pšenice i soje iz 1950-ih i 1960-ih i posadili ih na područjima gdje su drugi naučnici uzgajali iste sorte prije mnogo godina.

Na istraživačkom polju USDA u Marylandu, naučnici eksperimentišu sa paprikom. Žele utvrditi kako se mijenja količina vitamina C s povećanom koncentracijom ugljičnog dioksida. Oni također proučavaju kafu kako bi vidjeli da li količina kofeina opada. „Još ima mnogo pitanja“, rekla je Žiska dok je pokazivala istraživački objekat u Beltsvilu. "Ovo je samo početak."

Lewis Ziska je dio male grupe naučnika koji pokušavaju procijeniti promjene i otkriti kako će one utjecati na ljude. Drugi ključni lik u ovoj priči je Semjuel Majers, klimatolog sa Univerziteta Harvard. Myers je na čelu Alijanse za planetarno zdravlje. Cilj organizacije je reintegracija klimatologije i zdravstvene zaštite. Myers je uvjeren da naučna zajednica ne obraća dovoljno pažnje na odnos između ugljičnog dioksida i ishrane, što je samo dio mnogo šire slike o tome kako ove promjene mogu utjecati na ekosistem. "Ovo je samo vrh ledenog brega", rekao je Myers. „Bilo nam je teško da nateramo ljude da shvate koliko pitanja treba da imaju.“

Godine 2014. Myers i tim naučnika objavili su veliku studiju u časopisu Nature koja se bavila ključnim usjevima uzgajanim na više lokacija u Japanu, Australiji i Sjedinjenim Državama. U njihovom sastavu uočeno je smanjenje količine proteina, željeza i cinka zbog povećanja koncentracije ugljičnog dioksida. Po prvi put, publikacija je privukla pravu medijsku pažnju.

“Teško je predvidjeti kako će globalne klimatske promjene uticati na zdravlje ljudi, ali spremni smo za neočekivano. Jedna od njih je veza između povećanja koncentracije ugljičnog dioksida u atmosferi i smanjenja nutritivne vrijednosti C3 usjeva. Sada znamo za to i možemo predvidjeti daljnji razvoj događaja “, pišu istraživači.

Iste godine, zapravo, istog dana, Loladze, koji je u to vrijeme predavao matematiku na Katoličkom univerzitetu Daegu u Južnoj Koreji, objavio je vlastiti članak - sa podacima koje je prikupljao više od 15 godina. Ovo je najveća studija ikada o povećanju koncentracije CO₂ i njegovom učinku na ishranu biljaka. Loladze obično opisuje nauku o biljkama kao "bučnu" - kako u naučnom žargonu naučnici nazivaju područje prepuno složenih različitih podataka koji kao da "stvaraju buku", a kroz ovu "buku" nemoguće je čuti signal koji tražite. Njegov novi sloj podataka konačno je bio dovoljno velik da prepozna željeni signal kroz šum i otkrije "skriveni pomak", kako ga je naučnik nazvao.

Loladze je otkrio da se njegova teorija iz 2002. godine, odnosno jaka sumnja koju je tada iznio, pokazala istinitom. Studija je uključivala skoro 130 vrsta biljaka i više od 15.000 uzoraka dobijenih u eksperimentima u proteklih 30 godina. Ukupna koncentracija minerala kao što su kalcijum, magnezijum, natrijum, cink i gvožđe pala je u proseku za 8%. Povećana je količina ugljikohidrata u odnosu na količinu minerala. Biljke su, poput algi, postajale brza hrana.

Ostaje da se vidi kako će ovo otkriće uticati na ljude, čija su glavna prehrana biljke. Naučnici koji se udube u ovu temu moraće da savladaju razne prepreke: spor tempo i nejasnoća istraživanja, svet politike, gde je reč „klima“dovoljna da zaustavi svaki razgovor o finansiranju. Biće potrebno graditi apsolutno nove „mostove“u svetu nauke – o tome sa cerekom govori Loladze u svom radu. Kada je članak konačno objavljen 2014. godine, Loladze je u aplikaciju uključio listu svih odbijanja finansiranja.