Porast ugljičnog dioksida dovodi do loše kvalitete hrane na Zemlji

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Članak o radovima gruzijskog znanstvenika koji se, došavši u Sjedinjene Države, osim matematike, bavio i biologijom. Počeo je promatrati promjene u životu biljaka ovisno o kvaliteti zraka i svjetlosti. Zaključak je bio ekološki: rast ugljičnog dioksida u atmosferi ubrzava rast biljaka, ali im uskraćuje tvari korisne za ljude.

Irakli Loladze je po obrazovanju matematičar, ali se u biološkom laboratoriju suočio sa zagonetkom koja mu je promijenila cijeli život. To se dogodilo 1998. godine, kada je Loladze doktorirao na Sveučilištu Arizona. Stojeći pored staklenih posuda koje blistaju svijetlozelenim algama, jedan biolog rekao je Loladzeu i još pola tuceta diplomiranih studenata da su znanstvenici otkrili nešto misteriozno o zooplanktonu.

Zooplankton su mikroskopske životinje koje plivaju u svjetskim oceanima i jezerima. Hrane se algama, koje su u biti male biljke. Znanstvenici su otkrili da je povećanjem protoka svjetlosti moguće ubrzati rast algi, čime se povećava zaliha hrane za zooplankton i ima pozitivan učinak na njegov razvoj. No, nade znanstvenika nisu se obistinile. Kada su istraživači počeli pokrivati više algi, njihov se rast stvarno ubrzao. Sitne životinje imaju puno hrane, ali, paradoksalno, u nekom trenutku bile su na rubu preživljavanja. Povećanje količine hrane trebalo je dovesti do poboljšanja kvalitete života zooplanktona, a na kraju se pokazalo problemom. Kako se to moglo dogoditi?

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

Loladze je koristio svoju matematičku pozadinu kako bi izmjerio i objasnio dinamiku koja prikazuje ovisnost zooplanktona o algama. Zajedno s kolegama razvio je model koji je pokazao odnos između izvora hrane i životinje koja o njemu ovisi. Svoj prvi znanstveni rad na ovu temu objavili su 2000. godine. No osim toga, Loladzeova pažnja bila je prikovana za 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? Što je s rižom i ljudima? “Trenutak kada sam počeo razmišljati o ljudskoj prehrani bio je prekretnica za mene”, rekao je znanstvenik.

U svijetu iza oceana, 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 svjetla dovodi do brzorastućih, ali manje hranjivih algi "brze hrane" s loše uravnoteženim omjerom šećera i hranjivih tvari, onda bi bilo logično pretpostaviti da bi povećanje koncentracije ugljičnog dioksida moglo imati isti učinak. I može utjecati na biljke diljem planeta. Što to znači za biljke koje jedemo?

Znanost jednostavno nije znala što je Loladze otkrio. Da, činjenica da je povećana razina ugljičnog dioksida u atmosferi već je bila dobro poznata, ali znanstvenika je začudilo koliko je malo istraživanja posvećeno učinku ovog fenomena na jestive biljke. Sljedećih 17 godina, nastavljajući svoju matematičku karijeru, pomno je proučavao znanstvenu literaturu i podatke koje je mogao pronaći. I činilo se da rezultati upućuju u jednom smjeru: učinak brze hrane o kojoj je naučio u Arizoni pokazao se na poljima i šumama diljem svijeta. "Kako razina CO₂ nastavlja rasti, 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 hranjive tvari u našim prehrambenim resursima."

Znanstvenik je objavio podatke koje je prikupio prije samo nekoliko godina i brzo su privukli pozornost male, ali prilično zabrinute skupine 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 znanstvenici morali su postaviti najhitnija znanstvena pitanja, uključujući i sljedeće: "Koliko je teško provoditi istraživanje u polju koje još ne postoji?"

U poljoprivrednim istraživanjima vijest da mnoge važne namirnice postaju manje hranjive nisu nova. Mjerenja voća i povrća pokazuju da se sadržaj minerala, vitamina i proteina u njima značajno smanjio tijekom 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 to brokula, rajčica ili pšenica) manje hranjive…

2004. godine, temeljita studija voća i povrća pokazala je da je sve, od proteina i kalcija do željeza i vitamina C, značajno opalo u većini hortikulturnih usjeva od 1950. godine. Autori su zaključili da je to uglavnom zbog izbora sorti za daljnji uzgoj.

Loladze, u društvu još nekoliko znanstvenika, sumnja da ovo nije kraj, te da možda sama atmosfera mijenja našu hranu. Biljke trebaju ugljični dioksid na isti način na koji ljudi trebaju kisik. Razina CO₂ u atmosferi nastavlja rasti - u sve polariziranijoj raspravi o znanosti o klimi, nikome ne pada na pamet tu činjenicu osporiti. Prije industrijske revolucije, koncentracija ugljičnog dioksida u Zemljinoj atmosferi bila je oko 280 ppm (dijelova na milijun, milijunti dio je mjerna jedinica bilo koje relativne vrijednosti, jednaka 1 · 10-6 osnovnog indikatora - ur.). Prošle godine ta je vrijednost dosegla 400 ppm. Znanstvenici predviđaju da ćemo u sljedećih pola stoljeća vjerojatno doseći 550 ppm, što je dvostruko više nego što je bilo u zraku kada su Amerikanci prvi put počeli koristiti traktore u poljoprivredi.

Za one koji imaju strast za uzgoj biljaka, ova dinamika može se činiti pozitivnom. Štoviše, iza toga su se nekada skrivali političari, opravdavajući svoju ravnodušnost prema posljedicama klimatskih promjena. Republikanac Lamar Smith, predsjednik Odbora za znanost američkog Kongresa, nedavno je ustvrdio da ljudi ne bi trebali biti toliko zabrinuti zbog porasta razine ugljičnog dioksida. Prema njegovim riječima, to je dobro za biljke, a 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 njihova kvaliteta će biti bolja."

No, kao što je eksperiment sa zooplanktonom pokazao, veći volumen i bolja kvaliteta ne idu uvijek ruku pod ruku. Naprotiv, između njih se može uspostaviti inverzni odnos. Evo kako najbolji znanstvenici objašnjavaju ovaj fenomen: sve veća koncentracija ugljičnog dioksida ubrzava fotosintezu, proces koji pomaže biljkama da sunčevu svjetlost pretvore u hranu. Kao rezultat toga, njihov rast se ubrzava, ali istovremeno počinju apsorbirati više ugljikohidrata (poput glukoze) na račun ostalih hranjivih tvari koje su nam potrebne, poput proteina, željeza i cinka.

Godine 2002., dok je nastavio studij na Sveučilištu Princeton nakon obrane doktorske disertacije, Loladze je objavio solidan znanstveni rad u vodećem časopisu Trends in Ecology and Evolution, u kojem je tvrdio da su povećanje razine ugljičnog dioksida i ljudska prehrana neraskidivo povezani s globalnim promjenama u biljkama. kvaliteta. U članku se Loladze požalio na nedostatak podataka: među tisućama publikacija o biljkama i rastućoj razini 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 razine cinka i željeza u riži.)

Loladze je u svom članku prvi pokazao utjecaj ugljičnog dioksida na kvalitetu biljaka i prehranu ljudi. Međutim, znanstvenik je postavio više pitanja nego što je pronašao odgovora, s pravom tvrdeći da još uvijek postoje mnoge praznine u studiji. Ako se promjene nutritivne vrijednosti događaju na svim razinama prehrambenog lanca, 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 područja agronomije, prehrane i fiziologije biljaka, temeljito začinjeno matematikom. Posljednjim se dijelom dalo pozabaviti, ali on je tada tek započeo svoju znanstvenu karijeru, a matematički odjeli nisu bili posebno zainteresirani 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 znanstvenici iz cijelog svijeta. Otišao je u središnji dio zemlje, na Sveučilište Nebraska-Lincoln, gdje mu je ponuđeno mjesto asistenta na katedri. Sveučilište se aktivno bavilo istraživanjima u području poljoprivrede, što je davalo dobre izglede, ali Loladze je bio samo nastavnik matematike. Kako mu je objašnjeno, on može nastaviti provoditi svoja istraživanja, ako ih sam financira. Ali nastavio se boriti. U raspodjeli stipendija na Odjelu za biologiju odbijen je zbog činjenice da se u njegovoj prijavi previše pažnje posvećuje matematici, a na Odjelu za matematiku - zbog biologije.

“Iz godine u godinu dobivao sam odbijenicu za odbijenicom”, prisjeća 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 proučeno, malo je reći. O ovom fenomenu se jednostavno ne govori u poljoprivredi, zdravstvu i prehrani. Uopće.

Kada su naši novinari kontaktirali stručnjake za prehranu kako bi razgovarali o temi istraživanja, gotovo svi su bili iznimno iznenađeni i upitali gdje mogu pronaći podatke. Jedan vodeći znanstvenik sa Sveučilišta Johns Hopkins odgovorio je da je pitanje prilično zanimljivo, ali je priznao da ne zna ništa o tome. Uputio me na drugog stručnjaka koji je također prvi put čuo za to. Akademija za nutricionizam i dijetetiku, udruga velikog broja stručnjaka za nutricionizam, pomogla mi je da se povežem s nutricionistom Robinom Forutanom, koji također nije bio upoznat s istraživanjem.

“Stvarno je zanimljivo, i u pravu si, malo ljudi zna”, napisao je Forutan nakon što je pročitao neke radove na tu temu. Također je dodala da bi željela dublje istražiti to pitanje. Posebno je zanima kako čak i mali porast 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 se čini 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 prehrambenom lancu mogu utjecati na to? Još ne možemo sa sigurnošću reći.”

Za komentar ovog fenomena zamolili smo jednu od najpoznatijih stručnjaka na ovom području - Marion Nesl, profesoricu na Sveučilištu New York. Nesl se bavi pitanjima kulture ishrane i zdravstvene zaštite. Isprva je bila prilično skeptična prema svemu, ali je obećala da će detaljno proučiti dostupne informacije o klimatskim promjenama, nakon čega je zauzela drugačiji stav. "Uvjerio si me", napisala je, također izrazivši zabrinutost. – Nije sasvim jasno može li smanjenje nutritivne vrijednosti namirnica uzrokovano povećanjem koncentracije ugljičnog dioksida značajno utjecati na zdravlje ljudi. Trebamo puno više podataka."

Christy Eby, istraživačica sa Sveučilišta Washington, proučava vezu između klimatskih promjena i zdravlja ljudi. Jedna je od rijetkih znanstvenica u Sjedinjenim Državama koju zanimaju moguće ozbiljne posljedice promjene količine ugljičnog dioksida i to spominje u svakom govoru.

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

Veza između ugljičnog dioksida i prehrane znanstvenoj zajednici nije odmah postala očita, kaže Ebi, upravo zato što im je trebalo puno vremena da ozbiljno razmotre interakciju klime i ljudskog zdravlja općenito. “Ovako stvari obično izgledaju”, kaže Eby, “uoči promjene”.

U ranom Loladzeovom radu postavljala su se ozbiljna pitanja na koja je teško, ali sasvim realno, pronaći odgovore. Kako povećanje koncentracije CO₂ u atmosferi utječe na rast biljaka? Koliki je udio učinka ugljičnog dioksida na pad nutritivne vrijednosti hrane u odnosu na udio ostalih čimbenika, primjerice uvjeta uzgoja?

Provođenje pokusa na cijeloj farmi kako bi se otkrilo kako ugljični dioksid utječe na biljke također je težak, ali izvediv zadatak. Istraživači koriste metodu koja pretvara polje u pravi laboratorij. Idealan primjer danas je eksperiment obogaćivanja ugljičnim dioksidom slobodnim zrakom (FACE). Tijekom ovog eksperimenta znanstvenici na otvorenom stvaraju velike uređaje koji raspršuju ugljični dioksid na biljke na određenom području. Mali senzori prate razinu CO₂. Kada previše ugljičnog dioksida napusti polje, poseban uređaj raspršuje novu dozu kako bi razina bila konstantna. Znanstvenici zatim mogu izravno usporediti ove biljke s onima uzgojenim u normalnim uvjetima.

Slični pokusi pokazali su da biljke koje rastu u uvjetima povećanog udjela ugljičnog dioksida doživljavaju značajne promjene. Dakle, u skupini biljaka C3, koja uključuje gotovo 95% biljaka na Zemlji, uključujući i one koje jedemo (pšenica, riža, ječam i krumpir), došlo je do smanjenja količine važnih minerala - kalcija, natrija, cinka. i željezo. Prema predviđanjima reakcije biljaka na promjene koncentracije ugljičnog dioksida, u bliskoj budućnosti količina ovih minerala smanjit će se u prosjeku za 8%. Isti podaci također ukazuju na smanjenje, ponekad prilično značajno, udjela proteina u usjevima C3 - u pšenici i riži za 6%, odnosno 8%.

U ljeto ove godine grupa znanstvenika objavila je prvi rad u kojem se pokušalo procijeniti utjecaj ovih promjena na stanovništvo Zemlje. Biljke su neophodan izvor proteina za ljude u zemljama u razvoju. Istraživači procjenjuju da je 150 milijuna ljudi u opasnosti od nestašice proteina do 2050., posebno u zemljama poput Indije i Bangladeša. Znanstvenici su također otkrili da će 138 milijuna biti ugroženo zbog smanjenja količine cinka, vitalnog za zdravlje majki i djece. Procjenjuju da više od milijardu majki i 354 milijuna djece živi u zemljama za koje se predviđa da će smanjiti količinu željeza u hrani, što bi moglo pogoršati ionako ozbiljan rizik od raširene anemije.

Takve prognoze još se nisu odnosile na Sjedinjene Američke 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 pretilih 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 Beltsvilleu u Marylandu, napisao je niz nutricionističkih radova koji razrađuju neka od pitanja koja je Loladze postavio prije 15 godina.

Žiška je osmislio jednostavniji pokus koji nije zahtijevao uzgoj biljaka. Odlučio je proučavati ishranu pčela.

Zlatna šipka je divlji cvijet koji mnogi smatraju korovom, ali neophodan za pčele. Cvate u kasno ljeto i njegov je pelud važan izvor proteina za ove kukce tijekom oštre zime. Ljudi nikada nisu posebno uzgajali zlatni rod niti stvarali nove sorte, pa se s vremenom nije puno promijenila, za razliku od kukuruza ili pšenice. Stotine primjeraka zlatne šipke pohranjene su u ogromnim arhivima Smithsonian Institutiona, a najraniji datira iz 1842. godine. To je omogućilo Žiski i njegovim kolegama da prate kako se postrojenje promijenilo od tog vremena.

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

Znanstvenik brine da se učinci ugljičnog dioksida na biljke ne proučavaju dovoljnom brzinom, s obzirom na to da bi promjena poljoprivrednih praksi mogla potrajati dugo. “Još nemamo priliku intervenirati i početi koristiti tradicionalne metode da popravimo situaciju”, rekao je Žiška. “Bit će potrebno 15-20 godina da se rezultati laboratorijskih ispitivanja provedu u praksi”

Kako su Loladze i njegovi kolege otkrili, nova sveobuhvatna pitanja koja se protežu mogu biti prilično složena. U svijetu postoji mnogo biljnih fiziologa koji proučavaju usjeve, ali se uglavnom usredotočuju na čimbenike kao što su prinos i kontrola štetnika. To nema veze s prehranom. Prema Loladzeovom iskustvu, matematički odjeli nisu posebno zainteresirani za prehrambene proizvode kao objekte istraživanja. A proučavanje živih biljaka je dug i skup posao: trebat će nekoliko godina i ozbiljno financiranje da se dobije dovoljno podataka tijekom FACE eksperimenta.

Unatoč poteškoćama, znanstvenici se sve više zanimaju za ova pitanja, a u sljedećih nekoliko godina možda će uspjeti pronaći odgovore na njih. Ziska i Loladze, koji predaju matematiku na Brian's College of Health Sciences u Lincolnu, Nebraska, rade s timom znanstvenika iz Kine, Japana, Australije i Sjedinjenih Država na velikoj studiji o učincima ugljičnog dioksida na nutritivna svojstva riža, jedna od najvažnijih kultura. Osim toga, proučavaju promjenu količine vitamina, važnih sastojaka hrane, što do sada praktički nije učinjeno.

Nedavno su istraživači USDA proveli još jedan eksperiment. Kako bi saznali kako više razine CO₂ utječu na usjeve, uzeli su uzorke riže, pšenice i soje iz 1950-ih i 1960-ih i posadili ih na područjima gdje su drugi znanstvenici uzgajali iste sorte prije mnogo godina.

Na istraživačkom polju USDA u Marylandu znanstvenici eksperimentiraju s paprikom. Žele utvrditi kako se mijenja količina vitamina C s povećanom koncentracijom ugljičnog dioksida. Također proučavaju kavu kako bi vidjeli pada li količina kofeina. "Još uvijek ima puno pitanja", rekao je Ziska dok je pokazivao istraživački objekt u Beltsvilleu. "Ovo je tek početak."

Lewis Ziska dio je male skupine znanstvenika koji pokušavaju procijeniti promjene i otkriti kako će one utjecati na ljude. Drugi ključni lik u ovoj priči je Samuel Myers, klimatolog sa Sveučilišta Harvard. Myers je na čelu Saveza za planetarno zdravlje. Cilj organizacije je reintegracija klimatologije i zdravstvene zaštite. Myers je uvjeren da znanstvena zajednica ne pridaje dovoljno pažnje odnosu ugljičnog dioksida i prehrane, što je samo dio puno šire slike o tome kako te promjene mogu utjecati na ekosustav. "Ovo je samo vrh ledenog brijega", rekao je Myers. "Bilo nam je teško natjerati ljude da shvate koliko bi pitanja trebali imati."

Godine 2014. Myers i tim znanstvenika objavili su veliku studiju u časopisu Nature koja se bavila ključnim usjevima uzgojenim 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. Objava je po prvi put privukla pravu medijsku pozornost.

“Teško je predvidjeti kako će globalne klimatske promjene utjecati na zdravlje ljudi, ali spremni smo na neočekivano. Jedan od njih je odnos 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 je godine, zapravo, istog dana, Loladze, koji je u to vrijeme predavao matematiku na Katoličkom sveučilištu Daegu u Južnoj Koreji, objavio je vlastiti članak - s podacima koje je prikupljao više od 15 godina. Ovo je najveća studija ikad o povećanju koncentracije CO₂ i njegovom učinku na ishranu biljaka. Loladze znanost o biljkama obično opisuje kao "bučnu" - kako u znanstvenom žargonu znanstvenici nazivaju područje puno složenih raznorodnih podataka koji kao da "stvaraju buku", a kroz tu "buku" nemoguće je čuti signal koji tražite. Njegov novi podatkovni sloj konačno je bio dovoljno velik da prepozna željeni signal kroz šum i otkrije "skriveni pomak", kako ga je znanstvenik nazvao.

Loladze je otkrio da se njegova teorija iz 2002. godine, odnosno jaka sumnja koju je tada iznio, pokazala točnom. Studija je uključivala gotovo 130 sorti biljaka i više od 15 000 uzoraka dobivenih u pokusima tijekom posljednjih 30 godina. Ukupna koncentracija minerala kao što su kalcij, magnezij, natrij, cink i željezo pala je u prosjeku za 8%. Povećana je količina ugljikohidrata u odnosu na količinu minerala. Biljke su, poput algi, postajale brza hrana.

Ostaje za vidjeti kako će ovo otkriće utjecati na ljude, čija su glavna prehrana biljke. Znanstvenici koji se udube u ovu temu morat će prevladati razne prepreke: spor tempo i nejasnoća istraživanja, svijet politike, gdje je riječ "klima" dovoljna da zaustavi svaki razgovor o financiranju. Bit će potrebno graditi apsolutno nove "mostove" u svijetu znanosti - o tome sa smiješkom govori Loladze u svom radu. Kada je članak konačno objavljen 2014., Loladze je u aplikaciju uključio popis svih odbijanja financiranja.