Nárůst oxidu uhličitého vede ke špatné kvalitě potravin na Zemi

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Článek o dílech gruzínského vědce, který se po příjezdu do Spojených států kromě matematiky věnoval i biologii. Začal pozorovat změny v životě rostlin v závislosti na kvalitě vzduchu a světla. Závěr byl ekologický: růst oxidu uhličitého v atmosféře urychluje růst rostlin, ale připravuje je o látky užitečné pro člověka.

Irakli Loladze je vzděláním matematik, ale právě v biologické laboratoři čelil hádance, která změnila celý jeho život. Stalo se tak v roce 1998, kdy Loladze získal doktorát na Arizonské univerzitě. Jeden biolog, stojící u skleněných nádob zářících jasně zelenými řasami, řekl Loladze a půl tuctu dalších postgraduálních studentů, že vědci objevili něco tajemného o zooplanktonu.

Zooplankton jsou mikroskopičtí živočichové, kteří plavou ve světových oceánech a jezerech. Živí se řasami, což jsou v podstatě drobné rostliny. Vědci zjistili, že zvýšením toku světla je možné urychlit růst řas, a tím zvýšit zásobu potravních zdrojů pro zooplankton a příznivě ovlivnit jeho rozvoj. Naděje vědců se ale nenaplnily. Když výzkumníci začali pokrývat více řas, jejich růst se skutečně zrychlil. Drobná zvířátka mají hodně jídla, ale paradoxně v určité chvíli byla na hranici přežití. Zvýšení množství potravy mělo vést ke zlepšení kvality života zooplanktonu a nakonec se ukázalo jako problém. Jak se to mohlo stát?

Navzdory tomu, že Loladze formálně studoval na matematické fakultě, stále miloval biologii a nemohl přestat myslet na výsledky svého výzkumu. Biologové měli hrubou představu o tom, co se stalo. Více světla způsobilo, že řasy rostly rychleji, ale nakonec se snížily živiny potřebné pro reprodukci zooplanktonu. Urychlením růstu řas z nich vědci v podstatě udělali rychlé občerstvení. Zooplankton měl více potravy, ale stal se méně výživným, a proto zvířata začala hladovět.

Loladze využil své matematické znalosti, aby pomohl změřit a vysvětlit dynamiku zobrazující závislost zooplanktonu na řasách. Spolu s kolegy vyvinul model, který ukázal vztah mezi zdrojem potravy a zvířetem, které na něm závisí. Svou první vědeckou práci na toto téma publikovali v roce 2000. Ale kromě toho byla Loladzeho pozornost upřena na důležitější otázku experimentu: jak daleko může tento problém zajít?

"Byl jsem ohromen tím, jak rozšířené byly výsledky," vzpomínal Loladze v rozhovoru. Mohl by stejný problém postihnout trávu a krávy? A co rýže a lidé? "Moment, kdy jsem začal přemýšlet o lidské výživě, byl pro mě zlomový," řekl vědec.

Ve světě za oceánem není problém v tom, že by rostliny najednou dostávaly více světla: už léta spotřebovávají více oxidu uhličitého. Obojí je nezbytné pro růst rostlin. A pokud více světla vede k rychle rostoucím, ale méně výživným „fast foodovým“řasám se špatně vyváženým poměrem cukru k živinám, pak by bylo logické předpokládat, že stejný účinek by mohlo mít i zvýšení koncentrace oxidu uhličitého. A může ovlivnit rostliny po celé planetě. Co to znamená pro rostliny, které jíme?

Věda prostě nevěděla, co Loladze objevil. Ano, skutečnost, že se hladina oxidu uhličitého v atmosféře zvýšila, byla již dobře známá, ale vědce zarazilo, jak málo výzkumu bylo věnováno vlivu tohoto jevu na jedlé rostliny. Následujících 17 let pokračoval ve své matematické kariéře a pečlivě studoval vědeckou literaturu a data, která mohl najít. A zdálo se, že výsledky ukazují jedním směrem: Účinek rychlého občerstvení, o kterém se dozvěděl v Arizoně, se projevoval na polích a lesích po celém světě. "Jak hladiny CO₂ stále rostou, každý list a stéblo trávy na Zemi produkuje více a více cukrů," vysvětlil Loladze. "Byli jsme svědky největší injekce sacharidů do biosféry v historii - injekce, která ředí další živiny v našich potravinových zdrojích."

Vědec zveřejnil data, která shromáždil před několika lety, a rychle přitáhl pozornost malé, ale spíše znepokojené skupiny výzkumníků, kteří vyvolávají znepokojivé otázky o budoucnosti naší výživy. Mohl by mít oxid uhličitý vliv na lidské zdraví, který jsme dosud nezkoumali? Zdá se, že odpověď je ano, a při hledání důkazů si Loladze a další vědci museli klást nejnaléhavější vědecké otázky, včetně následujících: „Jak obtížné je provádět výzkum v oboru, který ještě neexistuje?“

V zemědělském výzkumu není zpráva, že mnoho důležitých potravin je stále méně výživných, novinkou. Měření ovoce a zeleniny ukazuje, že obsah minerálů, vitamínů a bílkovin v nich za posledních 50-70 let výrazně poklesl. Výzkumníci se domnívají, že hlavní důvod je docela jednoduchý: když šlechtíme a vybíráme plodiny, naší nejvyšší prioritou jsou vyšší výnosy, nikoli nutriční hodnota, zatímco odrůdy, které poskytují vyšší výnosy (ať už je to brokolice, rajčata nebo pšenice), jsou méně výživné. …

V roce 2004 důkladná studie ovoce a zeleniny zjistila, že od roku 1950 ve většině zahradnických plodin výrazně pokleslo všechno od bílkovin a vápníku po železo a vitamín C. Autoři usoudili, že je to dáno především výběrem odrůd pro další šlechtění.

Loladze ve společnosti několika dalších vědců tuší, že to není konec a že naše jídlo možná mění samotná atmosféra. Rostliny potřebují oxid uhličitý stejně jako lidé kyslík. Úroveň CO₂ v atmosféře stále stoupá – ve stále polarizovanější debatě o vědě o klimatu nikoho nenapadne tuto skutečnost zpochybňovat. Před průmyslovou revolucí byla koncentrace oxidu uhličitého v zemské atmosféře asi 280 ppm (částice na milion, miliontina je měrnou jednotkou jakýchkoli relativních hodnot, rovna 1 · 10-6 základního ukazatele - red.). Loni tato hodnota dosáhla 400 ppm. Vědci předpovídají, že v příštím půlstoletí pravděpodobně dosáhneme 550 ppm, což je dvakrát více, než bylo ve vzduchu, když Američané poprvé začali používat traktory v zemědělství.

Pro ty, kteří mají vášeň pro šlechtění rostlin, se tato dynamika může zdát pozitivní. Navíc se takto politici schovávali a ospravedlňovali svou lhostejnost k důsledkům klimatických změn. Republikán Lamar Smith, předseda vědeckého výboru Sněmovny reprezentantů USA, nedávno tvrdil, že by se lidé neměli tolik obávat rostoucí hladiny oxidu uhličitého. Podle něj je to dobré pro rostliny, a co je dobré pro rostliny, je dobré pro nás.

"Vyšší koncentrace oxidu uhličitého v naší atmosféře podpoří fotosyntézu, což zase povede ke zvýšení rychlosti růstu rostlin," napsal republikán z Texasu. "Potravinářské výrobky se budou vyrábět ve větších objemech a jejich kvalita bude lepší."

Jak ale ukázal experiment se zooplanktonem, větší objem a lepší kvalita nejdou vždy ruku v ruce. Naopak lze mezi nimi vytvořit inverzní vztah. Nejlepší vědci tento jev vysvětlují takto: zvyšující se koncentrace oxidu uhličitého urychluje fotosyntézu, proces, který rostlinám pomáhá přeměňovat sluneční světlo na potravu. Díky tomu se jejich růst zrychlí, ale zároveň také začnou vstřebávat více sacharidů (například glukózy) na úkor ostatních živin, které potřebujeme, jako jsou bílkoviny, železo a zinek.

V roce 2002, zatímco pokračoval ve studiu na Princetonské univerzitě po obhajobě své doktorské disertační práce, Loladze publikoval solidní výzkumnou práci v předním časopise Trends in Ecology and Evolution, která tvrdila, že zvyšující se hladina oxidu uhličitého a lidská výživa jsou neoddělitelně spojeny s globálními změnami v rostlinách. kvalitní. V článku si Loladze stěžoval na nedostatek údajů: mezi tisíci publikacemi o rostlinách a rostoucí hladině oxidu uhličitého našel pouze jednu, která se zaměřovala na vliv plynu na rovnováhu živin v rýži, plodině, na kterou spoléhají miliardy lidí. sklizeň. (Článek publikovaný v roce 1997 se zabývá poklesem hladiny zinku a železa v rýži.)

Loladze ve svém článku jako první ukázal vliv oxidu uhličitého na kvalitu rostlin a výživu člověka. Vědec však vznesl více otázek, než našel odpovědi, a správně tvrdil, že ve studii je stále mnoho mezer. Pokud se změny nutriční hodnoty objeví na všech úrovních potravního řetězce, je třeba je studovat a měřit.

Ukazuje se, že část problému byla v samotném světě výzkumu. K získání odpovědí potřeboval Loladze znalosti z oblasti agronomie, výživy a fyziologie rostlin, důkladně ochucené matematikou. Poslední část by se dala zvládnout, ale v té době teprve začínal vědeckou kariéru a katedry matematiky se o řešení problémů zemědělství a lidského zdraví nijak zvlášť nezajímaly. Loladze se snažil zajistit financování nového výzkumu a zároveň pokračoval v šíleném shromažďování všech možných dat, která již vědci z celého světa zveřejnili. Odešel do střední části země, na University of Nebraska-Lincoln, kde mu bylo nabídnuto místo asistenta katedry. Univerzita se aktivně zabývala výzkumem v oblasti zemědělství, což dávalo dobré vyhlídky, ale Loladze byl pouze učitelem matematiky. Jak mu bylo vysvětleno, může pokračovat ve svých výzkumech, pokud je sám financuje. Ale pokračoval v boji. Při rozdělování grantů na katedře biologie byl odmítnut kvůli tomu, že jeho přihláška se příliš věnuje matematice, a na katedře matematiky - kvůli biologii.

„Rok co rok jsem dostával odmítnutí za odmítnutím,“vzpomíná Loladze. - Byl jsem zoufalý. Nemyslím si, že lidé pochopili důležitost výzkumu."

Tato otázka byla vynechána nejen v matematice a biologii. Tvrzení, že pokles nutriční hodnoty základních plodin v důsledku zvýšení koncentrace oxidu uhličitého je málo prozkoumaný, je podhodnocení. O tomto jevu se v zemědělství, zdraví a výživě prostě nemluví. Vůbec.

Když naši reportéři kontaktovali odborníky na výživu, aby probrali téma studie, téměř všichni byli nesmírně překvapeni a zeptali se, kde najdou data. Jeden přední vědec z Johns Hopkins University odpověděl, že otázka je docela zajímavá, ale přiznal, že o tom nic neví. Odkázal mě na jiného specialistu, který o tom také slyšel poprvé. Akademie výživy a dietetiky, sdružení velkého množství odborníků na výživu, mi pomohla spojit se s nutričním specialistou Robinem Forutanem, který studie také neznal.

"Je to opravdu zajímavé a máte pravdu, málokdo to ví," napsal Forutan po přečtení několika článků na toto téma. Dodala také, že by ráda prozkoumala problematiku hlouběji. Zejména ji zajímá, jak může i malé zvýšení množství sacharidů v rostlinách ovlivnit lidské zdraví.

"Nevíme, čím by mohla skončit malá změna obsahu sacharidů v potravinách," řekl Forutan s tím, že celkový trend směrem k většímu množství škrobu a vyššímu příjmu sacharidů má zřejmě něco společného se zvýšeným výskytem nemocí. související, jako je obezita a diabetes. - Do jaké míry to mohou ovlivnit změny v potravinovém řetězci? To zatím nemůžeme s jistotou říci."

O vyjádření k tomuto fenoménu jsme požádali jednu z nejznámějších odborníků v této oblasti – Marion Nesl, profesorku z New York University. Nesl se zabývá problematikou kultury stravování a péče o zdraví. Zpočátku byla ke všemu spíše skeptická, ale slíbila, že si podrobně prostuduje dostupné informace o klimatických změnách, načež zaujala jiný postoj. "Přesvědčil jsi mě," napsala a také vyjádřila znepokojení. - Není zcela jasné, zda pokles nutriční hodnoty potravin způsobený zvýšením koncentrace oxidu uhličitého může výrazně ovlivnit lidské zdraví. Potřebujeme mnohem více dat."

Christy Eby, výzkumnice z University of Washington, studuje souvislost mezi změnou klimatu a lidským zdravím. Jako jedna z mála vědců ve Spojených státech se zajímá o možné vážné důsledky změny množství oxidu uhličitého a zmiňuje to v každém projevu.

Je tu příliš mnoho neznámých, je přesvědčena Ebi. "Jak například víte, že chléb již neobsahuje mikroživiny, které v něm byly před 20 lety?"

Souvislost mezi oxidem uhličitým a výživou nebyla vědecké komunitě okamžitě zřejmá, říká Ebi právě proto, že jim trvalo dlouho, než se vážně zamysleli nad vzájemným působením klimatu a lidského zdraví obecně. "Takhle věci obvykle vypadají," říká Eby, "v předvečer změny."

V Loladzeho raném díle byly položeny vážné otázky, na které je těžké, ale docela realistické, hledat odpovědi. Jak zvýšení koncentrace CO₂ v atmosféře ovlivňuje růst rostlin? Jaký je podíl vlivu oxidu uhličitého na pokles nutriční hodnoty potravin ve vztahu k podílu dalších faktorů, např. pěstebních podmínek?

Spustit celofarmářský experiment s cílem zjistit, jak oxid uhličitý ovlivňuje rostliny, je také obtížný, ale proveditelný úkol. Vědci používají metodu, která mění pole ve skutečnou laboratoř. Ideálním příkladem je dnes experiment obohacování oxidem uhličitým ve volném vzduchu (FACE). V průběhu tohoto experimentu vědci pod širým nebem vytvářejí rozsáhlá zařízení, která rozprašují oxid uhličitý na rostliny v určité oblasti. Malé senzory monitorují hladinu CO₂. Když pole opustí příliš mnoho oxidu uhličitého, speciální zařízení nastříká novou dávku, aby byla hladina konstantní. Vědci pak mohou tyto rostliny přímo porovnat s rostlinami pěstovanými za normálních podmínek.

Podobné experimenty ukázaly, že rostliny rostoucí v podmínkách zvýšeného obsahu oxidu uhličitého procházejí významnými změnami. Takže ve skupině rostlin C3, která zahrnuje téměř 95 % rostlin na Zemi, včetně těch, které jíme (pšenice, rýže, ječmen a brambory), došlo k poklesu množství důležitých minerálních látek – vápníku, sodíku, zinku a železo. Podle předpovědí reakce rostlin na změny koncentrace oxidu uhličitého se v blízké budoucnosti množství těchto minerálů sníží v průměru o 8 %. Stejné údaje také naznačují pokles, někdy poměrně významný, v obsahu bílkovin v C3 plodinách - v pšenici a rýži o 6 %, resp. 8 %.

V létě tohoto roku skupina vědců zveřejnila první práci, ve které byly učiněny pokusy posoudit dopad těchto změn na obyvatelstvo Země. Rostliny jsou základním zdrojem bílkovin pro lidi v rozvojovém světě. Vědci odhadují, že do roku 2050 bude 150 milionů lidí ohroženo nedostatkem bílkovin, zejména v zemích jako Indie a Bangladéš. Vědci také zjistili, že 138 milionů bude ohroženo kvůli poklesu množství zinku, který je životně důležitý pro zdraví matek a dětí. Odhadují, že více než 1 miliarda matek a 354 milionů dětí žije v zemích, u kterých se předpokládá, že sníží množství železa v potravinách, což by mohlo zhoršit již tak vážné riziko rozsáhlé anémie.

Podobné prognózy zatím neplatí pro Spojené státy, kde je strava většiny populace různorodá a obsahuje dostatek bílkovin. Vědci však zaznamenávají nárůst množství cukru v rostlinách a obávají se, že pokud bude toto tempo pokračovat, pak bude ještě více obézních a kardiovaskulárních problémů.

USDA také významně přispívá k výzkumu vztahu oxidu uhličitého k výživě rostlin. Lewis Ziska, fyziolog rostlin v Agricultural Research Service v Beltsville, Maryland, napsal řadu nutričních dokumentů, které rozvádějí některé z otázek, které Loladze položil před 15 lety.

Ziska vymyslel jednodušší experiment, který nevyžadoval pěstování rostlin. Rozhodl se studovat výživu včel.

Zlatobýl je divoká květina, kterou mnozí považují za plevel, ale nezbytný pro včely. Kvete koncem léta a jeho pyl je důležitým zdrojem bílkovin pro tento hmyz během kruté zimy. Lidé zlatobýl nikdy speciálně nepěstovali ani nevytvářeli nové odrůdy, takže se toho postupem času na rozdíl od kukuřice nebo pšenice příliš nezměnilo. Stovky exemplářů zlatobýlu jsou uloženy v obrovských archivech Smithsonian Institution, z nichž nejstarší pochází z roku 1842. To umožnilo Ziškovi a jeho kolegům vysledovat, jak se závod od té doby změnil.

Vědci zjistili, že od průmyslové revoluce klesl obsah bílkovin v pylu zlatobýlu o třetinu a tento pokles úzce souvisí s nárůstem oxidu uhličitého. Vědci se dlouho pokoušeli přijít na příčiny poklesu populací včel po celém světě – to by mohlo mít špatný vliv na plodiny, pro které jsou potřeba k opylování. Ziska ve své práci naznačil, že pokles bílkovin v pylu před zimou může být dalším důvodem, proč včely v zimě obtížně přežívají.

Vědec se obává, že účinky oxidu uhličitého na rostliny nejsou dostatečně studovány, vzhledem k tomu, že změna zemědělských postupů může trvat dlouho. "Zatím nemáme příležitost zasáhnout a začít používat tradiční metody k nápravě situace," řekl Ziska. „Bude trvat 15–20 let, než budou výsledky laboratorních testů uvedeny do praxe“

Jak Loladze a jeho kolegové zjistili, nové zastřešující, průřezové otázky mohou být poměrně složité. Existuje mnoho rostlinných fyziologů po celém světě, kteří studují plodiny, ale většinou se zaměřují na faktory, jako je výnos a kontrola škůdců. S výživou to nemá nic společného. Podle Loladzeových zkušeností se katedry matematiky o potravinářské výrobky jako předměty výzkumu nijak zvlášť nezajímají. A studium živých rostlin je dlouhá a nákladná záležitost: získání dostatečného množství dat během experimentu FACE bude trvat několik let a značné finanční prostředky.

Navzdory obtížím se vědci o tyto otázky stále více zajímají a v příštích letech na ně možná budou schopni najít odpovědi. Ziska a Loladze, kteří vyučují matematiku na Brian's College of Health Sciences v Lincolnu v Nebrasce, spolupracují s týmem vědců z Číny, Japonska, Austrálie a Spojených států na velké studii o účincích oxidu uhličitého na nutriční vlastnosti rýže, jedna z nejdůležitějších plodin. Navíc studují změnu množství vitamínů, důležitých složek potravy, což se dosud prakticky nedělo.

Nedávno provedli výzkumníci USDA další experiment. Aby zjistili, jak vyšší úrovně CO₂ ovlivňují plodiny, odebrali vzorky rýže, pšenice a sóji z 50. a 60. let minulého století a zasadili je do oblastí, kde jiní vědci před mnoha lety pěstovali stejné odrůdy.

Na výzkumném poli USDA v Marylandu vědci experimentují s paprikami. Chtějí zjistit, jak se mění množství vitaminu C se zvýšenou koncentrací oxidu uhličitého. Studují také kávu, aby zjistili, zda množství kofeinu klesá. "Stále je spousta otázek," řekl Ziska, když ukazoval výzkumné zařízení v Beltsville. "To je jen začátek."

Lewis Ziska je součástí malé skupiny vědců, kteří se snaží vyhodnotit změny a zjistit, jak ovlivní lidi. Další klíčovou postavou tohoto příběhu je Samuel Myers, klimatolog z Harvardské univerzity. Myers je v čele Planetary Health Alliance. Cílem organizace je znovu integrovat klimatologii a zdravotnictví. Myers je přesvědčen, že vědecká komunita nevěnuje dostatečnou pozornost vztahu mezi oxidem uhličitým a výživou, což je jen část mnohem většího obrazu toho, jak tyto změny mohou ovlivnit ekosystém. "Toto je jen špička ledovce," řekl Myers. "Měli jsme problém přimět lidi, aby pochopili, kolik otázek by měli mít."

V roce 2014 Myers a tým vědců publikovali velkou studii v časopise Nature, která se zabývala klíčovými plodinami pěstovanými na několika místech v Japonsku, Austrálii a Spojených státech. V jejich složení byl pozorován pokles množství bílkovin, železa a zinku v důsledku zvýšení koncentrace oxidu uhličitého. Publikace poprvé vzbudila skutečnou mediální pozornost.

„Je těžké předvídat, jak globální změna klimatu ovlivní lidské zdraví, ale jsme připraveni na neočekávané. Jedním z nich je vztah mezi nárůstem koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře a poklesem nutriční hodnoty C3 plodin. Nyní o tom víme a můžeme předvídat další vývoj, “píší vědci.

Ve stejném roce, vlastně ve stejný den, publikoval Loladze, v té době vyučující matematiku na Katolické univerzitě v Daegu v Jižní Koreji, svůj vlastní článek – s údaji, které sbíral přes 15 let. Jedná se o dosud největší studii o zvyšování koncentrace CO₂ a jeho vlivu na výživu rostlin. Loladze obvykle popisuje rostlinnou vědu jako „hlučnou“– jak ve vědeckém žargonu vědci nazývají oblast plnou složitých nesourodých dat, která jakoby „vydávají hluk“, a přes tento „šum“není možné slyšet hledaný signál. Jeho nová datová vrstva byla konečně dostatečně velká, aby pomocí šumu rozpoznala požadovaný signál a detekovala „skrytý posun“, jak to vědec nazval.

Loladze zjistil, že jeho teorie z roku 2002, nebo spíše silné podezření, které tehdy vyslovil, se ukázaly jako pravdivé. Studie zahrnovala téměř 130 odrůd rostlin a více než 15 000 vzorků získaných v experimentech za posledních 30 let. Celková koncentrace minerálních látek jako vápník, hořčík, sodík, zinek a železo klesla v průměru o 8 %. Zvýšilo se množství sacharidů v poměru k množství minerálů. Rostliny, stejně jako řasy, se stávaly rychlým občerstvením.

Jak tento objev ovlivní lidi, jejichž hlavní stravou jsou rostliny, se teprve uvidí. Vědci, kteří se do tohoto tématu ponoří, budou muset překonat různé překážky: pomalé tempo a nejasnost výzkumu, svět politiky, kde slovo „klima“stačí k tomu, aby se přestalo mluvit o financování. Ve světě vědy bude nutné postavit zcela nové „mosty“– o tom Loladze ve své práci mluví s úsměvem. Když byl článek v roce 2014 konečně publikován, Loladze zahrnul do aplikace seznam všech zamítnutí financování.