Пластиковая еда: почему злаки, овощи и фрукты стремительно теряют витамины и микроэлементы

Плюсы и минусы углекислого газа

Углекислый газ помогает расти. Рост содержания СО₂ вчетверо — до 0,12% от общего объема воздуха — усиливает фотосинтез в два раза и прибавляет урожай в четыре. Подъем до 0,3% — в десять раз — позволяет собрать с полей в полтора раза больше. Дальнейшее насыщение воздуха углекислым газом до 1% урожай не увеличивает. А при содержании СО₂ выше 1,5-2% урожай и вовсе начинает резко падать. Фотосинтез при этом прекращается, потому что доля СО₂ в воздухе уже такова, что вообще не дает ему выходить из цитоплазмы клеток. Листья растений на свету с помощью хлорофилла поглощают углекислоту и вместе с водой перерабатывают ее в органические вещества. Но в случае переизбытка углекислого газа растения не способны справляться с излишками. Корни сами выделяют огромное количество и сахаров, и СО₂. Сахарами они кормят своих ризосферных бактерий. А углекислого газа выдыхают до 40% от всего почвенного.

Результаты многолетних экспериментов показали: при избытке углекислого газа листья деревьев начинают поглощать его больше. Но при этом деревья не используют его для собственного развития, а просто «прогоняют сквозь себя», снова выделяя через корни. При содержании СО₂ в почве более 1,5% корни начинают задыхаться. Как оказалось, им намного важнее избыток кислорода.

Фотосинтез — это процесс, используемый растениями, водорослями и некоторыми бактериями для получения энергии солнечного света и превращения ее в органические вещества, необходимые для их жизнедеятельности.

Существуют два типа фотосинтетических процессов: кислородный фотосинтез и аноксигенный фотосинтез. Аноксигенный фотосинтез — процесс, который происходит у бактерий. При нем кислород не вырабатывается. Кислородный фотосинтез наиболее распространен и наблюдается у растений, водорослей и цианобактерий. Во время кислородного фотосинтеза энергия света переносит электроны из воды (H₂O) в углекислый газ (CO₂), что сопровождается образованием углеводов. При этом переносе СО₂ «восстанавливается», или получает электроны, а вода «окисляется», или теряет электроны. В результате фотосинтеза образуются сахара и кислород.

Фотосинтез протекает в две фазы. Первая называется световой, вторая — темновой. Световая фаза фотосинтеза позволяет непосредственно превращать световую энергию в химическую благодаря солнечному свету. Примерно через 15 секунд после поглощения растением углекислого газа происходит темновая реакция синтеза и появляются первые продукты фотосинтеза — сахара: триосы, пентозы, гексозы и гептозы. Из определенных гексоз образуются сахароза и крахмал. Помимо углеводов, путем связывания с молекулой азота могут также развиваться липиды и белки.

Световая фаза протекает на мембранах тилакоидов хлоропласта, темновая — в строме хлоропласта.

Но необратимые процессы, которые вызывает повышенное содержание углекислого газа в воздухе, уже начались. Исследование, опубликованное в журнале Nature в 2014 году, показывает, что рис, выращенный при высоком содержании углекислоты, содержит меньшее количество важных питательных веществ. Потенциальные последствия для здоровья велики, учитывая, что во всем мире уже миллиарды людей не получают достаточное количество белка, витаминов и других питательных веществ из своего ежедневного рациона.

Доктор Зиск, физиолог растений в Министерстве сельского хозяйства США, и его коллеги создали экспериментальные рисовые поля в Китае и Японии с повышенной концентрацией углекислого газа, которая ожидаема учеными через 100 лет. Исследователи сосредоточились на рисе, потому что у 2 млрд человек во всем мире это основной источник пищи. 18 сортов риса, которые были выращены и собраны, за редким исключением, содержали значительно меньше белка, железа и цинка, чем рис, выращиваемый сегодня. Во всех сортах произошло резкое снижение уровня витаминов В1, В2, В5 и В9, но в них содержалось больше витамина Е.

Процесс фотосинтеза в растениях включает в себя ряд этапов и реакций, которые зависят от солнечной энергии, воды и углекислого газа. CO₂ служит источником углерода, он вступает в процесс фотосинтеза в серии реакций, называемых этапами фиксации углерода (также известными как реакции темновой фазы). Эти реакции следуют за этапами преобразования энергии (или световыми реакциями), которые преобразуют солнечную энергию в химическую в форме молекул АТФ и НАДФ, обеспечивающих энергию для запуска этапов фиксации углерода.

Углекислый газ попадает в большинство растений через поры (устьица) на поверхности листьев или стеблей. В фотосинтезирующих водорослях и цианобактериях CO₂ поглощается из окружающей воды. Оказавшись в фотосинтезирующей клетке, CO₂ «фиксируется» с органической молекулой с помощью фермента. У многих видов растений эта первоначальная реакция катализируется ферментом Rubisco — самым распространенным ферментом в мире.

В ряду реакций, называемых циклом Кальвина, углеродсодержащая молекула, полученная в результате этой первой реакции фиксации, превращается в различные соединения с использованием энергии от АТФ и НАДФ. Продукты цикла Кальвина включают простой сахар, который впоследствии превращается в углеводы — это глюкоза, сахароза и крахмал. Они служат важными источниками энергии для растения. Цикл также регенерирует молекулы исходного реагента, с которыми будет связано больше углекислого газа в следующем этапе цикла.

На экспериментальном поле установили трубы, которые выделяли углекислый газ на небольшие участки под открытым небом (вместо того, чтобы просто тестировать посевы в закрытых теплицах) для имитации будущих реальных условий. У растений, которые подвергаются так называемому циклу Кальвина, у риса и пшеницы в том числе, повышение концентрации углекислого газа может стимулировать производство большего количества углеводов, влияющих на содержание питательных элементов. Но ученые все еще пытаются понять, почему некоторые соединения, такие как витамин В, зависимы от изменений атмосферного воздуха, а другие нет, или почему у некоторых сортов риса наблюдается более резкое снижение уровня витамина В, чем у остальных.

После ряда исследований в этой области ученые займутся созданием генетически измененных сортов сельскохозяйственных культур, которые сохранят большую часть своей пищевой ценности в условиях повышения концентрации углекислого газа. Но это может оказаться невероятно трудно, учитывая, что все протестированные сорта риса показали значительное снижение уровня витамина В, отмечает доктор Зиск.

Другое возможное решение — снижение антропогенных объемов выбросов углекислого газа. В настоящее время уровень СО₂ в атмосфере в среднем составляет около 410 частей на миллион (приблизительно 0,04%), по сравнению с 350 частями на миллион в 1980-х годах. Такая картина наблюдается в основном из-за сжигания ископаемого топлива.

Бесполезные овощи

Фрукты и овощи, выращенные десятилетия назад, по заверениям ученых, были более богаты витаминами и минералами, чем сорта, которые мы употребляем в пищу в настоящее время. Главным виновником этой тревожной тенденции в нашем питании стало истощение почвы: современные агрессивные методы достижения максимальной выгоды в сельском хозяйстве привели к катастрофическому уменьшению количества питательных веществ в почве. К сожалению, каждое последующее поколение быстрорастущей, красивой, устойчивой к вредителям моркови становится еще менее полезным, чем предыдущее.

Дональд Дэвис и его команда из Техасского университета изучили данные по питанию Министерства сельского хозяйства США за 1950 и 1999 годы по 43 различным овощам и фруктам и обнаружили у них «реальное снижение» белка, кальция, фосфора, железа, рибофлавина (витамин В2) и витамина С за последние полвека. Дэвис связывает это снижение содержания питательных веществ с тем, что современное сельское хозяйство направлено на улучшение качественных признаков (размер, скорость роста, устойчивость к вредителям) получаемого урожая.

Ассоциация потребителей органических продуктов сравнила несколько исследований с аналогичными результатами: анализ данных о питательных веществах, проведенный Институтом Куши с 1975 по 1997 годы, показал, что средний уровень кальция в 12 свежих овощах снизился на 27%, уровень железа — на 37%, уровень витамина А — на 21%, а уровень витамина С — на 30%. А данные о питательных веществах с 1930 по 1980 годы, опубликованные в British Food Journal, показали, что в 20 овощах среднее содержание кальция за это время снизилось на 19%, железа — на 22% и калия — на 14%. Получается, что современным людям нужно съедать восемь апельсинов в день, чтобы получить такое же количество витаминов А и С, которое наши бабушки и дедушки получили бы всего от одного плода.

Вымирающие пчелы

Ученые также встревожены снижением количества опылителей. Около 74% всех глобально производимых жиров присутствуют в маслах растений, зависимых от опыления насекомыми. Эти растения также служат основными источниками жирорастворимых витаминов. Из водорастворимых витаминов 98% витамина С получают из опыленных растений, цитрусовых и других фруктов и овощей. Хотя цинга из-за дефицита С в настоящее время встречается редко, важная роль его, наряду с Е и бета-каротином, ничуть не умаляется и в современных реалиях. Водорастворимые витамины В богаты крахмалистыми зерновыми культурами, которые размножаются независимо от дефицита опылителей. Однако большая часть этих питательных веществ утрачивается, когда цельные зерна перерабатывают, например, в белый рис или белую муку. В то время как США исправили этот недостаток, отправив на прилавки цельнозерновую муку, бурый рис и другие нерафинированные продукты, 2/3 населения всего мира не имеют возможности употреблять в пищу обогащенные зерна.

С начала 2000-х пчеловоды сообщали о массовых гибелях медоносных пчел. Взрослые пчелы, как правило, бесследно исчезали, не возвращаясь в ульи. Эти случаи привлекли внимание общественности, а слухи о различных причинах явления колебались от изменения климата до радиоактивных сигналов мобильных телефонов и генетически модифицированных культур.

Большая исследовательская группа выяснила: хотя у пчел был обнаружен израильский пчелиный паралитический вирус, он не мог стать причиной такого катастрофического вымирания. Численность пчел стремительно сокращается за последние годы. Некоторые из них были добавлены в список исчезающих в 2017 году (семь видов гавайских пчел) и в 2018 году (шмель Bombus affinis).

Интенсивное использование пестицидов, известных как неоникотиноиды (относительно новый класс инсектицидов, влияющих на центральную нервную систему насекомых, приводят к параличу и смерти), сыграло важную роль в снижении популяции пчел. Когда пчелы подвергаются воздействию неоникотиноидов, они испытывают сильное воздействие на нервную систему (что-то вроде версии Альцгеймера для насекомых) и страдают от сильной дезориентации.

Наряду с пестицидами паразиты, известные как клещи варрао, также несут ответственность за массовую гибель пчел. Варрао могут размножаться только в пчелиной колонии. Эти кровососущие паразиты одинаково поражают и взрослых, и молодых пчел. Болезнь, вызванная этими клещами, может привести к тому, что пчелы теряют ноги или крылья, медленно и мучительно умирая.

Цельнозерновые крупы — важный натуральный источник витаминов группы В, особенно фолиевой кислоты. Потребность в фолиевой кислоте повышается во время беременности для предотвращения дефектов нервной трубки плода. Более 70% витамина А и 98% каждого из каротиноидов, криптоксантина (провитамина А) и ликопена обнаружены в культурах, которые опыляются насекомыми. Неизвестно, в какой степени эти растения, в том числе красные, оранжевые и желтые овощи и фрукты могут размножаться без опыления, но эксперименты показали прямое увеличение урожайности на 43% благодаря естественному опылению. Витамин А является одним из наиболее необходимых элементов для организма, и его дефицит становится причиной до 500 тыс. случаев необратимой слепоты у детей во всем мире ежегодно. Диеты с высоким содержанием каротиноидов полезны для людей, склонных к онкологическим заболеваниям; в лабораторных тестах ликопин показал свою способность влиять на замедление роста опухолей. Большая часть витамина Е также присутствует в растениях, которые требуют опыления.

Истощение почвы, загрязнение атмосферы и вымирание пчел — всего лишь последствия безграмотного отношения человечества к большой, но такой хрупкой и ранимой планете. Люди, растения, животные, земля и воздух неразрывно связаны, и каждый безответственный шаг человека может обернуться настоящей трагедией для всего этого мира. Ученые смогут, возможно, восстановить пищевую ценность фруктов, овощей и круп, но это не единственное направление развития нашей планеты. Необходимо снижать выбросы углекислого газа, ослаблять нагрузку на почву и заботиться о животном мире, предотвращая вымирание целых видов.