Økningen i karbondioksid fører til mat av dårlig kvalitet på jorden

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

En artikkel om verkene til en georgisk vitenskapsmann som, etter å ha ankommet USA, i tillegg til matematikk, tok opp biologi. Han begynte å observere endringer i plantelivet avhengig av kvaliteten på luft og lys. Konklusjonen var økologisk: veksten av karbondioksid i atmosfæren akselererer veksten av planter, men fratar dem stoffer som er nyttige for mennesker.

Irakli Loladze er matematiker av utdannelse, men det var i det biologiske laboratoriet han sto overfor en gåte som forandret hele livet hans. Dette skjedde i 1998, da Loladze mottok sin doktorgrad fra University of Arizona. En biolog sto ved glassbeholdere som skinner med lyse grønne alger, og fortalte Loladze og et halvt dusin andre avgangsstudenter at forskere hadde oppdaget noe mystisk med dyreplankton.

Zooplankton er mikroskopiske dyr som svømmer i verdens hav og innsjøer. De lever av alger, som egentlig er bittesmå planter. Forskere har funnet ut at ved å øke lysstrømmen er det mulig å akselerere veksten av alger, og dermed øke tilgangen på matressurser for dyreplankton og ha en positiv effekt på utviklingen. Men forskernes håp gikk ikke i oppfyllelse. Da forskere begynte å dekke flere alger, akselererte veksten deres virkelig. Små dyr har mye mat, men paradoksalt nok var de på et tidspunkt på randen av å overleve. Økningen i matmengden skal ha ført til en bedring av livskvaliteten til dyreplanktonet, og viste seg til slutt å være et problem. Hvordan kunne dette skje?

Til tross for at Loladze formelt studerte ved Det matematiske fakultet, elsket han fortsatt biologi og kunne ikke slutte å tenke på resultatene av forskningen hans. Biologene hadde en grov ide om hva som skjedde. Mer lys fikk algene til å vokse raskere, men reduserte til slutt næringsstoffene som trengs for at dyreplankton skal formere seg. Ved å akselerere veksten av alger, gjorde forskerne dem i hovedsak til hurtigmat. Dyreplanktonet hadde mer mat, men det ble mindre næringsrikt, og derfor begynte dyrene å sulte.

Loladze brukte sin matematiske bakgrunn for å hjelpe til med å måle og forklare dynamikken som skildrer dyreplanktons avhengighet av alger. Sammen med kolleger utviklet han en modell som viste forholdet mellom en matkilde og et dyr som er avhengig av den. De publiserte sin første vitenskapelige artikkel om dette emnet i 2000. Men bortsett fra dette var Loladzes oppmerksomhet fanget på eksperimentets viktigere spørsmål: hvor langt kan dette problemet gå?

"Jeg ble overrasket over hvor utbredt resultatene var," husket Loladze i et intervju. Kan gress og kyr rammes av det samme problemet? Hva med ris og mennesker? "Øyeblikket da jeg begynte å tenke på menneskelig ernæring var et vendepunkt for meg," sa forskeren.

I verden utenfor havet er ikke problemet at planter plutselig får mer lys: de har konsumert mer karbondioksid i årevis. Begge er nødvendige for at planter skal vokse. Og hvis mer lys fører til hurtigvoksende, men mindre næringsrike «hurtigmat»-alger med dårlig balansert sukker-til-næringsforhold, så vil det være logisk å anta at økende karbondioksidkonsentrasjon kan ha samme effekt. Og det kan påvirke planter over hele planeten. Hva betyr dette for plantene vi spiser?

Vitenskapen visste rett og slett ikke hva Loladze oppdaget. Ja, det faktum at nivået av karbondioksid i atmosfæren økte var allerede velkjent, men forskeren ble slått av hvor lite forskning som har blitt viet til effekten av dette fenomenet på spiselige planter. I de neste 17 årene, fortsatte han sin matematiske karriere, studerte han nøye den vitenskapelige litteraturen og dataene han kunne finne. Og resultatene så ut til å peke i én retning: Effekten av hurtigmaten han lærte om i Arizona viste seg i jorder og skoger rundt om i verden. "Når CO₂-nivåene fortsetter å stige, produserer hvert blad og gresstrå på jorden mer og mer sukker," forklarte Loladze. "Vi har vært vitne til den største injeksjonen av karbohydrater i biosfæren i historien - en injeksjon som fortynner andre næringsstoffer i matressursene våre."

Forskeren publiserte dataene han samlet inn for bare noen år siden, og de vakte raskt oppmerksomheten til en liten, men ganske bekymret gruppe forskere som reiser bekymrende spørsmål om fremtiden til ernæringen vår. Kan karbondioksid ha en effekt på menneskers helse som vi ennå ikke har studert? Det ser ut til at svaret er ja, og på jakt etter bevis måtte Loladze og andre forskere stille de mest presserende vitenskapelige spørsmålene, inkludert følgende: "Hvor vanskelig er det å forske på et felt som ennå ikke eksisterer?"

I landbruksforskningen er ikke nyheten ny om at mange viktige matvarer blir mindre næringsrike. Målinger av frukt og grønt viser at innholdet av mineraler, vitaminer og proteiner i disse har gått markant ned de siste 50-70 årene. Forskere mener hovedårsaken er ganske enkel: når vi avler og velger avlinger, er vår toppprioritet høyere avling, ikke næringsverdi, mens varianter som gir mer avling (det være seg brokkoli, tomater eller hvete) er mindre næringsrike. …

I 2004 fant en grundig studie av frukt og grønnsaker at alt fra protein og kalsium til jern og vitamin C hadde sunket betydelig i de fleste hagebruksvekster siden 1950. Forfatterne konkluderte med at dette hovedsakelig skyldes valg av varianter for videre avl.

Loladze, i selskap med flere andre forskere, mistenker at dette ikke er slutten, og at kanskje atmosfæren i seg selv endrer maten vår. Planter trenger karbondioksid på samme måte som mennesker trenger oksygen. Nivået av CO₂ i atmosfæren fortsetter å stige - i en stadig mer polarisert debatt om klimavitenskap faller det aldri noen inn å bestride dette faktum. Før den industrielle revolusjonen var konsentrasjonen av karbondioksid i jordens atmosfære omtrent 280 ppm (deler per million, en milliondel er en måleenhet for eventuelle relative verdier, lik 1 · 10-6 av basisindikatoren - red.). I fjor nådde denne verdien 400 ppm. Forskere spår at i det neste halve århundret vil vi sannsynligvis nå 550 ppm, som er dobbelt så mye som det var i luften da amerikanerne først begynte å bruke traktorer i landbruket.

For de med lidenskap for planteforedling kan denne dynamikken virke positiv. Dessuten var det slik politikere pleide å gjemme seg bak, og rettferdiggjorde sin likegyldighet til konsekvensene av klimaendringer. Republikaneren Lamar Smith, leder av US House Science Committee, argumenterte nylig for at folk ikke burde være så bekymret for økende karbondioksidnivåer. Ifølge ham er det bra for plantene, og det som er bra for plantene er bra for oss.

«En høyere konsentrasjon av karbondioksid i atmosfæren vår vil fremme fotosyntese, som igjen vil føre til en økning i planteveksthastigheten», skrev en republikaner fra Texas. "Matprodukter vil bli produsert i større volum, og kvaliteten vil bli bedre."

Men som dyreplanktonforsøket har vist, går ikke alltid mer volum og bedre kvalitet hånd i hånd. Tvert imot kan det etableres et omvendt forhold mellom dem. Her er hvordan de beste forskerne forklarer dette fenomenet: den økende konsentrasjonen av karbondioksid akselererer fotosyntesen, en prosess som hjelper planter å omdanne sollys til mat. Som et resultat akselererer veksten deres, men samtidig begynner de også å absorbere mer karbohydrater (som glukose) på bekostning av andre næringsstoffer vi trenger, som protein, jern og sink.

I 2002, mens han fortsatte studiene ved Princeton University etter å ha forsvart sin doktoravhandling, publiserte Loladze en solid forskningsartikkel i det ledende tidsskriftet Trends in Ecology and Evolution, som hevdet at økende karbondioksidnivåer og menneskelig ernæring er uløselig knyttet til globale endringer i planter. kvalitet. I artikkelen klaget Loladze over mangelen på data: blant tusenvis av publikasjoner om planter og økende karbondioksidnivåer fant han bare én som fokuserte på effekten av gass på næringsbalansen i ris, en avling som milliarder av mennesker stoler på. innhøsting. (En artikkel publisert i 1997 omhandler fallet i sink- og jernnivåer i ris.)

I sin artikkel var Loladze den første som viste effekten av karbondioksid på kvaliteten på planter og menneskelig ernæring. Forskeren stilte imidlertid flere spørsmål enn han fant svar, og argumenterte med rette for at det fortsatt er mange hull i studien. Hvis endringer i næringsverdien skjer på alle nivåer i næringskjeden, må de studeres og måles.

En del av problemet, viser det seg, lå i selve forskningsverdenen. For å få svar krevde Loladze kunnskap innen agronomi, ernæring og plantefysiologi, grundig smaksatt med matematikk. Den siste delen kunne behandles, men på den tiden startet han nettopp sin vitenskapelige karriere, og matematikkavdelingene var ikke spesielt interessert i å løse problemer med landbruk og menneskers helse. Loladze kjempet for å sikre finansiering til ny forskning og fortsatte samtidig å manisk samle alle mulige data som allerede er publisert av forskere fra hele verden. Han dro til den sentrale delen av landet, til University of Nebraska-Lincoln, hvor han ble tilbudt stillingen som assistent ved avdelingen. Universitetet var aktivt engasjert i forskning innen landbruk, noe som ga gode utsikter, men Loladze var bare en lærer i matematikk. Som det ble forklart for ham, kan han fortsette å utføre forskningen sin, hvis han selv finansierer dem. Men han fortsatte å kjempe. I tildelingen av tilskudd ved Biologisk institutt fikk han avslag på grunn av at søknaden hans legger for mye vekt på matematikk, og ved Matematisk institutt – på grunn av biologi.

"År etter år fikk jeg avslag etter avslag," minnes Loladze. – Jeg var desperat. Jeg tror ikke folk forsto viktigheten av forskning."

Dette spørsmålet ble utelatt fra styret, ikke bare i matematikk og biologi. Å si at nedgangen i næringsverdien til basisvekster på grunn av en økning i konsentrasjonen av karbondioksid er lite studert, er en underdrivelse. Dette fenomenet er rett og slett ikke diskutert i landbruk, helse og ernæring. I det hele tatt.

Da våre reportere kontaktet ernæringseksperter for å diskutere emnet for studien, ble nesten alle svært overrasket og spurte hvor de kan finne dataene. En ledende vitenskapsmann fra Johns Hopkins University svarte at spørsmålet var ganske interessant, men innrømmet at han ikke visste noe om det. Han henviste meg til en annen spesialist som også hørte om det for første gang. Academy of Nutrition and Dietetics, en sammenslutning av et stort antall ernæringseksperter, hjalp meg med å komme i kontakt med ernæringsfysiolog Robin Forutan, som heller ikke var kjent med studien.

"Det er veldig interessant, og du har rett, få mennesker vet," skrev Forutan etter å ha lest noen artikler om emnet. Hun la også til at hun gjerne vil utforske spørsmålet dypere. Spesielt er hun interessert i hvordan selv en liten økning i mengden karbohydrater i planter kan påvirke menneskers helse.

"Vi vet ikke hva en liten endring i karbohydratinnhold i mat kan ende opp med," sa Forutan, og la merke til at den generelle trenden mot mer stivelse og høyere karbohydratinntak ser ut til å ha noe å gjøre med den økte forekomsten av sykdom. relatert som fedme og diabetes. – I hvilken grad kan endringer i næringskjeden påvirke dette? Vi kan ikke si noe sikkert ennå.»

Vi ba en av de mest kjente ekspertene på dette feltet om å kommentere dette fenomenet – Marion Nesl, professor ved New York University. Nesl tar for seg spørsmål om matkultur og helsevesen. Til å begynne med var hun ganske skeptisk til alt, men lovet å studere i detalj den tilgjengelige informasjonen om klimaendringer, hvoretter hun tok en annen posisjon. "Du overbeviste meg," skrev hun, og uttrykte også bekymring. – Det er ikke helt klart om nedgangen i næringsverdien til matvarer forårsaket av en økning i konsentrasjonen av karbondioksid kan påvirke menneskers helse betydelig. Vi trenger mye mer data."

Christy Eby, en forsker ved University of Washington, studerer sammenhengen mellom klimaendringer og menneskers helse. Hun er en av få forskere i USA som er interessert i de mulige alvorlige konsekvensene av å endre mengden karbondioksid, og hun nevner dette i hver eneste tale.

Det er for mange ukjente, er Ebi overbevist. "For eksempel, hvordan vet du at brød ikke lenger inneholder mikronæringsstoffene som var i det for 20 år siden?"

Sammenhengen mellom karbondioksid og ernæring ble ikke umiddelbart tydelig for det vitenskapelige miljøet, sier Ebi, nettopp fordi det tok dem lang tid å seriøst vurdere samspillet mellom klima og menneskers helse generelt. "Slik ser ting vanligvis ut," sier Eby, "på tampen av endringen."

I Loladzes tidlige arbeid ble det stilt alvorlige spørsmål, som det er vanskelig, men ganske realistisk, å finne svar på. Hvordan påvirker en økning i atmosfærisk CO₂-konsentrasjon plantevekst? Hva er andelen av effekten av karbondioksid på fallet i næringsverdien til mat i forhold til andelen av andre faktorer, for eksempel vekstforhold?

Å kjøre et eksperiment for hele gården for å finne ut hvordan karbondioksid påvirker planter er også en vanskelig, men gjennomførbar oppgave. Forskere bruker en metode som gjør feltet til et ekte laboratorium. Et ideelt eksempel i dag er eksperimentet med frilufts karbondioksidanriking (FACE). I løpet av dette eksperimentet lager forskere i friluft store enheter som sprayer karbondioksid på planter i et bestemt område. Små sensorer overvåker CO₂-nivået. Når for mye karbondioksid forlater feltet, sprayer en spesiell enhet en ny dose for å holde nivået konstant. Forskere kan deretter direkte sammenligne disse plantene med de som dyrkes under normale forhold.

Lignende eksperimenter har vist at planter som vokser under forhold med økt karbondioksidinnhold gjennomgår betydelige endringer. Så i C3-gruppen av planter, som inkluderer nesten 95% av jordens planter, inkludert de vi spiser (hvete, ris, bygg og poteter), var det en nedgang i mengden viktige mineraler - kalsium, natrium, sink og jern. I følge prognoser for planters reaksjon på endringer i konsentrasjonen av karbondioksid, vil mengden av disse mineralene i nær fremtid reduseres med gjennomsnittlig 8%. De samme dataene indikerer også en nedgang, noen ganger ganske betydelig, i proteininnholdet i C3-avlinger - i hvete og ris med henholdsvis 6% og 8%.

Sommeren i år publiserte en gruppe forskere det første arbeidet der det ble gjort forsøk på å vurdere virkningen av disse endringene på jordens befolkning. Planter er en viktig kilde til protein for mennesker i utviklingsland. Forskere anslår at 150 millioner mennesker er i fare for proteinmangel innen 2050, spesielt i land som India og Bangladesh. Forskere har også funnet ut at 138 millioner vil være i faresonen på grunn av en reduksjon i mengden sink, som er avgjørende for helsen til mødre og barn. De anslår at mer enn 1 milliard mødre og 354 millioner barn bor i land som er spådd å redusere mengden jern i maten, noe som kan forverre den allerede alvorlige risikoen for utbredt anemi.

Slike prognoser har foreløpig ikke vært gjeldende for USA, hvor kostholdet til de fleste av befolkningen er mangfoldig og inneholder nok protein. Forskere merker imidlertid en økning i sukkermengden i planter og frykter at hvis denne frekvensen fortsetter, vil det bli enda flere overvektige og kardiovaskulære problemer.

USDA gir også betydelige bidrag til forskning på forholdet mellom karbondioksid og plantenæring. Lewis Ziska, en plantefysiolog ved Agricultural Research Service i Beltsville, Maryland, har skrevet en rekke ernæringsartikler som utdyper noen av spørsmålene Loladze stilte for 15 år siden.

Ziska utviklet et enklere eksperiment som ikke krevde dyrking av planter. Han bestemte seg for å studere bienes ernæring.

Gullris er en villblomst som av mange anses å være et ugress, men viktig for bier. Den blomstrer på sensommeren og pollen er en viktig proteinkilde for disse insektene under den harde vinteren. Folk har aldri spesielt dyrket gullris eller skapt nye varianter, så over tid har det ikke endret seg mye, i motsetning til mais eller hvete. Hundrevis av eksemplarer av gullris er lagret i de enorme arkivene til Smithsonian Institution, det tidligste dateres tilbake til 1842. Dette gjorde at Ziska og kollegene hans kunne spore hvordan planten har endret seg siden den gang.

Forskerne fant at siden den industrielle revolusjonen har proteininnholdet i gullrispollen falt med en tredjedel, og dette fallet er nært knyttet til økningen i karbondioksid. Forskere har lenge prøvd å finne ut årsakene til nedgangen i bestandene av bier rundt om i verden - dette kan ha en dårlig effekt på avlingene som de er nødvendige for å pollinere. I sitt arbeid antydet Ziska at nedgangen i protein i pollen før vinteren kan være en annen grunn til at bier synes det er vanskelig å overleve om vinteren.

Forskeren bekymrer seg for at effekten av karbondioksid på planter ikke blir studert i tilstrekkelig hastighet, gitt at endring av landbrukspraksis kan ta lang tid. "Vi har ennå ikke mulighet til å gripe inn og begynne å bruke tradisjonelle metoder for å fikse situasjonen," sa Ziska. "Det vil ta 15-20 år før resultatene av laboratorietester blir implementert i praksis"

Som Loladze og hans kolleger har funnet ut, kan nye overordnede, tverrgående spørsmål være ganske komplekse. Det er mange plantefysiologer rundt om i verden som studerer avlinger, men de fokuserer mest på faktorer som avling og skadedyrbekjempelse. Det har ingenting med ernæring å gjøre. Etter det Loladze erfarer er ikke matematiske avdelinger spesielt interessert i matvarer som forskningsobjekt. Og studiet av levende planter er en lang og kostbar virksomhet: det vil ta flere år og seriøs finansiering å få nok data under FACE-eksperimentet.

Til tross for vanskelighetene er forskere i økende grad interessert i disse spørsmålene, og i løpet av de neste årene kan de kanskje finne svar på dem. Ziska og Loladze, som underviser i matematikk ved Brian's College of Health Sciences i Lincoln, Nebraska, jobber med et team av forskere fra Kina, Japan, Australia og USA på en større studie om effekten av karbondioksid på ernæringsegenskapene til ris, en av de viktigste avlingene. I tillegg studerer de endringen i mengden vitaminer, viktige matkomponenter, som til nå praktisk talt ikke har blitt gjort.

Nylig utførte USDA-forskere et nytt eksperiment. For å finne ut hvordan høyere CO₂-nivåer påvirker avlingene, tok de prøver av ris, hvete og soyabønner fra 1950- og 1960-tallet og plantet dem i områder der andre forskere hadde dyrket de samme variantene for mange år siden.

Ved USDA-forskningsfeltet i Maryland eksperimenterer forskere med paprika. De ønsker å finne ut hvordan mengden vitamin C endres med økt konsentrasjon av karbondioksid. De studerer også kaffe for å se om mengden koffein synker. "Det er fortsatt mange spørsmål," sa Ziska mens hun viste forskningsanlegget i Beltsville. "Dette er bare begynnelsen."

Lewis Ziska er en del av en liten gruppe forskere som prøver å evaluere endringer og finne ut hvordan de vil påvirke mennesker. En annen nøkkelperson i denne historien er Samuel Myers, en klimatolog ved Harvard University. Myers er i spissen for Planetary Health Alliance. Målet med organisasjonen er å re-integrere klimatologi og helsevesen. Myers er overbevist om at det vitenskapelige miljøet ikke tar nok hensyn til forholdet mellom karbondioksid og ernæring, som bare er en del av et mye større bilde av hvordan disse endringene kan påvirke økosystemet. "Dette er bare toppen av isfjellet," sa Myers. "Vi hadde vanskelig for å få folk til å forstå hvor mange spørsmål de burde ha."

I 2014 publiserte Myers og et team av forskere en stor studie i tidsskriftet Nature som så på viktige avlinger dyrket på flere steder i Japan, Australia og USA. I deres sammensetning ble det observert en reduksjon i mengden protein, jern og sink på grunn av en økning i konsentrasjonen av karbondioksid. For første gang har publikasjonen vakt reell medieoppmerksomhet.

«Det er vanskelig å forutsi hvordan globale klimaendringer vil påvirke menneskers helse, men vi er klare for det uventede. En av dem er forholdet mellom en økning i konsentrasjonen av karbondioksid i atmosfæren og en reduksjon i næringsverdien til C3-avlinger. Nå vet vi om det og kan forutsi videre utvikling, skriver forskerne.

Samme år, faktisk samme dag, publiserte Loladze, som på den tiden underviste i matematikk ved det katolske universitetet i Daegu i Sør-Korea, sin egen artikkel – med data som han hadde samlet inn i over 15 år. Dette er den største studien noensinne av økende CO₂-konsentrasjon og dens effekt på plantenæring. Loladze beskriver vanligvis plantevitenskap som "støyende" - som i vitenskapelig sjargong kaller forskere et område fullt av komplekse, forskjellige data som ser ut til å "støye", og gjennom denne "støyen" er det umulig å høre signalet du leter etter. Det nye datalaget hans var endelig stort nok til å gjenkjenne det ønskede signalet gjennom støyen og oppdage det "skjulte skiftet", som forskeren kalte det.

Loladze fant ut at teorien hans fra 2002, eller rettere sagt den sterke mistanken han ga uttrykk for på den tiden, viste seg å være sann. Studien involverte nesten 130 varianter av planter og mer enn 15 000 prøver oppnådd i eksperimenter de siste 30 årene. Den totale konsentrasjonen av mineraler som kalsium, magnesium, natrium, sink og jern falt med gjennomsnittlig 8 %. Mengden karbohydrater i forhold til mengden mineraler økte. Planter, som alger, ble hurtigmat.

Det gjenstår å se hvordan denne oppdagelsen vil påvirke mennesker, hvis hoveddiett er planter. Forskere som dykker ned i dette emnet, vil måtte overvinne ulike hindringer: forskningens langsomme tempo og uklarhet, politikkens verden, der ordet "klima" er nok til å stoppe enhver snakk om finansiering. Det vil være nødvendig å bygge helt nye "broer" i vitenskapens verden - Loladze snakker om dette med et glis i arbeidet sitt. Da artikkelen endelig ble publisert i 2014, inkluderte Loladze en liste over alle finansieringsnektelser i appen.