Stigningen i kuldioxid fører til mad af dårlig kvalitet på Jorden

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

En artikel om værker af en georgisk videnskabsmand, der udover matematik, efter at have ankommet til USA, tog biologi. Han begyndte at observere ændringer i plantelivet afhængigt af kvaliteten af luft og lys. Konklusionen var økologisk: væksten af kuldioxid i atmosfæren fremskynder væksten af planter, men fratager dem stoffer, der er nyttige for mennesker.

Irakli Loladze er matematiker af uddannelse, men det var i det biologiske laboratorium, han stod over for en gåde, der ændrede hele hans liv. Dette skete i 1998, da Loladze modtog sin doktorgrad fra University of Arizona. Stående ved glasbeholdere, der skinnede med lyse grønne alger, fortalte en biolog til Loladze og et halvt dusin andre kandidatstuderende, at forskere havde opdaget noget mystisk om zooplankton.

Zooplankton er mikroskopiske dyr, der svømmer i verdenshavene og søer. De lever af alger, som i det væsentlige er små planter. Forskere har fundet ud af, at ved at øge lysstrømmen er det muligt at fremskynde væksten af alger og derved øge udbuddet af føderessourcer til zooplankton og have en positiv effekt på dets udvikling. Men forskernes håb gik ikke i opfyldelse. Da forskere begyndte at dække flere alger, accelererede deres vækst virkelig. Små dyr har meget mad, men paradoksalt nok var de på et tidspunkt på grænsen til at overleve. Stigningen i fødemængden skulle have ført til en forbedring af dyreplanktonets livskvalitet og viste sig i sidste ende at være et problem. Hvordan kunne dette ske?

På trods af at Loladze formelt studerede ved Det Matematiske Fakultet, elskede han stadig biologi og kunne ikke stoppe med at tænke på resultaterne af sin forskning. Biologerne havde en grov idé om, hvad der skete. Mere lys fik algerne til at vokse hurtigere, men reducerede i sidste ende de næringsstoffer, der var nødvendige for, at zooplankton kunne formere sig. Ved at accelerere væksten af alger forvandlede forskerne dem i det væsentlige til fastfood. Zooplanktonet havde mere føde, men det blev mindre nærende, og derfor begyndte dyrene at sulte.

Loladze brugte sin matematiske baggrund til at hjælpe med at måle og forklare dynamikken, der skildrer zooplanktons afhængighed af alger. Sammen med kolleger udviklede han en model, der viste sammenhængen mellem en fødekilde og et dyr, der er afhængig af den. De udgav deres første videnskabelige artikel om dette emne i 2000. Men bortset fra dette var Loladzes opmærksomhed fanget på eksperimentets vigtigere spørgsmål: hvor langt kan dette problem gå?

"Jeg var overrasket over, hvor udbredte resultaterne var," huskede Loladze i et interview. Kan græs og køer blive ramt af det samme problem? Hvad med ris og mennesker? "Øjeblikket, hvor jeg begyndte at tænke på menneskelig ernæring, var et vendepunkt for mig," sagde videnskabsmanden.

I verden hinsides havet er problemet ikke, at planter pludselig får mere lys: de har forbrugt mere kuldioxid i årevis. Begge er nødvendige for at planter kan vokse. Og hvis mere lys fører til hurtigtvoksende, men mindre nærende "fastfood"-alger med dårligt afbalancerede sukker-til-næringsstof-forhold, så ville det være logisk at antage, at stigende kuldioxidkoncentration kunne have samme effekt. Og det kan påvirke planter over hele kloden. Hvad betyder det for de planter, vi spiser?

Videnskaben vidste simpelthen ikke, hvad Loladze opdagede. Ja, det faktum, at niveauet af kuldioxid i atmosfæren steg, var allerede velkendt, men videnskabsmanden blev slået af, hvor lidt forskning, der er blevet afsat til virkningen af dette fænomen på spiselige planter. I de næste 17 år, fortsatte han sin matematiske karriere, studerede han omhyggeligt den videnskabelige litteratur og data, han kunne finde. Og resultaterne så ud til at pege i én retning: Effekten af den fastfood, han lærte om i Arizona, viste sig i marker og skove rundt om i verden. "Efterhånden som CO₂-niveauerne fortsætter med at stige, producerer hvert eneste blad og græsstrå på Jorden mere og mere sukker," forklarede Loladze. "Vi har været vidne til den største injektion af kulhydrater i biosfæren i historien - en injektion, der fortynder andre næringsstoffer i vores føderessourcer."

Videnskabsmanden offentliggjorde de data, han indsamlede for blot et par år siden, og det tiltrak hurtigt opmærksomheden fra en lille, men ret bekymret gruppe forskere, som rejser bekymrende spørgsmål om fremtiden for vores ernæring. Kunne kuldioxid have en effekt på menneskers sundhed, som vi endnu ikke har undersøgt? Det ser ud til, at svaret er ja, og i jagten på beviser måtte Loladze og andre videnskabsmænd stille de mest presserende videnskabelige spørgsmål, herunder følgende: "Hvor svært er det at forske inden for et felt, der endnu ikke eksisterer?"

I landbrugsforskningen er nyheden om, at mange vigtige fødevarer bliver mindre nærende, ikke ny. Målinger af frugt og grønt viser, at indholdet af mineraler, vitaminer og protein i dem er faldet markant de seneste 50-70 år. Forskere mener, at hovedårsagen er ret enkel: når vi avler og udvælger afgrøder, er vores topprioritet højere udbytte, ikke næringsværdi, mens sorter, der giver mere udbytte (det være sig broccoli, tomater eller hvede) er mindre nærende. …

I 2004 fandt en grundig undersøgelse af frugt og grøntsager, at alt fra protein og calcium til jern og C-vitamin var faldet betydeligt i de fleste gartneriafgrøder siden 1950. Forfatterne konkluderede, at dette hovedsageligt skyldes valget af sorter til videre forædling.

Loladze har i selskab med flere andre videnskabsmænd mistanke om, at dette ikke er enden, og at atmosfæren måske i sig selv ændrer vores mad. Planter har brug for kuldioxid på samme måde, som mennesker har brug for ilt. Niveauet af CO₂ i atmosfæren fortsætter med at stige - i en stadig mere polariseret debat om klimavidenskab falder det aldrig ind for nogen at bestride dette faktum. Før den industrielle revolution var koncentrationen af kuldioxid i jordens atmosfære omkring 280 ppm (parts per million, en milliontedel er en måleenhed for eventuelle relative værdier, lig med 1 · 10-6 af basisindikatoren - red.). Sidste år nåede denne værdi 400 ppm. Forskere forudser, at vi i det næste halve århundrede sandsynligvis vil nå 550 ppm, hvilket er dobbelt så meget, som det var i luften, da amerikanerne først begyndte at bruge traktorer i landbruget.

For dem med en passion for planteavl kan denne dynamik virke positiv. Desuden var det sådan, politikere plejede at gemme sig bagved og retfærdiggøre deres ligegyldighed over for konsekvenserne af klimaforandringerne. Republikaneren Lamar Smith, formand for US House Science Committee, argumenterede for nylig for, at folk ikke skulle være så bekymrede over stigende kuldioxidniveauer. Ifølge ham er det godt for planterne, og det, der er godt for planterne, er godt for os.

"En højere koncentration af kuldioxid i vores atmosfære vil fremme fotosyntesen, hvilket igen vil føre til en stigning i plantevæksthastigheden," skrev en republikaner fra Texas. "Fødevarer vil blive produceret i større mængder, og deres kvalitet vil være bedre."

Men som dyreplanktonforsøget har vist, går mere volumen og bedre kvalitet ikke altid hånd i hånd. Tværtimod kan der etableres et omvendt forhold mellem dem. Sådan forklarer de bedste videnskabsmænd dette fænomen: Den stigende koncentration af kuldioxid fremskynder fotosyntesen, en proces, der hjælper planter med at omdanne sollys til mad. Som følge heraf accelererer deres vækst, men samtidig begynder de også at optage flere kulhydrater (såsom glukose) på bekostning af andre næringsstoffer, vi har brug for, såsom protein, jern og zink.

I 2002, mens han fortsatte sine studier ved Princeton University efter at have forsvaret sin doktorafhandling, offentliggjorde Loladze en solid forskningsartikel i det førende tidsskrift Trends in Ecology and Evolution, som hævdede, at stigende kuldioxidniveauer og menneskelig ernæring er uløseligt forbundet med globale ændringer i planter kvalitet. I artiklen klagede Loladze over manglen på data: blandt tusindvis af publikationer om planter og stigende kuldioxidniveauer fandt han kun én, der fokuserede på gassens effekt på næringsstofbalancen i ris, en afgrøde, som milliarder af mennesker er afhængige af. høst. (En artikel offentliggjort i 1997 omhandler faldet i zink- og jernniveauer i ris.)

I sin artikel var Loladze den første til at vise kuldioxidens effekt på planternes kvalitet og menneskelig ernæring. Forskeren rejste dog flere spørgsmål, end han fandt svar, idet han med rette hævdede, at der stadig er mange huller i undersøgelsen. Hvis ændringer i ernæringsværdien sker på alle niveauer af fødekæden, skal de undersøges og måles.

En del af problemet, viser det sig, lå i selve forskningsverdenen. For at få svar krævede Loladze viden inden for agronomi, ernæring og plantefysiologi, grundigt tilsmagt med matematik. Den sidste del kunne behandles, men på det tidspunkt var han lige i gang med sin videnskabelige karriere, og matematiske afdelinger var ikke særligt interesserede i at løse problemer med landbrug og menneskers sundhed. Loladze kæmpede for at sikre midler til ny forskning og fortsatte samtidig med manisk at indsamle alle de mulige data, der allerede var offentliggjort af videnskabsmænd fra hele verden. Han tog til den centrale del af landet, til University of Nebraska-Lincoln, hvor han blev tilbudt stillingen som assistent for afdelingen. Universitetet var aktivt engageret i forskning inden for landbrug, hvilket gav gode udsigter, men Loladze var kun en lærer i matematik. Som det blev forklaret ham, kan han fortsætte med at udføre sin forskning, hvis han selv finansierer dem. Men han fortsatte med at kæmpe. Ved uddelingen af legater på Biologisk Institut fik han afslag på grund af, at hans ansøgning lægger for meget vægt på matematik, og på Matematisk Institut – på grund af biologi.

"År efter år fik jeg afslag efter afslag," husker Loladze. - Jeg var desperat. Jeg tror ikke, folk forstod vigtigheden af forskning."

Dette spørgsmål blev udeladt af bestyrelsen, ikke kun i matematik og biologi. At sige, at faldet i næringsværdien af basisafgrøder på grund af en stigning i koncentrationen af kuldioxid er lidt undersøgt, er en underdrivelse. Dette fænomen diskuteres simpelthen ikke inden for landbrug, sundhed og ernæring. Overhovedet.

Da vores journalister kontaktede ernæringseksperter for at diskutere emnet for undersøgelsen, blev næsten alle af dem yderst overraskede og spurgte, hvor de kan finde dataene. En førende videnskabsmand fra Johns Hopkins University svarede, at spørgsmålet var ret interessant, men indrømmede, at han ikke vidste noget om det. Han henviste mig til en anden specialist, som også hørte om det for første gang. Academy of Nutrition and Dietetics, en sammenslutning af et stort antal ernæringseksperter, hjalp mig med at komme i kontakt med ernæringsekspert Robin Forutan, som heller ikke var bekendt med undersøgelsen.

"Det er virkelig interessant, og du har ret, få mennesker ved det," skrev Forutan efter at have læst nogle artikler om emnet. Hun tilføjede også, at hun gerne vil udforske spørgsmålet dybere. Hun er især interesseret i, hvordan selv en lille stigning i mængden af kulhydrater i planter kan påvirke menneskers sundhed.

"Vi ved ikke, hvad en lille ændring i kulhydratindholdet i maden kan ende med," sagde Forutan og bemærkede, at den overordnede tendens mod mere stivelse og højere kulhydratindtag synes at have noget at gøre med den øgede forekomst af sygdom. relateret såsom fedme og diabetes. - I hvor høj grad kan ændringer i fødekæden påvirke dette? Vi kan ikke sige det med sikkerhed endnu”.

Vi bad en af de mest berømte eksperter på dette område om at kommentere dette fænomen - Marion Nesl, professor ved New York University. Nesl beskæftiger sig med spørgsmål om madkultur og sundhedspleje. Først var hun ret skeptisk over for alt, men lovede at studere de tilgængelige oplysninger om klimaændringer i detaljer, hvorefter hun tog en anden holdning. "Du overbeviste mig," skrev hun og udtrykte også bekymring. - Det er ikke helt klart, om faldet i fødevarers næringsværdi forårsaget af en stigning i koncentrationen af kuldioxid kan påvirke menneskers sundhed væsentligt. Vi har brug for meget mere data."

Christy Eby, en forsker ved University of Washington, studerer sammenhængen mellem klimaændringer og menneskers sundhed. Hun er en af de få videnskabsmænd i USA, der er interesseret i de mulige alvorlige konsekvenser af at ændre mængden af kuldioxid, og det nævner hun i hver eneste tale.

Der er for mange ubekendte, er Ebi overbevist om. "For eksempel, hvordan ved du, at brød ikke længere indeholder de mikronæringsstoffer, der var i det for 20 år siden?"

Forbindelsen mellem kuldioxid og ernæring blev ikke umiddelbart tydelig for det videnskabelige samfund, siger Ebi, netop fordi det tog dem lang tid at seriøst overveje samspillet mellem klima og menneskers sundhed generelt. "Sådan ser tingene normalt ud," siger Eby, "på tærsklen til forandring."

I Loladzes tidlige arbejde blev der stillet alvorlige spørgsmål, som det er svært, men ret realistisk, at finde svar på. Hvordan påvirker en stigning i atmosfærisk CO₂-koncentration plantevækst? Hvad er andelen af effekten af kuldioxid på faldet i fødevarers næringsværdi i forhold til andelen af andre faktorer, for eksempel vækstbetingelser?

At køre et eksperiment for hele gården for at finde ud af, hvordan kuldioxid påvirker planter er også en vanskelig, men gennemførlig opgave. Forskere bruger en metode, der gør feltet til et rigtigt laboratorium. Et ideelt eksempel i dag er eksperimentet med fri luft kuldioxid berigelse (FACE). I løbet af dette eksperiment skaber forskere i det fri i stor skala enheder, der sprøjter kuldioxid på planter i et bestemt område. Små sensorer overvåger CO₂-niveauet. Når for meget kuldioxid forlader marken, sprøjter en speciel enhed en ny dosis for at holde niveauet konstant. Forskere kan derefter direkte sammenligne disse planter med dem, der dyrkes under normale forhold.

Lignende eksperimenter har vist, at planter, der vokser under forhold med øget kuldioxidindhold, undergår betydelige ændringer. Så i C3-gruppen af planter, som omfatter næsten 95% af jordens planter, inklusive dem, vi spiser (hvede, ris, byg og kartofler), var der et fald i mængden af vigtige mineraler - calcium, natrium, zink og jern. Ifølge prognoser for planters reaktion på ændringer i koncentrationen af kuldioxid vil mængden af disse mineraler i den nærmeste fremtid falde med et gennemsnit på 8%. De samme data indikerer også et fald, nogle gange ret markant, i proteinindholdet i C3-afgrøder - i hvede og ris med henholdsvis 6% og 8%.

I sommeren i år offentliggjorde en gruppe videnskabsmænd det første arbejde, hvor der blev gjort forsøg på at vurdere virkningen af disse ændringer på jordens befolkning. Planter er en vigtig kilde til protein for mennesker i udviklingslandene. Forskere anslår, at 150 millioner mennesker er i risiko for proteinmangel i 2050, især i lande som Indien og Bangladesh. Forskere har også fundet ud af, at 138 millioner vil være i fare på grund af et fald i mængden af zink, som er afgørende for mødres og børns sundhed. De anslår, at mere end 1 milliard mødre og 354 millioner børn bor i lande, der forventes at reducere mængden af jern i deres mad, hvilket kan forværre den allerede alvorlige risiko for udbredt anæmi.

Sådanne prognoser har endnu ikke været gældende for USA, hvor kosten for det meste af befolkningen er forskelligartet og indeholder nok protein. Forskere bemærker dog en stigning i mængden af sukker i planter og frygter, at hvis denne hastighed fortsætter, så vil der være endnu flere overvægtige og hjerte-kar-problemer.

USDA yder også betydelige bidrag til forskning i forholdet mellem kuldioxid og planteernæring. Lewis Ziska, en plantefysiolog ved Agricultural Research Service i Beltsville, Maryland, har skrevet en række ernæringsartikler, der uddyber nogle af de spørgsmål, Loladze stillede for 15 år siden.

Ziska udtænkte et enklere eksperiment, der ikke krævede dyrkning af planter. Han besluttede at studere biers ernæring.

Guldris er en vild blomst, der af mange anses for at være ukrudt, men vigtig for bier. Den blomstrer i sensommeren, og dens pollen er en vigtig proteinkilde for disse insekter i den hårde vinter. Folk har aldrig specielt dyrket guldris eller skabt nye sorter, så over tid har det ikke ændret sig meget, i modsætning til majs eller hvede. Hundredvis af eksemplarer af guldris er opbevaret i Smithsonian Institutions enorme arkiver, det tidligste går tilbage til 1842. Dette gjorde det muligt for Ziska og hans kolleger at spore, hvordan planten har ændret sig siden dengang.

Forskerne fandt ud af, at siden den industrielle revolution er proteinindholdet i guldrispollen faldet med en tredjedel, og dette fald er tæt forbundet med stigningen i kuldioxid. Forskere har længe forsøgt at finde ud af årsagerne til faldet i bestanden af bier rundt om i verden - dette kan have en dårlig effekt på de afgrøder, som de er nødvendige for at bestøve. I sit arbejde foreslog Ziska, at faldet i protein i pollen før vinteren kan være en anden grund til, at bier har svært ved at overleve om vinteren.

Forskeren bekymrer sig om, at virkningerne af kuldioxid på planter ikke bliver undersøgt i tilstrækkelig grad, da det kan tage lang tid at ændre landbrugspraksis. "Vi har endnu ikke mulighed for at gribe ind og begynde at bruge traditionelle metoder til at rette op på situationen," sagde Ziska. "Det vil tage 15-20 år, før resultaterne af laboratorietests bliver implementeret i praksis"

Som Loladze og hans kolleger har fundet ud af, kan nye overordnede, tværgående spørgsmål være ret komplekse. Der er mange plantefysiologer rundt om i verden, der studerer afgrøder, men de fokuserer mest på faktorer som udbytte og skadedyrsbekæmpelse. Det har intet med ernæring at gøre. Ifølge Loladzes erfaring er de matematiske afdelinger ikke særligt interesserede i fødevarer som forskningsobjekter. Og undersøgelsen af levende planter er en lang og dyr forretning: Det vil tage flere år og seriøs finansiering at få nok data under FACE-eksperimentet.

På trods af vanskelighederne er videnskabsmænd i stigende grad interesserede i disse spørgsmål, og i de næste par år vil de muligvis kunne finde svar på dem. Ziska og Loladze, der underviser i matematik ved Brian's College of Health Sciences i Lincoln, Nebraska, arbejder sammen med et team af forskere fra Kina, Japan, Australien og USA på en større undersøgelse af kuldioxidens virkning på ernæringsegenskaberne af ris, en af de vigtigste afgrøder. Derudover studerer de ændringen i mængden af vitaminer, vigtige fødevarekomponenter, som indtil nu praktisk talt ikke er blevet gjort.

For nylig udførte USDA-forskere et andet eksperiment. For at finde ud af, hvordan højere CO₂-niveauer påvirker afgrøder, tog de prøver af ris, hvede og sojabønner fra 1950'erne og 1960'erne og plantede dem i områder, hvor andre videnskabsmænd havde dyrket de samme sorter for mange år siden.

På USDA-forskningsfeltet i Maryland eksperimenterer forskere med peberfrugt. De ønsker at bestemme, hvordan mængden af C-vitamin ændrer sig med en øget koncentration af kuldioxid. De studerer også kaffe for at se, om mængden af koffein falder. "Der er stadig mange spørgsmål," sagde Ziska, mens hun viste forskningsanlægget i Beltsville. "Dette er blot begyndelsen."

Lewis Ziska er en del af en lille gruppe videnskabsmænd, der forsøger at evaluere ændringer og finde ud af, hvordan de vil påvirke mennesker. En anden nøgleperson i denne historie er Samuel Myers, en klimatolog ved Harvard University. Myers er i spidsen for Planetary Health Alliance. Organisationens mål er at genintegrere klimatologi og sundhedspleje. Myers er overbevist om, at det videnskabelige samfund ikke er opmærksomme nok på forholdet mellem kuldioxid og ernæring, hvilket kun er en del af et meget større billede af, hvordan disse ændringer kan påvirke økosystemet. "Dette er kun toppen af isbjerget," sagde Myers. "Vi havde svært ved at få folk til at forstå, hvor mange spørgsmål de burde have."

I 2014 offentliggjorde Myers og et team af videnskabsmænd en større undersøgelse i tidsskriftet Nature, der så på nøgleafgrøder dyrket på flere steder i Japan, Australien og USA. I deres sammensætning blev der observeret et fald i mængden af protein, jern og zink på grund af en stigning i koncentrationen af kuldioxid. For første gang har udgivelsen tiltrukket sig reel medieopmærksomhed.

”Det er svært at forudsige, hvordan globale klimaforandringer vil påvirke menneskers sundhed, men vi er klar til det uventede. En af dem er forholdet mellem en stigning i koncentrationen af kuldioxid i atmosfæren og et fald i næringsværdien af C3-afgrøder. Nu ved vi om det og kan forudsige den videre udvikling,” skriver forskerne.

Samme år, faktisk samme dag, udgav Loladze, der på det tidspunkt underviste i matematik ved det katolske universitet i Daegu i Sydkorea, sin egen artikel – med data, som han havde indsamlet i over 15 år. Dette er den største undersøgelse nogensinde af øget CO₂-koncentration og dens effekt på planteernæring. Loladze beskriver sædvanligvis plantevidenskab som "støjende" - som i videnskabelig jargon kalder videnskabsmænd et område fyldt med komplekse forskellige data, der ser ud til at "støje", og gennem denne "støj" er det umuligt at høre det signal, du leder efter. Hans nye datalag var endelig stort nok til at genkende det ønskede signal gennem støjen og opdage det "skjulte skift", som videnskabsmanden kaldte det.

Loladze fandt ud af, at hans teori fra 2002, eller rettere den stærke mistanke, han gav udtryk for på det tidspunkt, viste sig at være sand. Undersøgelsen involverede næsten 130 sorter af planter og mere end 15.000 prøver opnået i eksperimenter i løbet af de sidste 30 år. Den samlede koncentration af mineraler som calcium, magnesium, natrium, zink og jern faldt i gennemsnit med 8%. Mængden af kulhydrater i forhold til mængden af mineraler steg. Planter, ligesom alger, var ved at blive fastfood.

Det er stadig at se, hvordan denne opdagelse vil påvirke mennesker, hvis vigtigste kost er planter. Forskere, der dykker ned i dette emne, bliver nødt til at overvinde forskellige forhindringer: forskningens langsomme tempo og uklarhed, politikkens verden, hvor ordet "klima" er nok til at stoppe enhver snak om finansiering. Det vil være nødvendigt at bygge helt nye "broer" i videnskabens verden - Loladze taler om dette med et grin i sit arbejde. Da artiklen endelig blev offentliggjort i 2014, inkluderede Loladze en liste over alle finansieringsafvisninger i appen.