Ökningen av koldioxid leder till mat av dålig kvalitet på jorden

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

En artikel om verken av en georgisk forskare som, efter att ha anlänt till USA, förutom matematik, tog upp biologi. Han började observera förändringar i växtlivet beroende på kvaliteten på luft och ljus. Slutsatsen var ekologisk: tillväxten av koldioxid i atmosfären accelererar tillväxten av växter, men berövar dem ämnen som är användbara för människor.

Irakli Loladze är matematiker till sin utbildning, men det var i det biologiska laboratoriet som han stod inför en gåta som förändrade hela hans liv. Detta hände 1998, när Loladze tog sin doktorsexamen från University of Arizona. När en biolog stod vid glasbehållare som lyser av ljusgröna alger, berättade en biolog för Loladze och ett halvdussin andra doktorander att forskare hade upptäckt något mystiskt om djurplankton.

Zooplankton är mikroskopiska djur som simmar i världens hav och sjöar. De livnär sig på alger, som i huvudsak är små växter. Forskare har funnit att genom att öka ljusflödet är det möjligt att påskynda tillväxten av alger och därigenom öka tillgången på matresurser för djurplankton och ha en positiv effekt på dess utveckling. Men forskarnas förhoppningar gick inte i uppfyllelse. När forskarna började täcka fler alger, accelererade deras tillväxt verkligen. Små djur har mycket mat, men paradoxalt nog var de vid någon tidpunkt på gränsen till överlevnad. Ökningen av matmängden borde ha lett till en förbättring av livskvaliteten för djurplanktonet och visade sig i slutändan vara ett problem. Hur kunde detta hända?

Trots det faktum att Loladze formellt studerade vid matematiska fakulteten, älskade han fortfarande biologi och kunde inte sluta tänka på resultaten av sin forskning. Biologerna hade en grov uppfattning om vad som hände. Mer ljus fick algerna att växa snabbare, men minskade i slutändan de näringsämnen som behövdes för djurplankton att föröka sig. Genom att påskynda tillväxten av alger förvandlade forskarna dem i huvudsak till snabbmat. Djurplanktonet fick mer mat, men det blev mindre näringsrikt, och därför började djuren svälta.

Loladze använde sin matematiska bakgrund för att mäta och förklara dynamiken som skildrar djurplanktons beroende av alger. Tillsammans med kollegor utvecklade han en modell som visade sambandet mellan en matkälla och ett djur som är beroende av den. De publicerade sin första vetenskapliga artikel om detta ämne år 2000. Men bortsett från detta var Loladzes uppmärksamhet fäst vid experimentets viktigare fråga: hur långt kan detta problem gå?

"Jag var förvånad över hur utbredda resultaten var," påminde Loladze i en intervju. Kan gräs och kor drabbas av samma problem? Hur är det med ris och människor? "Ögonblicket när jag började tänka på mänsklig näring var en vändpunkt för mig," sa forskaren.

I världen bortom havet är problemet inte att växter plötsligt får mer ljus: de har förbrukat mer koldioxid i flera år. Båda är nödvändiga för att växter ska växa. Och om mer ljus leder till snabbväxande men mindre näringsrika "snabbmat"-alger med dåligt balanserade socker-till-näringsämne-förhållanden, då vore det logiskt att anta att ökande koldioxidkoncentration skulle kunna ha samma effekt. Och det kan påverka växter över hela planeten. Vad betyder detta för växterna vi äter?

Vetenskapen visste helt enkelt inte vad Loladze upptäckte. Ja, det faktum att halten av koldioxid i atmosfären ökade var redan välkänt, men forskaren slogs av hur lite forskning som har ägnats åt effekten av detta fenomen på ätbara växter. Under de kommande 17 åren, fortsatte han sin matematiska karriär, studerade han noggrant den vetenskapliga litteraturen och data som han kunde hitta. Och resultaten verkade peka i en riktning: Effekten av snabbmaten han lärde sig om i Arizona visade sig på fält och skogar runt om i världen. "När CO₂-nivåerna fortsätter att stiga, producerar varje löv och grässtrå på jorden mer och mer socker," förklarade Loladze. "Vi har sett den största injektionen av kolhydrater i biosfären i historien - en injektion som späder ut andra näringsämnen i våra matresurser."

Forskaren publicerade uppgifterna han samlade in för bara några år sedan, och det väckte snabbt uppmärksamheten från en liten men ganska oroad grupp forskare som tar upp oroande frågor om framtiden för vår näring. Kan koldioxid ha en effekt på människors hälsa som vi ännu inte har studerat? Det verkar som att svaret är ja, och på jakt efter bevis var Loladze och andra forskare tvungna att ställa de mest angelägna vetenskapliga frågorna, inklusive följande: "Hur svårt är det att bedriva forskning inom ett område som ännu inte existerar?"

Inom jordbruksforskningen är nyheten att många viktiga livsmedel blir mindre näringsrika inte ny. Mätningar av frukt och grönsaker visar att innehållet av mineraler, vitaminer och protein i dem har minskat markant under de senaste 50-70 åren. Forskare tror att huvudorsaken är ganska enkel: när vi odlar och väljer grödor är vår högsta prioritet högre avkastning, inte näringsvärde, medan sorter som ger mer avkastning (vare sig det är broccoli, tomater eller vete) är mindre näringsrika. …

2004 fann en grundlig studie av frukt och grönsaker att allt från protein och kalcium till järn och C-vitamin hade minskat avsevärt i de flesta trädgårdsgrödor sedan 1950. Författarna drog slutsatsen att detta främst beror på valet av sorter för vidare förädling.

Loladze, i sällskap med flera andra forskare, misstänker att detta inte är slutet, och att kanske atmosfären i sig förändrar vår mat. Växter behöver koldioxid på samma sätt som människor behöver syre. Nivån av CO₂ i atmosfären fortsätter att stiga - i en alltmer polariserad debatt om klimatvetenskap faller det aldrig någon in att ifrågasätta detta faktum. Före den industriella revolutionen var koncentrationen av koldioxid i jordens atmosfär cirka 280 ppm (delar per miljon, en miljondel är en måttenhet för eventuella relativa värden, lika med 1 · 10-6 av basindikatorn - red.). Förra året nådde detta värde 400 ppm. Forskare förutspår att vi under nästa halvsekel troligen kommer att nå 550 ppm, vilket är dubbelt så mycket som det var i luften när amerikanerna först började använda traktorer i jordbruket.

För dem med en passion för växtförädling kan denna dynamik verka positiv. Dessutom var det så här politiker brukade gömma sig bakom och motiverade sin likgiltighet inför konsekvenserna av klimatförändringarna. Republikanen Lamar Smith, ordförande för US House Science Committee, argumenterade nyligen för att folk inte borde vara så oroliga över stigande koldioxidnivåer. Enligt honom är det bra för växterna, och det som är bra för växterna är bra för oss.

"En högre koncentration av koldioxid i vår atmosfär kommer att främja fotosyntes, vilket i sin tur kommer att leda till en ökning av växternas tillväxthastighet", skrev en republikan från Texas. "Matprodukter kommer att produceras i större volymer och deras kvalitet kommer att bli bättre."

Men som djurplanktonexperimentet har visat går mer volym och bättre kvalitet inte alltid hand i hand. Tvärtom kan ett omvänt förhållande etableras mellan dem. Så här förklarar de bästa forskarna detta fenomen: den ökande koncentrationen av koldioxid påskyndar fotosyntesen, en process som hjälper växter att omvandla solljus till mat. Som ett resultat accelererar deras tillväxt, men samtidigt börjar de också ta upp mer kolhydrater (som glukos) på bekostnad av andra näringsämnen vi behöver, som protein, järn och zink.

2002, medan han fortsatte sina studier vid Princeton University efter att ha försvarat sin doktorsavhandling, publicerade Loladze en gedigen forskningsartikel i den ledande tidskriften Trends in Ecology and Evolution, som hävdade att ökande koldioxidnivåer och mänsklig näring är oupplösligt kopplade till globala förändringar i växter. kvalitet. I artikeln klagade Loladze över bristen på data: bland tusentals publikationer om växter och stigande koldioxidhalter hittade han bara en som fokuserade på effekten av gas på näringsbalansen i ris, en gröda som miljarder människor litar på. skörda. (En artikel publicerad 1997 handlar om minskningen av zink- och järnhalterna i ris.)

I sin artikel var Loladze den första som visade effekten av koldioxid på växternas kvalitet och mänsklig näring. Men forskaren ställde fler frågor än han hittade svar, och hävdade med rätta att det fortfarande finns många luckor i studien. Om förändringar i näringsvärde sker på alla nivåer i näringskedjan behöver de studeras och mätas.

En del av problemet, visar det sig, låg i själva forskningsvärlden. För att få svar krävde Loladze kunskaper inom agronom, näringslära och växtfysiologi, noggrant smaksatt med matematik. Den sista delen kunde hanteras, men vid den tiden började han precis sin vetenskapliga karriär, och matematiska institutionerna var inte särskilt intresserade av att lösa problem med jordbruk och människors hälsa. Loladze kämpade för att säkra finansieringen för ny forskning och fortsatte samtidigt att maniskt samla in all möjlig data som redan publicerats av forskare från hela världen. Han gick till den centrala delen av landet, till University of Nebraska-Lincoln, där han erbjöds tjänsten som assistent vid institutionen. Universitetet var aktivt engagerat i forskning inom jordbruksområdet, vilket gav goda möjligheter, men Loladze var bara en lärare i matematik. Som det förklarades för honom kan han fortsätta att bedriva sin forskning, om han själv finansierar dem. Men han fortsatte att kämpa. Vid bidragsfördelningen vid Biologiska institutionen fick han avslag på grund av att hans ansökan uppmärksammar matematik för mycket, och på Matematiska institutionen – på grund av biologi.

"År efter år fick jag avslag efter avslag", minns Loladze. – Jag var desperat. Jag tror inte att folk förstod vikten av forskning."

Denna fråga lämnades utanför styrelsen inte bara inom matematik och biologi. Att säga att minskningen av näringsvärdet för stapelgrödor på grund av en ökning av koncentrationen av koldioxid är lite studerad är en underdrift. Detta fenomen diskuteras helt enkelt inte inom jordbruk, hälsa och kost. Alls.

När våra reportrar kontaktade näringsexperter för att diskutera ämnet för studien blev nästan alla extremt förvånade och frågade var de kan hitta uppgifterna. En ledande forskare från Johns Hopkins University svarade att frågan var ganska intressant, men medgav att han inte visste något om den. Han hänvisade mig till en annan specialist som också hörde talas om det för första gången. Academy of Nutrition and Dietetics, en sammanslutning av ett stort antal näringsexperter, hjälpte mig att få kontakt med nutritionisten Robin Forutan, som inte heller var bekant med studien.

"Det är verkligen intressant, och du har rätt, få människor vet," skrev Forutan efter att ha läst några tidningar om ämnet. Hon tillade också att hon skulle vilja utforska frågan djupare. I synnerhet är hon intresserad av hur även en liten ökning av mängden kolhydrater i växter kan påverka människors hälsa.

"Vi vet inte vad en liten förändring av kolhydratinnehållet i maten kan sluta med", sa Forutan och noterade att den övergripande trenden mot mer stärkelse och högre kolhydratintag verkar ha något att göra med den ökade förekomsten av sjukdomar. relaterade såsom fetma och diabetes. – I vilken utsträckning kan förändringar i näringskedjan påverka detta? Vi kan inte säga säkert ännu”.

Vi bad en av de mest kända experterna inom detta område att kommentera detta fenomen - Marion Nesl, professor vid New York University. Nesl sysslar med frågor om matkultur och hälsovård. Till en början var hon ganska skeptisk till allt, men lovade att i detalj studera tillgänglig information om klimatförändringar, varefter hon tog en annan ståndpunkt. "Du övertygade mig", skrev hon och uttryckte också oro. – Det är inte helt klart om minskningen av näringsvärdet i livsmedel som orsakas av en ökning av koncentrationen av koldioxid kan påverka människors hälsa avsevärt. Vi behöver mycket mer data."

Christy Eby, forskare vid University of Washington, studerar sambandet mellan klimatförändringar och människors hälsa. Hon är en av få forskare i USA som är intresserad av eventuella allvarliga konsekvenser av att ändra mängden koldioxid, och hon nämner detta i varje tal.

Det finns för många okända, är Ebi övertygad. "Till exempel, hur vet du att bröd inte längre innehåller de mikronäringsämnen som fanns i det för 20 år sedan?"

Kopplingen mellan koldioxid och näring blev inte direkt uppenbar för forskarvärlden, säger Ebi, just för att det tog lång tid för dem att seriöst överväga samspelet mellan klimat och människors hälsa i allmänhet. "Så här brukar det se ut", säger Eby, "på tröskeln till förändring."

I Loladzes tidiga arbete ställdes allvarliga frågor som det är svårt, men ganska realistiskt, att hitta svar på. Hur påverkar en ökning av CO₂-koncentrationen i atmosfären växternas tillväxt? Hur stor är andelen koldioxids effekt på matens näringsvärdesfall i förhållande till andelen andra faktorer, till exempel växtförhållanden?

Att köra ett gårdsomfattande experiment för att ta reda på hur koldioxid påverkar växter är också en svår men genomförbar uppgift. Forskare använder en metod som gör fältet till ett riktigt laboratorium. Ett idealiskt exempel idag är experimentet med anrikning av koldioxid i fri luft (FACE). Under detta experiment skapar forskare utomhus storskaliga anordningar som sprutar koldioxid på växter i ett specifikt område. Små sensorer övervakar CO₂-nivån. När för mycket koldioxid lämnar fältet sprayar en speciell anordning en ny dos för att hålla nivån konstant. Forskare kan sedan direkt jämföra dessa växter med de som odlas under normala förhållanden.

Liknande experiment har visat att växter som växer under förhållanden med ökad koldioxidhalt genomgår betydande förändringar. Så i C3-gruppen av växter, som omfattar nästan 95% av jordens växter, inklusive de som vi äter (vete, ris, korn och potatis), var det en minskning av mängden viktiga mineraler - kalcium, natrium, zink och järn. Enligt prognoser för växters reaktion på förändringar i koncentrationen av koldioxid kommer mängden av dessa mineraler inom en snar framtid att minska med i genomsnitt 8%. Samma data indikerar också en minskning, ibland ganska betydande, av proteinhalten i C3-grödor - i vete och ris med 6% respektive 8%.

Under sommaren i år publicerade en grupp forskare det första arbetet där försök gjordes att bedöma effekterna av dessa förändringar på jordens befolkning. Växter är en viktig proteinkälla för människor i utvecklingsländerna. Forskare uppskattar att 150 miljoner människor löper risk för proteinbrist år 2050, särskilt i länder som Indien och Bangladesh. Forskare har också funnit att 138 miljoner kommer att vara i riskzonen på grund av en minskning av mängden zink, som är avgörande för mödrar och barns hälsa. De uppskattar att mer än 1 miljard mödrar och 354 miljoner barn bor i länder som förutspås minska mängden järn i maten, vilket skulle kunna förvärra den redan allvarliga risken för utbredd anemi.

Sådana prognoser har ännu inte gällt USA, där kosten för de flesta av befolkningen är mångsidig och innehåller tillräckligt med protein. Forskare noterar dock en ökning av mängden socker i växter och fruktar att om denna takt fortsätter, kommer det att bli ännu fler överviktiga och kardiovaskulära problem.

USDA ger också betydande bidrag till forskning om förhållandet mellan koldioxid och växtnäring. Lewis Ziska, en växtfysiolog vid Agricultural Research Service i Beltsville, Maryland, har skrivit ett antal näringsuppsatser som utvecklar några av de frågor som Loladze ställde för 15 år sedan.

Ziska tänkte ut ett enklare experiment som inte krävde odling av växter. Han bestämde sig för att studera binas näring.

Guldris är en vild blomma som av många anses vara ogräs, men viktig för bin. Den blommar på sensommaren och dess pollen är en viktig proteinkälla för dessa insekter under den hårda vintern. Människor har aldrig speciellt odlat guldris eller skapat nya sorter, så med tiden har det inte förändrats mycket, till skillnad från majs eller vete. Hundratals exemplar av guldris lagras i Smithsonian Institutions enorma arkiv, det tidigaste som går tillbaka till 1842. Detta gjorde att Ziska och hans kollegor kunde spåra hur anläggningen har förändrats sedan dess.

Forskarna fann att sedan den industriella revolutionen har proteinhalten i guldrispollen sjunkit med en tredjedel, och denna minskning är nära relaterad till ökningen av koldioxid. Forskare har länge försökt ta reda på orsakerna till nedgången i populationer av bin runt om i världen - detta kan ha en dålig effekt på de grödor som de behövs för att pollinera. I sitt arbete föreslog Ziska att minskningen av protein i pollen före vintern kan vara ytterligare en anledning till att bin har svårt att överleva på vintern.

Forskaren oroar sig för att effekterna av koldioxid på växter inte studeras i tillräcklig takt, med tanke på att förändrade jordbruksmetoder kan ta lång tid. "Vi har ännu inte möjlighet att ingripa och börja använda traditionella metoder för att fixa situationen", sa Ziska. "Det kommer att ta 15-20 år för resultaten av laboratorietester att omsättas i praktiken"

Som Loladze och hans kollegor har upptäckt kan nya övergripande, tvärgående frågor vara ganska komplexa. Det finns många växtfysiologer runt om i världen som studerar grödor, men de fokuserar mest på faktorer som skörd och skadedjursbekämpning. Det har inget med näring att göra. Enligt Loladzes erfarenhet är de matematiska institutionerna inte särskilt intresserade av livsmedelsprodukter som forskningsobjekt. Och studiet av levande växter är en lång och dyr verksamhet: det kommer att ta flera år och seriös finansiering att få tillräckligt med data under FACE-experimentet.

Trots svårigheterna är forskare allt mer intresserade av dessa frågor, och under de närmaste åren kanske de kan hitta svar på dem. Ziska och Loladze, som undervisar i matematik vid Brian's College of Health Sciences i Lincoln, Nebraska, arbetar tillsammans med ett team av forskare från Kina, Japan, Australien och USA på en större studie om effekterna av koldioxid på näringsegenskaperna hos ris, en av de viktigaste grödorna. Dessutom studerar de förändringen i mängden vitaminer, viktiga livsmedelskomponenter, som hittills praktiskt taget inte har gjorts.

Nyligen genomförde USDA-forskare ett annat experiment. För att ta reda på hur högre CO₂-nivåer påverkar grödor tog de prover på ris, vete och sojabönor från 1950- och 1960-talen och planterade dem i områden där andra forskare hade odlat samma sorter för många år sedan.

På USDA:s forskningsfält i Maryland experimenterar forskare med paprika. De vill avgöra hur mängden C-vitamin förändras med en ökad koncentration av koldioxid. De studerar även kaffe för att se om mängden koffein minskar. "Det finns fortfarande många frågor," sa Ziska när han visade forskningsanläggningen i Beltsville. "Detta är bara början."

Lewis Ziska är en del av en liten grupp forskare som försöker utvärdera förändringar och ta reda på hur de kommer att påverka människor. En annan nyckelperson i denna berättelse är Samuel Myers, en klimatolog vid Harvard University. Myers står i spetsen för Planetary Health Alliance. Organisationens mål är att återintegrera klimatologi och hälsovård. Myers är övertygad om att forskarsamhället inte uppmärksammar förhållandet mellan koldioxid och näring tillräckligt, vilket bara är en del av en mycket större bild av hur dessa förändringar kan påverka ekosystemet. "Detta är bara toppen av isberget," sa Myers. "Vi hade svårt att få folk att förstå hur många frågor de borde ha."

År 2014 publicerade Myers och ett team av forskare en stor studie i tidskriften Nature som tittade på nyckelgrödor som odlats på flera platser i Japan, Australien och USA. I deras sammansättning observerades en minskning av mängden protein, järn och zink på grund av en ökning av koncentrationen av koldioxid. För första gången har publikationen rönt rejäl uppmärksamhet i media.

”Det är svårt att förutse hur den globala klimatförändringen kommer att påverka människors hälsa, men vi är redo för det oväntade. En av dem är sambandet mellan en ökning av koncentrationen av koldioxid i atmosfären och en minskning av näringsvärdet för C3-grödor. Nu vet vi om det och kan förutse vidare utveckling, skriver forskarna.

Samma år, faktiskt, samma dag, publicerade Loladze, som då undervisade i matematik vid katolska universitetet i Daegu i Sydkorea, sin egen artikel – med data som han hade samlat in i över 15 år. Detta är den största studien någonsin av ökad CO₂-koncentration och dess effekt på växtnäring. Loladze brukar beskriva växtvetenskap som "bullrig" - som i vetenskaplig jargong kallar forskare ett område fullt av komplexa disparata data som verkar "göra oväsen", och genom detta "brus" är det omöjligt att höra signalen du letar efter. Hans nya datalager var äntligen tillräckligt stort för att känna igen den önskade signalen genom bruset och upptäcka det "dolda skiftet", som vetenskapsmannen kallade det.

Loladze fann att hans teori från 2002, eller snarare den starka misstanke han uttryckte vid den tiden, visade sig vara sann. Studien involverade nästan 130 sorter av växter och mer än 15 000 prover som erhållits i experiment under de senaste 30 åren. Den totala koncentrationen av mineraler som kalcium, magnesium, natrium, zink och järn sjönk med i genomsnitt 8%. Mängden kolhydrater i förhållande till mängden mineraler ökade. Växter, liksom alger, blev snabbmat.

Det återstår att se hur denna upptäckt kommer att påverka människor, vars huvudsakliga diet är växter. Forskare som dyker in i detta ämne kommer att behöva övervinna olika hinder: forskningens långsamma takt och oklarhet, politikens värld, där ordet "klimat" räcker för att stoppa allt tal om finansiering. Det kommer att bli nödvändigt att bygga helt nya "broar" i vetenskapens värld - Loladze talar om detta med ett flin i sitt arbete. När artikeln slutligen publicerades 2014 inkluderade Loladze en lista över alla finansieringsförslag i appen.