Читать книгу От пробирки до кастрюли: Как ученые разрабатывают продукты, которые мы едим каждый день - Группа авторов - Страница 10

Кроме создания новых суперсортов овощей или злаков биотехнология в растениеводстве делает много чего полезного. Ученые постоянно придумывают, как изменить индустрию, чтобы она не только могла накормить растущее население Земли, но и меньше влияла на биосферу, то есть становилась более устойчивой. Они действуют заблаговременно, разрабатывая стратегию развития, которая могла бы позволить производителям с уверенностью смотреть в завтрашний день. Одни проекты нацелены на упразднение опасных для природы химикатов, другие – на сохранение биоразнообразия, помощь насекомым или почвенным микроорганизмам.

Так чем же заняты в своих лабораториях биологи, посвятившие жизнь выращиванию растений?

Создают биоудобрения и биологические средства защиты урожая

Ежегодно в мире используется более 3,5 млн т пестицидов[38]. Инсектициды, гербициды и фунгициды – любимое оружие садоводов против насекомых, сорняков, вредных грибков и бактерий. Они защищают сельскохозяйственные культуры от вредителей и болезней, повышают эффективность сельского хозяйства и тем самым заметно снижают стоимость продуктов.

Поскольку использовать агрохимикаты крайне выгодно, они применяются повсеместно. Однако у такого способа ведения сельского хозяйства есть и оборотная сторона: экономика впадает в настоящую зависимость от пестицидов. Аппетиты человечества все время растут, значит, и химикатов аграриям нужно все больше. Кроме того, фермеры вынуждены все время повышать концентрации веществ либо переходить на новые препараты из-за адаптации вредителей и фитопатогенов к старым ядам[39].

При этом ни для кого не секрет, что пестициды несут не только пользу, но и вред. Негативные последствия их использования стали очевидны после широкого распространения препаратов второго поколения, таких как ДДТ, органофосфаты и пиретроиды. Доказано, что современные пестициды вредят насекомым-опылителям (к чему мы еще вернемся) и животным, разрушительно воздействуют на экосистемы, а у людей, если нарушены правила работы с ними, становятся причиной отравлений и всевозможных заболеваний, включая хронические[40].

Большая проблема, связанная с пестицидами, кроется в их способности мигрировать в природе и накапливаться там, где мы меньше всего ожидаем. Те из них, что устойчивы к разложению, включаются в самые разные миграционные цепи и перемещаются в пространстве с воздушными и водными потоками или с помощью животных. Липофильные вещества легко проникают в живые организмы и накапливаются в жировых тканях. Именно поэтому пестициды находят не только в овощах и фруктах, но также в мясе или в молоке.

Двигаясь по пищевым цепям, химикаты от маленьких животных переходят к более крупным хищникам. Например, от рыбы к тюленям, а затем – к белым медведям. У птиц пестициды истончают яичную скорлупу и повреждают эмбрионы. Американский биолог и борец за безопасность окружающей среды Рейчел Карсон в 1962 г. выпустила книгу-бестселлер «Безмолвная весна», где уделялось большое внимание уменьшению популяций пернатых из-за бесконтрольного применения инсектицида ДДТ. Ее труд заложил основу общественного движения, которое в конце концов добилось запрета на продажу этого химиката в США.

Понимая необходимость ухода от пестицидов, ученые пытаются разработать новую систему землепользования, которая смогла бы обеспечить людям достаточные урожаи без обращения к химическим средствам защиты растений. Очевидно, что в рамках такой системы на смену агрохимикатам должна прийти экологичная альтернатива, с ролью которой вполне могут справиться биологические препараты на основе микроорганизмов. Пока они занимают лишь небольшую долю на рынке, но их продажи год от года растут, так как тренд на натуральность пищевых продуктов не теряет силы. И если раньше их эффективность была мало исследована, сейчас она уже не вызывает сомнений.

То, что некоторые микробы синтезируют вещества с фунгицидным, антибактериальным или инсектицидным действием, известно уже давно. А одним из первых, кто придумал, как применить это знание, был российский биолог Илья Ильич Мечников. Работая в Одесском университете в 1879 г., он занимался разработкой бактериальных препаратов против вредителей зерновых: грызунов и хлебного жука. Тогда это было смелым новаторством, сейчас же на рынке можно найти биозащиту на любой вкус:

● противомикробные и противогрибковые смеси (в их основе часто можно встретить грибы рода Trichoderma и бактерии родов Pseudomonas и Bacillus, а еще бактериофаги[41]);

● инсектициды (с насекомыми прекрасно борются почвенные бактерии Bacillus thuringiensis, аскомицеты Lecanicillium lecanii, грибы родов Beauveria и Metarhizium, а также разнообразные вирусы – их получают, перерабатывая зараженных насекомых);

● гербициды (грибы Myrothecium verrucaria, Phoma macrostoma, Streptomyces acidiscabies помогают уничтожать сорняки).

Их эффективность не так высока, как у химических ядов. Зато они не вредят окружающей среде.

Главный ингредиент всех сельскохозяйственных биопрепаратов этого сегмента – живые культуры микроорганизмов. Чтобы приготовить биологическую замену пестициду, ученые выбирают подходящие штаммы, выращивают их на питательной среде, готовят из живых микробных клеток концентрат, пасту или порошок – и можно проводить обработку. Большой плюс биофунгицидов и биоинсектицидов в их высокой селективности. Они действуют на узкий спектр болезней или насекомых, и внесение их в биосферу не нарушает природного баланса микроорганизмов, а устойчивость к биопрепаратам у вредителей формируется крайне редко.

Новое направление в области создания биопестицидов – пептидные технологии. В этом случае в лаборатории сперва культивируют микробные штаммы, а потом выделяют из них белки, подавляющие рост фитопатогенов.

Помимо пестицидов у поборников чистого сельского хозяйства есть еще один заклятый враг – минеральные удобрения. Да-да, они, как и пестициды, не приносят окружающей среде никакой пользы. Помогая растениям в моменте, при длительном использовании химически синтезированные препараты разрушают почвенный микробиом и обедняют землю. Из-за активной минерализации в почве перестает накапливаться гумус, который удерживает в ней полезные микроэлементы (кальций, магний, цинк, медь), а кислотность земли все время увеличивается. Из-за минеральных удобрений страдают и подземные животные: черви, личинки насекомых и т. д. Для здоровья человека азотные удобрения опасны только при бесконтрольном расходовании. Если перекормить ими культуру, она накопит в себе азот в виде нитратов, которые при чрезмерном употреблении могут вызвать гипоксию тканей[42].

Минеральные удобрения плохи еще и тем, что дождь быстро вымывает их из обработанного грунта. Азот и фосфор из удобрений попадают в грунтовые воды, а затем – в водоемы. Вода там превращается в питательный бульон, и в ней начинают усиленно расти водоросли, которые выделяют метан и поглощают кислород. Рыбе в таких условиях становится нечем дышать, она чаще болеет, меньше живет, и численность многих видов снижается[43]. Иногда и сами водоросли травят подводную фауну. «Красный прилив» во Флориде (так называют цветение воды, когда разрастание фитопланктона видно по изменению цвета моря) в 2018 г. длился 11 месяцев и привел к смерти сотен морских черепах и ламантинов. Причиной стали микроскопические Karenia brevis, синтезирующие опасный для животных бреветоксин. Массовая гибель рыб из-за разрастания микроводорослей не раз регистрировалась в Китае или на Аляске, а в 2020 г. настоящая экологическая катастрофа произошла на Камчатке. Загрязненными там оказались более 350 км побережья, а всплеск роста других динофитовых водорослей, Karenia selliformis, привел к гибели тысяч морских обитателей. Люди находили на берегу множество трупов нерп, крабов, осьминогов и моллюсков. Пострадали также несколько десятков серферов и дайверов: они получили ожоги глаз и жаловались на плохое самочувствие, рвоту, сыпь, судороги и кашель[44].

Заменить минеральные удобрения можно либо органическими подкормками, например навозом, либо биоудобрениями, которые, как и биопестициды, состоят из микробов. У навоза при этом есть свои недостатки: он закисляет грунт и часто содержит множество возбудителей заболеваний, включая туберкулезную палочку и сальмонеллу, а при обильных прикорневых подкормках может «сжечь» посадки, так как при перепревании навоз сильно нагревается. Микробные удобрения в этом плане более безопасны, так как их состав заранее известен: в них содержатся полезные микробы из почвы, которые помогают растениям питаться и повышают их защитные функции.

Именно тесной связью растений с почвенными микроорганизмами объясняется эффективность бактериальных или грибковых удобрений. Эта дружба формировалась на протяжении миллионов лет эволюции и в жизни растений играет очень большую роль. В зависимости от того, с какими микробами растения вступают в симбиоз, могут меняться и эффективность извлечения ими питательных веществ из почвы, и уровень синтеза растительными клетками различных соединений. Одним словом, бактерии и грибы вступают во взаимоотношения с растениями так же, как в контакт с нами вступают микроорганизмы, обитающие на поверхности и внутри нашего собственного тела. В какой-то степени почва – «кишечник» нашей планеты, и его здоровье важно поддерживать. Для этой цели и нужны биоудобрения[45].

Однако для производства действенных микробных препаратов сперва следует определить, какие именно микробы послужат возделываемым растениям хорошими соседями, а сделать это не так просто. Сегодня ученым удается культивировать в лаборатории лишь около 5% всех присутствующих в земле бактерий, остальные просто не растут на искусственной питательной среде. Это значит, что многие почвенные микробы нам до сих пор неизвестны, а их функции не раскрыты (исправить упущение помогают современные методы расшифровки ДНК – искать микроорганизмы в пробах почвы можно, глядя на геномы, которые там обнаружились, но, чтобы сделать удобрение, микроб все равно нужно культивировать)[46]. С другой стороны, некоторые виды микроорганизмов из уже изученных проявляют себя как вполне эффективные средства для поддержания растительного иммунитета. Симбиотические микоризные грибы и бактерии неплохо помогают растениям справляться с самыми разными стрессовыми условиями, начиная с засухи и заканчивая агрессивным составом почв и вредными насекомыми.

Попадая в землю, они начинают эффективно разрушать органику – остатки корней, листьев и веток – и превращать ее в гумус, из которого минеральные вещества легко усваиваются растениями. Формирующийся с их помощью микробиом со временем повышает пористость грунта и улучшает общее здоровье всех растений, находящихся поблизости (рис. 9).

Современный процесс производства биоудобрений мало чем отличается от изготовления биопестицидов. Выбранные штаммы почвенных организмов выращивают, а затем концентрируют, получая жидкости, гели или гранулы с живыми бактериями или грибами в составе. Иногда биологи идут дальше и меняют геном почвенных бактерий, чтобы заставить их выделять больше полезных веществ[47]. Но с природными штаммами работают все же гораздо чаще.

Рис. 9. Биоудобрения на базе микоризных грибов и других микроорганизмов способствуют лучшему снабжению и усвоению растениями питательных веществ, защищают растения от патогенов, повышают их устойчивость к стрессу

В зависимости от состава биоудобрения могут выполнять различные функции:

● захватывать из атмосферы азот и снабжать им растения (к азотфиксаторам относятся штаммы клубеньковых, обитающих прямо в клетках корней, и свободных бактерий родов Rhizobium, Azospirillum и Azotobacter[48]);

● высвобождать фосфор из грунта (популярные фосфат-мобилизаторы – бактерии Bacillus megaterium[49]);

● переводить калий из алюмосиликатов в доступную для растений форму (это работа для «силикатных» бактерий родов Bacillus и Paenibacillus[50]);

● доставлять растениям ионы железа (некоторые бактерии и грибки, например Phyllobacterium endophyticum PEPV15 из клубеньков, выделяют специальные вещества – сидерофоры, снабжающие растения трехвалентным железом[51]);

● образовывать с растениями симбиотические связи, снабжая полезными метаболитами (микоризные грибы[52] или зигомицеты, а также бактерии, синтезирующие фитогормоны, – Azospirillum, Methylobacterium symbioticum, Bacillus и многие другие[53]);

● защищать растения при стрессе, стимулируя их рост (бактерии Pseudomonas помогают растениям выживать на засоленных почвах[54]);

● ускорять разложение соломы, пожнивных и органических остатков (микроводоросли Chlorella и различные комплексные биодеструкторы[55]).

И это только те свойства микробов, которые уже активно используются в растениеводстве. Трудно сказать, какие еще инструменты окажутся у нас в руках, когда ученые откроют хотя бы половину всех тайн, что скрывают от нас почвенные микробиомы.

Способствуют развитию рынка органических продуктов

Популяризация концепции органического земледелия, которое предполагает производство продуктов питания с «чистой» этикеткой, рождает не только биологические удобрения и безопасные микробные пестициды. Она также помогает продвигать щадящие методы работы с растениями и одновременно с этим приводит к усилению контроля за использованием вредной агрохимии.

Один из самых известных проектов, поддерживающих направление органики, – система IPM, Integrated Pest Management. Ее суть заключается в комплексном подходе, цель которого – снижение расхода ядохимикатов на полях.

На фермах, где применяют подходы IPM:

● соблюдают правила севооборота;

● высаживают рядом растения-компаньоны, которые в тандеме лучше противостоят вредителям (например, укроп часто сажают вместе с крестоцветными – он помогает бороться с капустным червем; фасоль отлично совместима с кукурузой – кукурузные стебли дают ей опору, чтобы виться, а фасоль обогащает почву азотом, стимулируя рост кукурузы);

● мульчируют почву, чтобы сохранить ее влагу и уменьшить количество сорняков;

● отдают предпочтение районированным сортам, приспособленным к местному климату.

Кроме того, в борьбе за высокий урожай IPM предлагает собирать вредителей с растений вручную (прямо как мы собирали колорадского жука с картофеля в бабушкином огороде), применять укрывной материал, вовремя удалять больные и отмершие части растений, поддерживать численность естественных хищников (божьи коровки, как известно, поедают тлю), а в качестве удобрений использовать органику (компост, навоз, растительный настой) и разнообразные микробные подкормки[56]. В IPM востребованы и принципы пермакультуры, направленные на стабилизацию естественных экосистем и водного баланса в природе, благодаря чему агросистема поддерживает себя сама, не истощаясь со временем.

Ничего нового, всем этим методам учат в аграрных вузах десятилетиями. Но старый не значит бесполезный. В 2015 г. учеными Великобритании был опубликован метаанализ, данные для которого собирались на 85 полевых участках в 24 странах Азии и Африки. На всех изучаемых полях, где фермеры использовали методы IPM, объемы применяемых пестицидов снизились, а урожай вырос. В некоторых хозяйствах от пестицидов отказались совсем[57].

Для продвижения IPM Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН в 1989 г. основала «фермерские полевые школы» – (Farmer Field Schools)[58]. Они работали в Индонезии, и в них фермеры учились новым для себя эффективным способам выращивания риса. Позднее такое обучение практиковалось и в других странах: Бангладеш, Камбодже, Индии, Индонезии, Малайзии, Таиланде. В течение 15 лет с 1989 по 2004 г. на работу фермерских школ в Азии было выделено порядка $100 млн[59]. К сегодняшнему дню обучение в них прошли более 2 млн человек. Благодаря этой инициативе удалось убедить многих фермеров отказаться от привычных производственных процессов ради более экологичных и безопасных. В Европе программы IPM с середины 1950-х гг. реализуются с участием Международной организации по биологическому контролю. Европейская комиссия активно стимулирует фермерские хозяйства на территории ЕС к тому, чтобы снижать потребление пестицидов, это отражается в принятии соответствующих директив, таких как Директива 2009/128/EC. Вероятно, со временем правительства стран ЕС создадут условия для внедрения принципов IPM во всех европейских регионах.

В России приверженцев органического растениеводства объединяет Союз органического земледелия. На сайте этого проекта можно найти самую разную информацию о том, как экологично вести хозяйство, будь то приусадебный участок или крупное производство. Кроме того, в нашей стране работает Центр пермакультуры Зеппа Хольцера, где можно пройти обучение по методу одного из самых известных пропагандистов этой концепции.

Во всем мире органика как рынок со временем обретает все более устойчивую основу. И, что немаловажно, продукты этого сектора из года в год все лучше контролируются. Благодаря этому покупка органических овощей перестала быть актом доверия. Чтобы обрести право именовать свою продукцию «органикой», фермеры во многих странах, включая Россию, обязаны проходить сертификацию: сдавать образцы почв и вегетирующих растений в специальные лаборатории и подтверждать отсутствие в них запрещенных соединений. А в качестве удобрений и средств защиты натуральные хозяйства могут использовать только те препараты, которые сами имеют органический статус.

Самые продвинутые в этой области – США и ЕС. В Соединенных Штатах еще в 1990 г. был принят Акт об органическом производстве пищевых продуктов, а в Европе действуют Общеевропейское соглашение по органическому производству сельскохозяйственной продукции и директивы по органическому производству – № 834 и № 889[60]. Сертифицированные там органик-производители могут помещать на своих товарах специальные значки в зависимости от того, проверки по какой системе они проходили (рис. 10).

Рис. 10. Самые распространенные программы органик-сертификации в мире: а – «Евролист», знак Европейской системы сертификации органической продукции, обязателен для всех биопродуктов, продаваемых на территории ЕС; б – национальный знак Германии «Печать Био»; в – знак USDA Organic, национальный стандарт, разработанный Министерством сельского хозяйства США; г – маркировка системы органической сертификации Японии JAS

Российский рынок органики до недавнего времени развивался стихийно. Закон «Об органической продукции» вступил в силу в нашей стране только в 2020 г. До этого сертификация требовалась лишь тем, кто хотел торговать за рубежом. Сейчас и для внутреннего рынка нужно проходить отдельную сертификацию, подобную международной. Она ведется согласно ГОСТу и действует только в России, но требования к фермерам, которые она устанавливает, максимально приближены к европейским. По сути, российский ГОСТ – перевод европейского регламента.

Процесс сертификации сам по себе прост. Хозяйство связывается с аккредитованной лабораторией, заключает с ней договор и ждет инспектора, который должен взять пробы с фермы на анализ. Если все хорошо, полученный по результатам проверки сертификат действует год; затем, чтобы подтвердить свой органический статус, процедуру нужно повторять.

Все компании, прошедшие сертификацию по российским стандартам, попадают в специальный реестр, который ведет Минсельхоз, а их продукты имеют свою маркировку – белый листок на зеленом фоне (рис. 11), а рядом – QR-код, по которому можно найти информацию о производителе, самой продукции и ее сертификате.

Рис. 11. Национальный знак органической продукции в России

Помимо международных и национальных есть и другие маркировки, которые на протяжении многих лет повышают доверие покупателей к биопродуктам. Это знаки крупных, имеющих солидную историю частных объединений фермеров и производителей. Яркие примеры – марка федерации биодинамической продукции Demeter, созданной в далеком 1928 г., марка немецкого фермерского объединения Bioland, зарегистрированная в 1981 г., или знак Почвенной ассоциации Великобритании – SA, сертификация по ее системе была запущена в 1973 г. (рис. 12).

Рис. 12. Знаки частных ассоциаций органического земледелия: SA, Bioland, Demeter

Все эти знаки сообщают о том, что в продуктах нет даже следовых количеств пестицидов. С другой стороны, овощи и фрукты, которые проходят обработку агрохимией, тоже должны быть безопасны. Этого можно добиться, надо только следить, чтобы концентрация загрязняющих веществ в растительной пище, мясе и молоке не превышала предельно допустимых уровней. Для каждого соединения такой уровень устанавливается отдельно. Для этого ученые в опытах с животными выясняют, сколько вещества можно съесть, не нанеся вреда здоровью. Опираясь на эти данные, государственные органы проверяют качество продукции, выходящей на рынок, и выдают ей соответствующие сертификаты или декларации соответствия.

Количество контролируемых пестицидов и их статус в разных странах различаются. Где-то законы более строгие, где-то менее. В одной стране пестицид может быть разрешен, а в другой – находиться под запретом. Иногда это создает трудности для ферм, работающих на экспорт. Их продукция может соответствовать внутреннему законодательству, но не удовлетворять требованиям других рынков.

В 2012 г. непростая ситуация сложилась с поставками апельсинового сока из Бразилии в Соединенные Штаты. Тогда американское FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США) обнаружило в импортируемом соке карбендазим – фунгицид, запрещенный в США из-за его канцерогенности. В результате крупные компании, такие как Coca-Cola и PepsiCo, отказались от услуг бразильских поставщиков, и цены на сок в стране резко подскочили. Между тем пока «ядовитый» сок обсуждала вся Америка, в других странах он продолжал продаваться. В частности, в России никто не изымал бразильский сок из продажи. В нашей стране содержание карбендазима в пищевых продуктах регулируется только Гигиеническими нормативами содержания пестицидов в объектах окружающей среды. Этот документ определяет карбендазим как допустимый компонент пищевых продуктов, если содержание химиката не превышает максимально допустимого уровня. Помимо России применение карбендазима разрешено в 24 странах Европейского союза и запрещено в Австралии.

Чтобы контролировать содержание пестицидов в продуктах сельского хозяйства, важно уметь эффективно их обнаруживать. Ученые прикладывают немало сил, чтобы выделять и идентифицировать в разнородных образцах очень и очень малые количества опасных химикатов. Хроматографы и хромато-масс-спектрометры с высокой чувствительностью и специфичностью, которые для этого используют, стоят очень дорого. В последних вещества сперва разделяют на фракции, а затем выявляют отдельные компоненты смесей, ориентируясь на молекулярную массу их ионизированных молекул. Хромато-масс-спектрометрия по чувствительности превосходит все прочие методы и позволяет определять вещества в пробах в концентрациях 10^–8–10^–5 мкг/л[61].

Непревзойденный по чувствительности метод мониторинга пестицидов на сегодня – хромато-масс-спектрометрия высокого разрешения (она регистрирует соединения с концентрацией 10^–9 мкг/л и ниже). Один из анализаторов для его осуществления, Orbitrap, придумала группа российских ученых из СПбПУ, а собрал его в 2005 г. российский физик Александр Макаров, работавший в компании Thermo Fisher Scientific в Германии. Благодаря новому подходу исследователи из Испании в 2012 г. обнаружили и проанализировали более 350 пестицидов в образцах меда[62]. Другими методами удавалось выявить в составе меда лишь до 116 различных химикатов[63].

Спасают пчел

Пестициды в меде – еще одна верхушка айсберга, под которой таится не просто проблема, а огромная беда для мирового сельского хозяйства: потеря насекомых-опылителей. Биологи уже давно пытались донести до широкой общественности, что многие важные для человека виды насекомых погибают, но относительного успеха удалось достичь лишь несколько лет назад. Осенью 2017 г. в уважаемом научном журнале PLOS One вышла совместная статья группы голландских, британских и немецких ученых с тревожным названием «За 27 лет общая биомасса летающих насекомых в природоохранных зонах сократилась более чем на 75%»[64]. Авторы провели долгосрочное исследование популяций насекомых в 63 заповедных зонах в Германии, и результаты оказались шокирующими: с 1989 г. среднегодовая масса пойманных летающих насекомых упала на 76%, а в разгар лета убыль была еще более заметной – 82%. Выяснилось, что царство насекомых, судя по всему, в большой опасности и с этим нужно срочно что-то делать.

С этого момента сознание людей начало меняться. То, что человек должен заботиться о тиграх и пандах, известно даже дошкольникам: неуклюжий пухлый мишка на плакате сразу побуждает нас проявить эмпатию. Насекомым повезло меньше, они недостаточно миловидны. При этом за гибелью диких пчел, мух, комаров и ос, ответственных за опыление, неизбежно последует продовольственный кризис. Конечно, полностью фрукты и овощи не исчезнут, но их количество сильно уменьшится, они станут дороже. Урожаи яблок, абрикосов, вишни, персиков, манго, слив, груш, миндаля и авокадо заметно сократятся. А с дынями, тыквами, киви, арбузами и какао-бобами придется и вовсе попрощаться. Зато мы сможем вдоволь есть рис и хлеб – злаки опыляются самостоятельно.

Своеобразной лакмусовой бумажкой, показавшей, что дело плохо и ситуацию необходимо исправлять, стала привычная человеку медоносная пчела. Люди веками разводили пчел, чтобы делать мед, а заодно и для опыления – сегодня их массово перевозят от поля к полю на грузовиках, беря с фермеров плату за труд этих маленьких работников.

Благодаря тому, что пчелы так долго были у человека в найме, их численность не вызывала опасений, но в последнее время даже забота пчеловодов перестала помогать. Несмотря на присмотр и лечение, живущие в ульях «домашние» пчелы погибают, и никто точно не может сказать, почему именно. Проблема в том, что причина не в одном, а во многих факторах сразу.

Разумеется, первое, что приходит на ум, – пестициды. Системные инсектициды способны проникать в сосудистую систему растений и распространяться по ней. При этом растения, обработанные такими препаратами, становятся ядовитыми для насекомых. Например, тиаметоксам (С8Н10ClN5О3S) воздействует на Н-холинорецепторы нервной системы разнообразных вредителей, что приводит к нарушению передачи сигнала от нервов к мышцам и вызывает у жертв судороги и параличи, приводящие к смерти[65]. Этот и другие препараты нового поколения – неоникотиноиды – были разработаны немецкой компанией Bayer и сразу завоевали рынок благодаря силе их действия. Но беда в том, что эти ядохимикаты не избирательны. Тот же тиаметоксам известен высокой токсичностью по отношению к пчелам: он буквально разрушает пчелиные семьи – рои пчел улетают из ульев и не возвращаются. Под действием тиаметоксама у пчел нарушается координация движений, они не могут найти дорогу домой. Поэтому в ЕС запрещено применять его на открытом воздухе. Из-за другого неоникотиноида – клотианидина – в 2008 г. очень много пчел погибло во Франции, Нидерландах и Италии. Виновник был найден, и Bayer выплатила пчеловодам компенсацию[66]. В то же время неоникотиноиды используются повсеместно, часто ими обрабатывают семена, и фермеры изначально получают растения, пропитанные ядом. Пестициды этого класса так прочно закрепляются в окружающей среде, что их находят не только в овощах, но и в воде, и в детском питании, и в моче у людей. Но если люди могут в любой момент начать выбирать для себя биопродукты, у насекомых такой возможности нет.

Страдают пчелы и от пестицидов других категорий. Например, самый главный промышленный гербицид глифосат (компания Monsanto, сейчас принадлежащая Bayer, производит его под торговой маркой «Раундап») вызывает у пчел нарушения кишечной микрофлоры.

Знатоки научной фантастики порой любят сравнивать Monsanto со злой корпорацией BioSyn Genetics из серии фильмов «Мир юрского периода»[67], и повод к этому дает как раз их бестселлер: в пакете Monsanto есть и «Раундап», и семена, которые к нему устойчивы. Выдуманная BioSyn Genetics на киноэкране занималась схожими фокусами: разрабатывала генетически модифицированные зерновые и одновременно – огромную саранчу, которая съедала на своем пути все, кроме ГМ-сортов той же фирмы. Аналогия как будто напрашивается сама собой. Но мотивы Monsanto, в отличие от ее «темного близнеца», лишены какого-либо коварства. «Раундап» придумывали не для того, чтобы истребить пчел или все растения, кроме генетически измененных коммерческих сортов. Он появился, потому что возник спрос на комплексную технологию. Monsanto дает сельхозпроизводителям то, чего они хотят: готовые решения, куда входят и семена, и подходящие гербициды, и удобрения. В частности, ее невосприимчивая к «Раундапу» генетически измененная соя Roundup Ready (линия GTS 40–3–2), появившись на рынке в 1996 г., произвела эффект разорвавшейся бомбы и через 10 лет почти полностью вытеснила природные сорта с американского рынка. Сейчас волшебные соевые бобы от Monsanto активно используются в пищу в большинстве стран, включая Россию.

То, что пчелы стали больше болеть, вызвано и тем, как их эксплуатируют. Поскольку пчел все время перевозят с места на место в ульях, такие заболевания, как варроатоз, виновники которого – паразитические клещи Varroa destructor, распространяются очень быстро. Вредна для здоровья насекомых и однообразная диета. Невозможно месяцами питаться только яблоками, или только миндалем, или голубикой. Пчелы изо всех сил ищут дополнительные источники пищи, но в эпоху промышленного растениеводства, где аграрии выбирают для выращивания два-три высокопродуктивных сорта, это становится все труднее.

Диким опылителям, труд которых скрыт, помимо пестицидов и болезней угрожают и сами медоносные пчелы. Они конкурируют с ними за питание и разносят инфекции. При этом диких насекомых никто не лечит, им приходится справляться самим, а их численность далеко не такая высокая, как у одомашненных собратьев. С другой стороны, в сложившейся системе промышленного выращивания растений как будто вообще нет места никому, кроме «избранных». Фермы, расширяя свои владения, не оставляют насекомым пространства для постройки гнезд и поиска постоянного пропитания. Мало того, что дикие опылители вынуждены переходить на однообразную диету, – когда основная культура, возделываемая в их регионе, отцветает, корма не остается вообще.

Фермеры во многих регионах уже поняли, что к чему. Отношение к обработкам пестицидами со временем реформируется. Агропромышленные предприятия стараются предупреждать пчеловодов, когда и на каких полях планируется проводить обработку, чтобы те не привозили свои ульи на только что опрысканные территории. Выбор химикатов тоже стал более осознанным.

Вдоль полей и моносадов в Европе и США все чаще можно увидеть полосы разнотравья или живые изгороди. Это создаваемые человеком оазисы, где дикие пчелы могут отдохнуть и устроить жилье. Некоторые хозяйства идут еще дальше: строят домики для насекомых, закупают шмелиные семьи, обустраивая им гнезда среди яблоневых посадок, или создают целые пчелиные заказники – места, где искусственно формируются пространства для комфортного обитания насекомых-опылителей. В США, в штате Вашингтон, владельцы угодий, засаженных люцерной, выделили под гнезда солончаковых пчел рода Nomia около 120 га земли. Обустраивая свои пчелиные «грядки», фермеры засыпали выбранные участки солью, чтобы она покрыла почву, образовав влагозащитную корочку, как на солончаках, а на небольшой глубине проложили множество труб для увлажнения земли, чтобы хорошо копалась. В результате они стали хозяевами самой большой из когда-либо подсчитанных популяций опылителей, если исключить медоносных пчел: более 40 млн особей[68].

Биотехнологи тоже стали активнее искать методы для поддержания популяции пчел. Их исследования, среди прочего, направлены на поиск лекарств, которые сократили бы смертность насекомых от распространенных болезней. В 2020 г. в журнале Science вышла статья, где c клещами Varroa предлагалось бороться с помощью генетически измененных бактерий кишечной микрофлоры медоносных пчел Snodgrassella alvi[69]. Эти симбионты влияют на экспрессию генов у насекомых и помогают им убивать паразитов. Авторство другого проекта принадлежит микологу Полу Стемецу – владельцу многомиллионной компании Fungi Perfecti, продающей продукты из грибов. Он убежден, что ответы на многие глобальные проблемы можно найти, изучая грибное царство, в том числе его псилоцибиновых подданных[70].

Стемец предположил, что грибные экстракты способны повлиять на восприимчивость пчел к различным вирусам. Он решил добавлять в еду для насекомых немного экстрактов из грибов, разлагающих древесину. Перед этим Стемец долгое время занимался исследованием подобных препаратов с точки зрения их влияния на здоровье человека, а потому надеялся, что идея может сработать. Так и оказалось. Кормление пчел однопроцентными экстрактами трутовика настоящего (Fomes fomentarius) и ганодермы (Ganoderma) в 80 раз снизило у насекомых заболеваемость вирусом деформации крыла. Растворы оказались крайне эффективны также против вируса озера Синай. Результаты превзошли все ожидания. Статья Стемеца и его коллег была принята все в том же Science[71].

Наконец, на помощь пчелам приходят искусственный интеллект и машинное обучение. Существуют такие стартапы, как Beewise, где пчел помещают в умные ульи, которые оснащены камерами и способны неустанно следить за состоянием пчелиной семьи, корректируя условия ее обитания или распыляя при необходимости нужные лекарства. А если пчелы все же не будут справляться с опылением, их могут заменить искусственные опылители: миниатюрные летающие роботы или многопалые механические руки. Подобные проекты пока находятся на ранних стадиях разработки. Сделать умные дроны, которые станут работать не хуже пчел, очень сложно, если вообще возможно[72]. Пока использование робоопылителей представляется перспективным в помещениях: на вертикальных городских фермах, где растения живут скученно, а среда приближена к лабораторной.

Хорошо бы, конечно, чтобы пчел не пришлось заменять, но для их спасения недостаточно точечных действий. Должен кардинально измениться сам подход к хозяйствованию. Защищать от пестицидов следует не только медоносную пчелу, но и всю биосферу.

Изобретают вертикальные умные фермы

Закрытые фермы с многоярусной посадкой удобны не только при искусственном опылении. Урбанизация и постоянное расширение мегаполисов подталкивают производителей свежих овощей к тому, чтобы искать новые способы обеспечивать людей продуктами. Подтверждение тому – превращенные за последние 10 лет из футуристических картинок в реальность автоматизированные предприятия, где вместо грядок растения располагаются на вертикальных стеллажах без земли, под светом фитоламп, снабжаемые питательными растворами.

Уход от традиционного землепользования в сторону гидро– и аэропоники, когда растения не нуждаются в почве, а все процессы выращивания контролируются дистанционно с помощью компьютерных программ, действительно имеет свои преимущества. Свежий салат с такой фермы гораздо быстрее попадает в супермаркет, его не нужно опрыскивать против вредителей (насекомых в закрытых помещениях нет вообще или их очень мало), урожай созревает круглый год, а построить ферму при желании можно почти где угодно, даже в подвале. Экономически такой подход тоже себя оправдывает. Технология приживается в самых разных регионах, включая и Россию. Компания iFarm (резидент инновационного центра «Сколково»), например, уже не один год снабжает зеленью крупных ритейлеров, а в 2021 г. запустила собственное производство земляники в Новосибирске. Кустики там опыляют шмели, живущие в специально построенных для них ульях. Среди крупных сити-ферм в Москве – Urban Farm, «Местные корни» и «РусЭко» (свое первое производство компания открыла в здании старой табачной фабрики у метро «Домодедовская»).

Простую вертикальную ферму для салатов или микрозелени несложно организовать и у себя дома. Достаточно купить комплект из стеллажа, LED-ламп, системы капельного полива и датчиков влажности. Для увлеченных сити-фермеров существуют специализированные магазины – гроушопы, где консультанты помогут с выбором оборудования.

Конечно, если хочется настоящего хайтека, придется раскошелиться. Стоимость умных «гроубоксов» – цифровых теплиц, которыми можно управлять с телефона, – начинается с полумиллиона рублей. Обычно их устанавливают у себя на кухнях большие рестораны или загородные отельные комплексы.

Если говорить о влиянии закрытого растениеводства на экологию, то вертикальные фермы неплохи, хотя и не лишены недостатков. Они расходуют мало воды и не связаны с обеднением или деградацией плодородных почв, но сильно зависят от минеральных удобрений и требуют много электроэнергии. И все же, судя по всему, в ближайшем будущем число хозяйств нового типа будет расти.

Пока таким способом выращивают в основном травы, листовые овощи, а также ягоды и съедобные цветы (настурцию, анютины глазки, календулу, цветки цукини и др.). Злаки или корнеплоды посадить в горшочки с капельным поливом не получится. Между тем новая селекция уже задумалась о сельскохозяйственных растениях с архитектурой, подходящей для выращивания без грунта, в ограниченном пространстве. Будущие сорта должны давать большие урожаи при компактных размерах растений, цикл роста у них тоже желательно уменьшить. Тогда эффективность закрытых городских ферм вырастет в разы[73].

Биологи также постоянно экспериментируют с режимами выращивания. Для каждой культуры или сорта можно найти оптимальные параметры, при которых растение будет чувствовать себя лучше и давать наибольшее количество плодов. Регулируя режим освещения и изменяя спектр света, можно влиять и на качество зелени, например значительно увеличивать накопление пряными травами эфирных масел[74].

Строят неприступные хранилища семян в Норвегии, Якутии и… на Луне

Новый сорт, эффективная и экологичная подкормка и место для выращивания – все это важно. Но любое растениеводство начинается с семечки. А потому символичным будет закончить эту главу рассказом о ней. Точнее, о том, как важно это семечко сберечь.

В современных условиях, когда промышленное земледелие сосредоточивается на малом количестве сортов, а изменения климата становятся все более заметны, растет значение семенных фондов, или банков семян. Это учреждения, в которых ученые занимаются сохранением генетического разнообразия растений. Они хранят семена самых разных сельскохозяйственных сортов, включая старинные, а еще – семена диких видов, многие из которых скоро могут исчезнуть.

Семена в хранилищах лежат на стеллажах в охлаждаемых помещениях или плавают в ванночках с жидким азотом. Жизнь семени в холоде, при минусовой температуре, заметно продлевается. При –18 °C некоторые виды могут сохранять всхожесть несколько сотен лет, тогда как в природе погибают через пять лет или быстрее. И все же жизнеспособность образцов нужно время от времени проверять. Каждые 7–10 лет семена из коллекций проращивают, чтобы удостовериться, что с ними все в порядке. Если оказывается, что всхожесть падает, ценные сорта выращивают до зрелого возраста, чтобы собрать новые, молодые семена.

К семенным фондам в ботанике относятся как к крепостям, последним оплотам, которые должны устоять во что бы то ни стало. На них возлагается задача по возрождению растений в экстренной ситуации, в первую очередь для того, чтобы избежать голода. Фермеры и селекционеры приходят в хранилища за сортами с определенными качествами, когда в них возникает нужда. Это могут быть более засухоустойчивые формы или растения, невосприимчивые к болезням, которые раньше в регионе не встречались.

Первопроходцем в деле создания библиотек, где хранились бы семена с разными свойствами, был русский ученый Николай Иванович Вавилов. Он много путешествовал и из экспедиций по континентам привозил во Всероссийский научно-исследовательский институт растениеводства в Ленинграде (сейчас Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н. И. Вавилова), где был директором, семена самых разных растений – бобов, кукурузы, пшеницы, ячменя и т. д. С их помощью Вавилов планировал выводить новые сорта, приспособленные к суровому климату России, чтобы обезопасить страну от неурожая. В 1930-х гг. его семенная коллекция была крупнейшей в мире, в ней насчитывалось 250 000 образцов.

Будучи талантливым генетиком, Вавилов в ходе работы выявил мировые центры происхождения культурных растений и до сих пор признается одним из величайших ученых XX в. К сожалению, умер он раньше времени и в трагических обстоятельствах. Вавилов не нашел общего языка с Иосифом Сталиным и в 1940 г. был арестован и приговорен к тюремному сроку как политический преступник (позднее обвинения были признаны ложными). Выйти на волю ему уже было не суждено: ученый, мечтавший накормить человечество, скончался в саратовской тюрьме от истощения.

Дело его, к счастью, не пропало. Коллекция семян, собранная Вавиловым и сотрудниками его института, сохранилась до сих пор. Когда Ленинград во время Второй мировой войны находился в блокаде, ученые оставались дежурить в хранилище. Умирая от голода, они берегли для будущих поколений с трудом добытые семена риса и кукурузы. В настоящий момент бесценная коллекция для надежности продублирована, ее копия находится в Кубанском генетическом банке семян. А в центре Санкт-Петербурга продолжает работать оригинальный вавиловский «генетический Ноев ковчег». На трех этажах и в подвалах старинного особняка ботаники хранят более 320 000 образцов семян и черенков, одни в рефрижераторах, другие – в криотанках при температуре –200 °C. В 2022 г. на базе института было решено сформировать Национальный центр генетических ресурсов растений для обеспечения продовольственной безопасности страны. Коллекция Вавилова все время пополняется, а ее материал используется для выведения новых сортов, устойчивых к самым разным фитопатогенам и адаптированных к продолжительным засухам.

Сама идея создания семенных фондов тоже оказалась крайне удачной. Сегодня в мире их насчитывается больше тысячи. В основном они создаются как государственные учреждения, но есть и частные коллекции. Многие крупные агрохолдинги также имеют свои лаборатории и библиотеки сортов.

Национальные банки семян славятся неприступностью: «Надежнее места нет, разве что Хогвартс». При постройке семенных фондов учитывают возможность наводнений, оползней, землетрясений, пожаров и других катаклизмов, которые могут повредить здание. В США в городе Форт-Коллинз, штат Колорадо, банк семян разработан так, что в случае прорыва плотины, когда весь город затопит, он всплывет и его маленькие подопечные будут спасены.

Знаменито также Всемирное хранилище семян в норвежском Заполярье. Его построили в 2008 г. в склоне горы на одном из островов архипелага Шпицберген, где есть и три российских шахтерских поселка (острова Шпицбергена принадлежат Норвегии, но имеют особый правовой статус, на архипелаге говорят на двух языках – русском и норвежском).

«Хранилище Судного дня» стоит в поселке Лонгйир рядом с Арктическим мировым архивом и создано для спасения ценных сельскохозяйственных видов растений в случае страшной катастрофы: ядерной войны, падения астероида или стихийных бедствий, вызванных глобальным потеплением. Температура там поддерживается на уровне –18 °C, а свою первую проверку на прочность банк семян уже прошел в 2017 г., когда вечная мерзлота поддалась солнцу и помещения начало подтапливать. Все обошлось благодаря тому, что в хранилище включились собственные холодильные установки, работающие на местном угле.

Недостатком хранилища на Шпицбергене пока можно назвать лишь то, что из-за условий выбор растений, которые можно туда поместить, ограничен. В этом банке содержатся только семена, поддающиеся обычной заморозке без ущерба для всхожести. Кофе, какао или манго там погибнут. Не найдешь в норвежском оплоте и культур, которые не дают семян: батата, картофеля или бананов. Для сохранения корнеплодов или даже черенков плодовых деревьев нужны криокамеры, такие как в Вавиловском институте в Петербурге.

Сейчас банк заполнен меньше чем на треть. В нем в специальных контейнерах, высушенные и упакованные в пластиковые пакеты, хранятся образцы 1,3 млн сортов, причем каждый из них содержит примерно 500 семечек[75]. Национальные и региональные фонды по всему миру отправляют за полярный круг свои семена, чтобы уберечь их от беды; если собственные семена потеряются, можно будет извлечь резерв из хранилища и восполнить запасы. Например, недавно изымал свой вклад Международный центр сельскохозяйственных исследований в засушливых регионах. Ранее его семенная библиотека располагалась в Алеппо, но из-за военных действий в Сирии часть семян была утеряна. Теперь банк хранит свои семена в Марокко и Ливане[76]. Ранее, в 2003 г., в Алеппо эвакуировали семена из Багдада, когда тот был захвачен американскими военными. Теперь их спасла неприступная северная библиотека.

Отправка семян во всемирное хранилище для официальных генбанков бесплатна, изымать свои сокровища могут только сами вкладчики. Отправляла свои семена в Норвегию и Россия, но в связи с политической ситуацией в 2022 г. доступ к нему для российских ученых был закрыт. Большой беды в этом семеноводы не видят. Значимость европейского неприступного форта для нашей страны не так велика. В Якутии еще с 1970-х гг. работает большой семенной криобанк, а теперь, судя по всему, там же, в условиях вечной мерзлоты, будет построен еще один резервный фонд[77].

Мысль о том, что растения надо сохранить любой ценой при любом раскладе, так глубоко укоренилась в обществе, что появились проекты по постройке семенных хранилищ биологических материалов на околоземной орбите или на Луне. Как это должно быть реализовано, пока не до конца ясно. Предполагается, что на Луне в качестве природных убежищ можно использовать глубокие лавовые трубки под поверхностью спутника, где проще настроить температурный режим (рис. 13). Семена должны будут лежать в камерах криоконсервации, а питаться техника будет от солнечных батарей. Если такой банк действительно заработает, главным его недостатком, вероятно, станет высокая цена перевозки образцов туда, а потом обратно на Землю.

Рис. 13. Схема гипотетического банка семян на Луне

Пока же нам остается беречь растения в условиях нашей планеты. Это не так трудно, как кажется. Необязательно сдавать семена подсолнечника, огурцов или тыквы, которые у вас сохранились от бабушки, в хранилище. Достаточно высаживать их каждый год на своем заднем дворе и раздавать соседям. Живое садоводство – лучший способ передать детям и внукам районные сорта, приспособленные к условиям вашего региона.