Ученый из Австралии, эколог-почвовед, профессор, доктор наук Кристин Джонс проводит фундаментальные исследования в области функционирования почвы. Со своими лекциями она выступает в Европе, Канаде, США, Австралии. Ее исследования интересны не только работникам всех сфер сельского хозяйства, они могут заинтересовать каждого человека, т.к. позволяют понять взаимосвязь между здоровьем почвы, здоровьем растений, здоровьем человека и планеты в целом.
.jpg)
Зачем менять способ производства продуктов питания, которые мы употребляем в пищу?
По данным ВОЗ, США тратит на медицину в два раза больше средств, чем любая другая страна. Но занимает всего лишь 17 место по рейтингу здоровья и продолжительности жизни. Есть огромное несоответствие количества денег, потраченных на здравоохранение, и результата, который эти вложенные средства приносят.
Если сравнивать причины болезней людей три века тому назад, то это, в основном, были инфекционные заболевания: чума, туберкулез и т.д. В наше время ситуация другая: самые распространенные причины смертности населения: сердечно-сосудистые заболевания, онкология и болезнь Альцгеймера. Эти аутоиммунные болезни связаны с питанием.
Кроме того, в настоящее время 54% детей в США страдают от хронических болезней. Распространенными стали пищевые аллергии, кожные заболевания, головные боли и другие. В последнее десятилетие самой распространенной причиной детской смертности была лейкемия, сейчас же первое место занял рак мозга у детей до 15 лет.
Почему организм человека перестал работать должным образом?
Сейчас человечеству известно более 80 видов только изученных аутоиммунных заболеваний. Но еще больше — не изученных.
Из изученных:
1 место — диабет;
2 место — рак (ученые прогнозируют, что в скором времени у каждого второго человека в течение жизни будут диагностировать онкологию);
3 место — аутизм;
4 место — болезнь Альцгеймера;
5 место – дерматология.
По статистике, у каждого 6-го американца диагностирована аутоиммунная болезнь. И это связано с тем, как произведена и приготовлена пища.
Применение азотных удобрений
Кристин Джонс: «Азотные удобрения — дорогостоящие, неэффективные, загрязняют окружающую среду».
Применение азотных удобрений стало реальной проблемой в США. В 49 из 50 штатов подземные воды загрязнены нитратами. Это очень опасный канцероген.
Содержание нитратов в воде в размере 2-х частиц на миллион уже способно привести к развитию рака. Хотя стандартами разрешено содержание нитратов до 10 частиц на миллион.
Рассматривать проблему внесения азотных удобрений нужно начать с понимания того, что только от 10 до 40% внесенного удобрения усваиваются растениями. 60-90% мы теряем в процессе денитрификации, испарения, промывания и поверхностного стока. Ежегодно в мире фермеры тратят более 100 млрд. долларов на азотные удобрения, из которых от 60 до 90 млрд. долларов испаряются в атмосферу или загрязняют воду.
Как следствие, в мировом океане появилось более 500 мертвых зон из-за стоков удобрений. Такие зоны есть и на суше.
Еще одной проблемой применения азотных удобрений является подкисление почвы. К примеру, в штате Вашингтон pH почвы упал с 8 до 4 на известковых почвах из-за чрезмерного использования азотных удобрений. Также минеральные удобрения формируют в растениях небелковый азот. Это большая проблема в животноводстве — животные не могут переварить небелковый азот. Он является ядовитым веществом для них.
Азотные удобрения стимулируют рост сорняков. Поэтому приходится использовать большее количество гербицидов, а также инсектициды и фунгициды, поскольку азотные удобрения нарушают связь растений с почвой, нарушают метаболические процессы.
Почему же азотные удобрения до сих пор используются? Во-первых, удобрения увеличивают биомассу растений. Если поля долгое время вспахивались, были под удобрениями, под парами, гербицидами и так далее, и не делалось ничего, чтобы поддержать почву как живую систему, то в этом случае, применяя азотные удобрения, вы получите большую зеленую массу. Поскольку растениям больше неоткуда взять питательные вещества. В то время как в естественных условиях растения получают весь необходимый им азот вне зависимости от того, является, например, растение бобовым или нет.
В действительности в природе существуют тысячи азотфиксирующих бактерий, и 99,9% из них нельзя культивировать в лаборатории. Поэтому из них нельзя сделать инокулят. Но они все существуют в естественных условиях.
Минеральные удобрения делают растение пустым сосудом
Проблема с применением азотных удобрений заключается в том, что растения становятся просто пустыми сосудами, они наращивают биомассу, но это пустая биомасса, которая не содержит всех остальных питательных элементов. Когда мы вносим азот, мы разрываем связь между растениями и бактериями. Потому что, когда растение должно само добыть себе азот, оно с помощью корневых выделений стимулирует бактерии, которые приносят не только азот, но и другие микроэлементы. Если с помощью азотного удобрения мы заставляем растение набрать большую биомассу, мы разрываем эту связь с биологией, и растение недополучает все остальные элементы, важные для иммунной системы самого растения, а в конечном итоге, и для человека. Оно становится уязвимым к болезням и насекомым. И это замкнутый круг. А применение все большего количества химии снижает рентабельность самого производства.
Азотные удобрения и животноводство
Если рассматривать австралийский выпасной молочный скот, то невозможно увидеть взаимосвязь между количеством примененных удобрений на пастбищах и количеством произведенного молока. Рост молока ученые связывают только с селекцией и генетикой животных. Применяя все большее количество удобрений, мы увеличим биомассу растений, но в ней не будет того, что нужно животным. То же происходит с зерновыми культурами и овощами. Но на низкое содержание в них питательных веществ (пустых калорий) до сих пор обращают недостаточно внимания. Сниженное потребление растениями питательных веществ и микроэлементов из почвы приводит к серьезному негативному воздействию на здоровье животных. В настоящее время количество бесплодных молочных коров достигает 20%.
Влияние на здоровье людей
Аналогичная ситуация у людей. Население не только страдает приобретенными аутоиммунными заболеваниями, но и дети рождаются с рядом отклонений в метаболизме, которых еще 50 лет назад не было. Люди как вид начали иметь проблемы с воспроизводством и деторождением. Бесплодие у молодых пар достигает от 20 до 35%. В мире растет количество репродуктивных клиник.
Воздействие минерального голодания на растение
Из-за нехватки питательных веществ в неплодородных почвах повышается уязвимость растений к болезням и вредителям. Отсюда необходимым стало применение дорогих инсектицидов и фунгицидов, которые, в свою очередь, приводят к удорожанию производства, снижают рентабельность сельского хозяйства и добавляют ненужные химикаты в пищевую цепь.
За 32 года, с 1986 по 2016 год, канадский агробизнес в сфере услуг и агрохимии получил 1,32 трлн. долларов, а всего было произведено продукции на 1,35 трлн. То есть производители химии и техники получили 98% всей выручки.
Сегодня большинство канадских фермеров поддерживаются нефермерским доходом, субсидируются за счет налогоплательщиков или за счет кредитных средств. Аналогичная ситуация в животноводстве.
Задолженность сельхозтоваропроизводителей Канады достигла рекордных 100 млрд. долларов.
Задолженность сельхозтоваропроизводителей США также достигла рекордного уровня.
Нам постоянно повторяют, что мы должны производить больше. Но дело не в получении максимального урожая, а в оптимизации рентабельности.
Еще одна важная задача – восстановление почвы как основного ресурса. В глобальном масштабе чрезмерное употребление азотных и фосфорных удобрений привело:
- к деградации почв;
- к загрязнению окружающей среды;
- к уменьшению почвенного разнообразия;
- к дефициту микроэлементов в растениях, животных и человеке.
Поэтому традиционный подход к земледелию и производству продуктов питания оказался провальным.
Для чего необходимо поддерживать микробиологию почвы вместо применения минеральных удобрений?
Почвенный микробиом
Недавний подсчет биомассы живых организмов на земле, измеренной в гигатоннах углерода, установил существование 550 Гт углеродных форм жизни (Распределение биомассы на Земле. Йинон М.Б., Роб Филлипс, Рон Майло (ПНАС, май 2018). 450 Гт из 550 Гт углерода содержится в растениях. Все остальные формы жизни составляют остальные 100 Гт. 93% из них — это микроскопические протисты, археи, грибы и бактерии, то есть то, что мы даже не можем увидеть своими глазами.
Бактерии – 70 Гт.
Грибы – 12 Гт.
Археи – 7 Гт.
Протисты – 4 Гт.
Вес всех людей ничтожно мал по сравнению со всеми этими микроорганизмами (насекомые, моллюски, рыбы, нематоды, животные и люди занимают остальные 7%). В конечном счете, люди составляют только 0,01% от биомассы жизни на Земле.
Наше здоровье напрямую зависит от тех микроорганизмов, которые мы не можем увидеть. А человечество старательно их уничтожает свое деятельностью.
Одна чайная ложка здоровой почвы содержит больше микроорганизмов, чем людей на планете.
Одна капля рубцовой жидкости животного содержит в 10 000 раз больше микроорганизмов, чем живет людей на Земле.
Вирусы
Вирусы — наиболее распространенное существо на планете по величине. Они выполняют ряд важнейших функций:
- регулируют функционирование всех живых существ — растений, животных, грибов, бактерий;
- необходимы для функционирования микробиома кишечника и иммунной системы человека;
- жизненно необходимы для функционирования всех наземных и морских экосистем;
- используют «ощущение кворума» для регулирования их популяций.
Роль вирусов в экосистеме мирового океана
Морской планктон обеспечивает половину кислорода планеты, но вирусы должны поедать бактерии, чтобы высвободить азот, необходимый для роста планктона. Если мы уничтожим вирусы в морской экосистеме, планктон погибнет. Исследования показали, что вирусы уничтожают около 20% всех бактерий в океане каждый день, поддерживая систему в равновесии.
Значение вирусов для иммунитета
В кишечнике человека, помимо 10 триллионов бактерий, обитают вирусы, которые регулируют количество и поведение бактерий, либо питаясь ими, либо защищая их.
Кишечные вирусы являются ключевым фактором здоровья человека из-за их способности модифицировать бактерии, которые затем изменяют состояние здоровья человека.
Виром человека
Недавние исследования показали, что виром человека влияет на геном человека и, в свою очередь, на наш иммунитет, физиологические реакции и даже на наше сознание.
Ризофагия (бактериоедение)
Если говорить о питании бактериями, то такой процесс можно рассмотреть на примере рубца коровы. Поедая траву, она не может переварить целлюлозу. Поэтому в рубце этих животных находятся энзимы, которые способны расщеплять целлюлозу, то есть корова поедает уже продукт жизнедеятельности бактерий. То же происходит и в организме человека. Ранее мы не думали о том, что растения также питаются бактериями. Теперь же это установленный факт. Самую важную роль в формировании растения играют его молодые побеги и корни. Когда же растение переходит из фазы роста в стадию репродукции, то в корневой зоне все меняется. Если вы хотите улучшить плодородие почвы, необходимо обращать внимание на молодые зеленые растения, на то, что они делают с почвой.
В процессе фотосинтеза вещества из воздуха превращаются в листья этого растения, оно синтезирует простые сахара, соединяет молекулы углерода, формируя целлюлозу, из которой строит потом листья, стебли, выращивает корни, цветы и семена. Это удивительно, как растение строит себя из воздуха, преобразуя энергию солнца в биохимическую энергию. И после этого сложного процесса растение отдает эту энергию в корневую зону, а та, в свою очередь, с помощью корневых выделений отдает эту энергию почве. Для чего они это делают? Для того, чтобы на эти корневые выделения и собрались микроорганизмы вокруг корня. Таким образом, растения обмениваются, получая взамен питательные вещества.
До недавнего времени считалось, что такой обмен происходит с помощью грибов, которые транспортируют питательные вещества от корней к колониям бактерий и обратно. Например, как микоризные грибы берут углеводы и обмениваются ими с бактериями на питательные вещества. Но в последние годы с помощью мощных микроскопов и более современных методов исследования мы установили, что бактерии и другие микроорганизмы, которые максимально приближаются, всасываются внутрь корня. Растение поедает бактерии, которые их окружают. Этот процесс и называется ризофагия, или бактериоедение.
Попав в корень, бактерии перемещаются в центральную часть, там их клеточные стенки разрушаются, и растение всасывает все питательные вещества. И после этого начинается самое интересное. Потому что ДНК данных бактерий остается целым и, путешествуя по корню растений, выводится через корневые волоски и попадает в почвенную среду.
То есть чистое ДНК бактерий попадает в почвенную систему, где вновь формирует клеточные стенки: бактерия заново восстанавливается в той форме, в которой она была до того. Эта бактерия заново накапливает все питательные вещества, которые имела, фиксирует азот из воздуха. А дальше она вновь привлекается корневыми выделениями растения и, попадая внутрь, отдает питательные вещества и так далее. Этот цикл и называется бактериоедение.
В научной литературе это описывается таким образом: растения питают микробов в корневой зоне, которые затем, попадая внутрь корня, теряют клеточные стенки и выделяют питательные вещества. Затем микробы покидают корень растения через корневые волоски и снова начинают цикл.
Все растения и животные, а также все люди на земле погружены в бактериальный и микробный мир. Но также сами являются целым миром для микроорганизмов. Нам нужно осознать, что микробы способны выполнять множество удивительных задач. Наша же задача — научиться использовать силу этих микроорганизмов.
Если посмотреть с сельскохозяйственной точки зрения, то микроорганизмы способны выполнять за нас всю работу, конечно, не связанную с механической частью (посевом или уборкой). Они выполняют ту работу, которую мы пытались компенсировать с помощью химических удобрений и пестицидов. Нам нужно только разобраться, как использовать их силу для своей пользы.
Как микроорганизмы способны выполнять работу?
Микробы не могут видеть, говорить или слышать, но они очень хорошо общаются между собой и хорошо организованы. Они работают как одно целое в достижении своих целей.
Последние исследования установили, что все бактерии общаются между собой с помощью «чувства кворума». По аналогии с кворумом в человеческом сообществе (кворум – это число членов организации, которые должны присутствовать для принятия решения и ведения бизнеса).
К примеру, рассмотрим процесс ферментации в толстом кишечнике. Он схож с тем, что происходит в рубце у коров. В процессе ферментации вы потенциально могли бы производить много витаминов в толстом кишечнике, особенно группы В. Но может быть так, что нет кворума микроорганизмов, производящих эти витамины. Вы можете сдать анализы и обнаружить все бактерии, необходимые для производства этих витаминов, но их недостаточно и нет кворума для того, чтобы они включили гены и начали производить эти витамины. И в таком случае вам нужно идти в аптеку и покупать витамины в таблетках.
То же самое происходит в ризосфере. Там могут быть миллионы и триллионы бактерий, но их может быть недостаточно, нет кворума для того, чтобы начать производить и фиксировать азот или производить витамины. Потому растениям может понадобиться дополнительная подкормка. И если в ризосфере будет недостаточно микроорганизмов, если не будет их кворума, они просто не могут эф фективно работать. Поэтому нам нужно знать ключевые моменты, как сделать так, чтобы микроорганизмов было достаточно и они могли принимать решения, было чувство кворума.
Если вы кладете азотные удобрения рядом с семенами или обрабатываете семена фунгицидами или инсектицидами, то кворум не будет достигнут. Потому что окончание «–цид» означает «яд». И вы отравляете все, что попадает в ризосферу. И азот также является крайне эффективным ядом.
В человеческом обществе кворум — это число. В микробном мире «чувство кворума» (QS) относится к зависимому от плотности координированному поведению, которое регулирует экспрессию генов в микробной популяции и/или в растениихозяине, или в животном. В этот момент включаются очень мощные процессы. Бактерии могут включать или выключать свои собственные гены.
Если мы возьмем бактерии из ризосферы, находящейся возле корней, и поместим ее всего лишь на 5 сантиметров дальше, то она выключит все включенные в ризосфере гены и включит набор других, потому что там она питалась корневыми выделениями, а теперь находится в другой среде и ей нужно искать новые источники энергии. Бактерии очень адаптивны во включении и выключении генов. Также они адаптивны в горизонтальном трансфере генов, как и другие микроорганизмы. Изучая вирусы, мы знаем, что они делают это постоянно.
Трансформация и изменения в почве происходит не столько из-за количества бактерий, как из-за того, что при достаточной концентрации они влияют на экспрессию генов. И такое зависимое от плотности координированное поведение, то есть чувство кворума, встречается не только у бактерий, но и у архей, грибов и вирусов. Все изученные виды микроорганизмов используют чувство кворума. Оказывается, что и простейшие, и более сложные формы используют чувство кворума в своей жизнедеятельности.
Каждый вид производит свой уникальный сигнал. Эти химические сигналы называются аутоиндукторами. Когда концентрация аутоиндукторов в среде достигает критического уровня, они начинают регулировать экспрессию генов в микробной популяции и/или в растениях или животных. Допустим, включать или выключать гены, отвечающие за стрессоустойчивость, урожайность, засухоустойчивость и так далее.
Микробы многоязычны, то есть они выделяют не только сигнал о том, сколько представителей находится одного вида. Каждая молекула производит сигнал «я». Например, каждая лактобактерия знает, сколько ее видов находится в данной среде. Но у бактерий также есть и общий язык: все бактерии могут общаться между собой и сообщать, сколько других видов бактерий существует в этом окружении. Не только бактерий, но и грибов, и других представителей микроорганизмов. Это очень сложная сигнальная система общения. Маленькие одноклеточные организмы невероятно разумны в осознании того, сколько представителей их собственного вида, сколько представителей других видов микроорганизмов находятся в данной среде. Если задуматься о том, насколько малыми организмами они являются и том, какую огромную работу могут совершать коллективно, то мы просто удивимся их невероятным возможностям.
