Продовольственный кризис: как ученые спасают от голода

Дефицит продовольствия

— Мировая политика крутится вокруг ключевого стержня — обеспечения продовольственной безопасности. Все конфликты и войны происходят именно оттого, что какое-то из сообществ не может решить эту задачу другим способом. 

Игорь Тихонович — профессор, доктор биологических наук, член отделения сельскохозяйственных наук РАН, член Экспертного совета Университета «Сириус», декан биологического факультета СПбГУ.

Научные интересы: почвоведение, физиология и микробиология растений, биоагроценозы, генетический контроль симбиотических взаимоотношений растений и микроорганизмов.

Игорь Тихонович Фото: Евгений Эргардт / Пресс-служба «Сириуса»

— Сегодня история совершила виток — и что мы видим? Что беднейшие страны испытывают серьезный дефицит продовольствия, в то время как в других государствах зерно есть, но оно по разным причинам недоступно (высокие цены, затрудненная логистика, санкции).

По данным ООН, в 2020 году более двух миллиардов человек не имели доступа к полноценному питанию из-за антропогенных конфликтов, изменения климата и экономического спада.

В 2022-м ситуация усугубилась: военная спецоперация на Украине и санкции, введенные против России со стороны США, стран Евросоюза и других государств привели к сбоям в поставках зерна по всему миру. Эксперты считают, что это спровоцирует еще больший продовольственный кризис в Африке и на Ближнем Востоке.

Миф о зеленой энергетике

— Одной из неочевидных причин дефицита продовольствия можно назвать некоторые виды альтернативной энергетики. Она позиционируется как экологически безопасная, но на деле таковой не является. Ведь чтобы произвести сырье для создания экологичного топлива, например метанола из кукурузы, который используется как замена бензину, нужно вспахать почву, удобрить ее, защитить от вредителей, собрать зерно, перевезти его, переработать. Сколько энергии используется для этого, сколько топлива и удобрений расходуется! А их, как правило, получают уже экологически не совсем чистым способом. Так что такая зеленая энергетика в значительной степени экологически безопасной не является.

Ветрогенераторы, которые производят «чистую» энергию, наносят природе существенный вред. Как выяснили ученые, только в США они ежегодно убивают более полумиллиона птиц Изображение: © huang yi fei / Shutterstock / FOTODOM

— Но главный минус от внедрения биотоплива состоит в другом: чем больше кукурузы или других культур уходит с рынка продовольствия в производство биотоплива, тем больше растут цены на те же кукурузу и метанол. Таким образом, производство биотоплива продовольственной безопасности не способствует. Напротив, создает дефицит продовольствия.

Предсказуемость урожая и симбиогенетика

— Сельское хозяйство — такая отрасль экономики, где для притока инвестиций стабильность и предсказуемость результатов не менее важны, чем сам размер урожая. Вкладываться в выращивание культуры, урожай которой невозможно предсказать, рискованно. Вы не знаете, будет наблюдаться в следующем сезоне спрос на ту или иную культуру или же цены упадут от перепроизводства. Поэтому крайне важно для отрасли создавать такие сорта растений, которые смогут адекватно реагировать на изменения окружающей среды: температуру, количество влаги и так далее. Такие адаптивные сорта должны за счет приспособляемости давать примерно одинаковый урожай в разных условиях.

У растений есть транскрипционные факторы — белки, обеспечивающие определенную адаптацию за счет регуляции активности соответствующих генов. Но они более эффективно работают, если растение вступает в симбиоз с микроорганизмами в почве. Тогда они образуют общую систему, работающую в интересах и бактерий, и растений. Эти связи изучает симбиогенетика. Ученые должны помочь растениям и полезным бактериям найти друг друга и не связываться с микробными патогенами. Бактерии можно поместить в почву и «подсказать» растению, с кем стоит связываться. Это и обеспечит предсказуемость урожая. За микробно-растительными системами будущее сельского хозяйства.

Реальные технологии экологизации

— Растениям для жизнедеятельности крайне необходим азот. В воздухе его 70 %, но для них он практически недоступен. Поэтому в сельском хозяйстве для повышения урожайности применяют минеральные удобрения. Производство и хранение азотных удобрений — экологически вредный процесс. И взрывоопасный. Помните взрыв судна с грузом селитры в порту Бейрута? 

Техногенная катастрофа в порту столицы Ливана произошла 4 августа 2020 года. Всего в Бейруте прогремело два взрыва с разницей в 33 секунды. Во время второго взорвалось 2750 тонн аммиачной селитры. Это неорганическое химическое вещество часто используют в качестве азотного удобрения для растений. 

В 2013 году селитра была конфискована с российского судна Rhosus и находилась в портовой зоне. Погибли 210 человек, ранения получили около шести тысяч, без жилья остались примерно 300 тысяч жителей.

— Поэтому радикальные экологи предлагают отказаться от использования таких удобрений. Но ничего взамен не предлагают. Хорошая новость в том, что удобрения можно заменять биологическим азотом. Это процесс азотфиксации, который происходит при взаимодействии некоторых видов микробов и растений. Только определенные виды микроорганизмов могут привносить в почву азот из воздуха. Например, бобовые культуры совместно с клубеньковыми бактериями фиксируют достаточное количество азота не только для себя, но и для последующих культур.

Это реальный путь экологизации нашего земледелия, избавления от нитратов в продукции и так далее. Но для его внедрения нужно разработать специальные препараты клубеньковых бактерий, следить за микробиологическим составом почв (микробиомом). Изучением этого процесса и разработкой соответствующих технологий я в том числе занимаюсь. И один из учебных курсов, которые читаю в «Сириусе», посвящен как раз взаимодействию микробов и бобовых культур.

Ценность бобовых

— На планете огромный дефицит белка в пище, только в России он составляет один миллион тонн в год. Чтобы покрыть его, нужно разводить больше животных, что сложно, дорого, этически и экологически плохо.

Растительный белок ничуть не хуже —это полноценная замена мясу. Он обогащен некоторыми незаменимыми аминокислотами, которые человеческий организм не может синтезировать. Бобовые — не самые урожайные культуры, но самые ценные по содержанию белка.  И только бобовые умеют получать азот без использования удобрений — с помощью азотфиксации в результате симбиоза с микроорганизмами. Ни злаковые, ни пасленовые этого не умеют.

В чечевице много белка, клетчатки, железа, калия, цинка и других полезных витаминов и минералов Изображение: © Karel Pesorna / Shutterstock / FOTODOM

Перспективная область исследований — перенос полезных генов бобовых растений другим видам, чтобы они могли также вступать в эффективный симбиоз.

«Хранилище Судного дня»

— Во всем мире с каждым днем растет понимание важности биоресурсных коллекций. Сегодня Россия в этом отношении занимает очень хорошие позиции. Если пресловутое «хранилище Судного дня» на Шпицбергене представляет собой просто коллекцию образцов удачных сортов, то Вавиловская коллекция семян ВИР, собранная в результате 110 экспедиций по всему миру, представляет собой семенной банк представителей различных культур, связанных по происхождению, сохраняющих генетическое разнообразие, а значит, потенциал изменчивости. Для прикладных задач селекции это представляет огромную ценность, так же как и для фундаментальных исследований.

Первая в истории коллекция семян научно-прикладного назначения была создана в 1920-х годах российским ботаником Н.  И. Вавиловым в пригороде Ленинграда. В годы холодной войны семенные банки, устроенные по советской системе, начали появляться по всему миру.

Строительство Всемирного банка-семенохранилища для сохранения посадочного материала всех сельскохозяйственных растений, существующих в мире, началось в 2006 году. Проект осуществлялся на средства Норвегии и стоил ей 9 млн долларов. Хранилище было построено на острове Шпицберген в 2008 году.  Его глубина — 130 метров.

Фундаментальное образование и современные вызовы

Дмитрий Николаевич Прянишников Фото: © Научная Россия

— Один из корифеев агрохимии Дмитрий Прянишников говорил: недостаток агрономических знаний нельзя восполнить удобрениями. Мы проанализировали знания, которые получают выпускники, с точки зрения практической полезности, и выяснилось, что наши студенты, которые хорошо знают молекулярную биологию, генетику, генную инженерию, геномное редактирование, при этом слабо знакомы с реальными задачами и вызовами, которые стоят перед сельхозпроизводством, — дефицитом удобрений, пестицидов, заморозками, засухами и т.д. Таких специалистов в стране огромный дефицит. Оборудование можно закупить, а вот собрать в одном месте хороших исследователей, организовать и мотивировать общей идеей — это более сложно и важно. Сейчас мы нацелены на то, чтобы этот недостаток преодолеть. Стоит задача — создать новые лаборатории работающие в сфере генетики и микробиологии.

Востребованность специалистов и перспективы «Сириуса»

— Сегодня специалисты в микробиологии и генетике чрезвычайно востребованы. Агропромышленные предприятия, медицина и фармакология, производство вакцин, криминалистика и другие отрасли. Современные специалисты должны быть вооружены глубокими знаниями в самых разных областях. Здесь в «Сириусе» мы стараемся их дать по классическим стандартам биологического факультета Санкт-Петербургского университета, в котором один из лучших профессорско-преподавательских составов в стране дает базовое фундаментальное биологическое образование. Важен высокий уровень здешней инфраструктуры, приборов, помещений, потому что:

Работа современного генетика настолько специфическая, что в лаборатории даже воздух должен быть специально подготовлен

— Думаю, через некоторое время мы наладим сетевое обучение, и наши выпускники будут получать сразу два диплома — Санкт-Петербургского университета и НТУ „Сириус“. Также можно говорить о создании в перспективе на базе „Сириуса“ научной школы.  Здесь уже работают выдающиеся ученые — академики Евгений Рогаев и Сергей Недоспасов, которые ведут магистерские и аспирантские образовательные программы.