От пробирки до кастрюли: Как ученые разрабатывают продукты, которые мы едим каждый день

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.