Аграрии на страже экологии

А.А.Жученко-мл., директор Научного Центра «ЭкоВИЛАР», академик РАСХН

По данным ВОЗ, с начала ХIХ столетия в атмосфере возрастает концентрация углекислого газа, что в значительной мере является следствием более широкого использования природного топлива. В последние годы этому также способствует выращивание сельскохозяйственных культур на территории вырубленных и выжженных тропических лесов. Эмиссия углекислоты стремительно растет на всем протяжении ХХ столетия, преимущественно в результате более широкого использования азотных удобрений. В атмосфере возрастают концентрации метана, что связано с расширением животноводства, увеличением площади монокультурных плантаций (например, риса), нарушением целостности забоев угольных шахт и нефтяных скважин. Все это способствует глобальному потеплению и может привести в ближайшем будущем к учащению таких явлений, как жаркое сухое лето, сильная засуха или наводнения, ураганы, внезапные приливы и отливы, и к другим непредсказуемым аномалиям.

Поэтому средоулучшающие фитотехнологии – будущее нашего общества. В основе средоулучшающих фитотехнологий лежат знания об эволюционной «памяти» человека о среде обитания и средоулучшающих свойствах планетарного флористического биоразнообразия по генетическим, эмбриологическим, физиологическим, биохимическим, морфологическим, технологическим и эстетическим характеристикам, обеспечивающие формирование универсальной для человека среды обитания.

Подавляющее большинство промышленных и сельскохозяйственных технологий, разработанных в XX столетии, средозагрязняющие и средоразрушающие. Так, уникальная технология загрязнения ХХ века – автомобиль, при которой на каждую тысячу километров пробега в среднем сжигается годовая норма потребления кислорода одним человеком.  Процессы урбанизации стремительно охватили весь мир. Сегодня ВОЗ беспокоит, что мы приближаемся к отметке 70% урбанизированных территорий. Россия перешагнула 50%-ный барьер в 1958 году, когда число городских жителей сравнялось с числом сельского населения. Сегодня эта цифра составляет в среднем 72% для России, где северные города и мегаполисы занимают доминирующее положение. В мировом масштабе лишь в 2007 году большинство стран перешагнули рубеж 50%, когда  городское население стало доминировать над сельским населением.    

По приблизительным подсчетам, растения Земли, как «зеленые экраны» ежегодно усваивая 6·10¹⁷ ккал энергии солнечной радиации, поглощая до 300–600 млрд т углекислого газа и 2 млрд т азота, выделяют в атмосферу примерно 150–300 млрд т свободного кислорода и синтезируют 150–450 млрд т органического вещества. Такова космическая роль зеленого растения, значение которой определил академик К. А. Тимирязев. При этом пока нет даже приблизительных расчетов состава и количества разнообразных органических и неорганических химических веществ, постоянно выделяемых растениями в атмосферу и поглощаемых ими из воздуха, воды и почвы. Фактически миллионы лет сопряженная эволюция сотен тысяч видов растений обеспечила универсальность среды обитания человека. Открытие земледелия более чем за 600 поколений до нас решило  будущее нашей планеты. Мы стали аграрной цивилизацией. Однако, человек недостаточно учитывал масштабы средоулучшающей роли сельского хозяйства, не  проводил специальной селекционной работы по созданию «кислородоурожайных» сортов и гибридов. При этом, некоторые виды растений характеризуются высокими показателями по синтезу кислорода, особенно  быстрорастущие травы, например, лен, кукуруза, тростник и др., которые значительно превосходят деревья по синтезу кислорода в единицу времени. Недостаточно научных исследований сравнительной оценки естественных фитоценозов и отдельных видов растений по эффективности фотосинтеза особенно в агроценозах.

Растительный ресурсный потенциал Российской Федерации достаточно велик и разнообразен (полярные пустыни, тундры, леса и степи); 94% (1,6 млрд. га) земельного фонда страны покрыто в той или иной мере растительностью. Площадь земель лесного фонда Российской Федерации составляет более 1000 млн. га, из которых около 100 тыс. га ежегодно исчезает. Основные растительные ресурсы Российской Федерации составляют:  леса до 1000 млн. га (кедровые леса до 40), лесопарковые зоны – более 10, сады – 10, зерновые и зернобобовые до 50, кормовые культуры около 20 млн. га и др. 

На нашей планете леса уничто­жаются со скоростью 20 гектаров в минуту. Это означает, что при годовом потреблении челове­ком около 0.4 т атмосферного кислорода, а его могут произвести в среднем 0.3 га леса, ежеминутно сокра­щается возможность существования  около 70 человек (Замолодчиков, 2006).   Помимо сжигания ископаемого топлива, кис­лород потребляется при окислении биомассы и органического вещества почвы. Эти процессы также стимулируются влиянием человека, напри­мер, при вырубке лесов, сельскохозяйственной обработке почвы, осушении болот и др.. Окисление органических веществ является либо результатом деятельности организмов-деструк­торов (гниение растительных остатков, минера­лизация почвенного гумуса), либо горения (лес­ные пожары, палы на сельскохозяйственных землях).  Го­рение является типичной окислительно-восстано­вительной реакцией, в которой восстановителем выступает топливо (нефть, природный газ, ка­менный уголь), а окислителем - атмосферный кислород.

Сегодня суммарный вклад челове­ка в потребление кислорода оценивается более 30 Гт. В расчёте на душу населения по антро­погенному потреблению кислорода лидируют США и Канада, где эта величина составляет соот­ветственно 20 и 18 т на человека в год. Третье ме­сто занимает Российская Федерация - 12 т, что связано с высокой энергоёмкостью внутреннего валового продукта, а также холодными климати­ческими условиями. В Японии и странах ЕС потребление кислорода находится в пре­делах 9-11 т, а 0.5 т  приходится на африканские страны.  В расчёте на общую площадь страны лидирует Япония, которая сжигает 32 т кислорода на 1 га площади в год (рис. 2). Затем следуют Великобритания, Германия и США. В среднем в мире потребление кислорода состав­ляет около 2 т на 1 га ,  в Российской Федерации почти в два раза меньше.

Растения суши  еже­годно выделяют в атмосферу 336 Гт О₂ , часть которого ис­пользуется на дыхание, что составляет 168 Гт.  С позиций устойчивого развития промышленное потребление кислорода на терри­тории страны или региона не должно превышать возможность растений данного региона по воспроизводству атмосферного кислорода в результате фотосинтеза. Производство кислорода раститель­ными ресурсами России существенно превосходит его потребление экономикой страны, в результате чего наша страна имеет ежегодно 5.4 млрд. т "из­быточного кислорода".  Поэтому мировое сообщество может найти справедливое решение этого вопроса при квотировании промышлен­ного потребления кислорода.  Кислород производит, как правило, растущий лес. В спелом лесу годичные по­токи продукции и разложения сбалансированы. Поэтому роль спелых лесов  со­стоит в хранении связанного углерода. В литературе широко используется выраже­ние "леса - лёгкие нашей планеты". Однако, кислород произво­дят лишь растущие леса, где углерод из атмо­сферного углекислого газа складируется в био­массу деревьев, при этом, значительная средоулучшающая роль растениеводства в сельском хозяйстве сегодня недостаточно изучена.

Развитие фундаментальных исследований в биологии на протяжении последних 100 лет ориентировано на несколько наиболее важных для питания и доступных для генетико-селекционного изучения видов растений — так называемых модельных объектов — пшеницу, кукурузу, томат, горох, рис и др.  В начале ХХ в. академик Н. И. Вавилов открыл центры происхождения культурных растений, для которых сегодня детально изучена частная генетика, созданы сотни тысяч высокоурожайных сортов и гибридов сельскохозяйственных культур для различных зон промышленного возделывания их на нашей планете.  Однако, центры происхождения средоулучшающих видов растений малоизучены. Отсутствуют также специализированные  сорта и гибриды с высокими средоулучшающими свойствами. При этом важную средообразующую и средоулучшающую роль могут выполнять не только деревья, но и травы, кустарники, лианы, включая различные типы агроценозов и естественных фитоценозов.  Например, агроценозы могут быть в несколько раз более эффективны по синтезу кислорода и утилизации углекислоты, чем леса.

Большинство видов растений, распространенных в зонах умеренного, тропического и северного климата, ассимилируют СО₂ через промежуточное образование трехуглеродных фосфорсодержащих органических соединений – С3-тип. Значительно меньшая группа тропических и субтропических растений характеризуется первичной ассимиляцией СО₂ в четырехуглеродные дикарбоновые кислоты – С4-тип. Многим видам С4-растений присущи высокая суточная продуктивность сухого вещества, повышенная интенсивность фотосинтеза, высокая интенсивность роста, эффективность использования воды, устойчивость к засолению и др. Скорость фотосинтетической фиксации СО₂ у С4-растений, как правило, не зависит от концентрации в окружающей среде О₂ и СО₂. Доля С4-растений (кукуруза, сорго, амарант, сахарный тростник, некоторые разновидности проса, некоторые лугопастбищные и кормовые травы, растения прерий США, тропиков и субтропиков) не превышает 2% от общего числа видов высших растений (в основном это растения семейств злаков и маревых), однако общая биологическая продуктивность их составляет до 40% суммарной биологической продуктивности основных сельскохозяйственных культур. У С3-растений (пшеница, картофель, сахарная свекла, подсолнечник и др.) транспирационный коэффициент в 1,5-3 раза выше, чем у С4-растений и ниже температурная и углекислотная зависимость фотосинтеза. Считается, что длительное воздействие повышенной концентрации СО₂ на древесную растительность и многолетние травы может привести к снижению интенсивности фотосинтеза у С4-типа, тогда как С3-виды получат преимущество. САМ – это растения с ассимиляцией углерода по типу кислотного метаболизма толстянковых (суккулентов), произрастающих в жестком аридном климате, у которых раскрытие устьиц и ассимиляция СО₂ происходят ночью. С4- и САМ-растения похожи по биохимическим реакциям, но отличаются от С3-растений. Поэтому фундаментальные исследования в данном направлении крайне важны для более полного использования С3-, С4-, САМ-типов растений в средоулучшающих фитотехнологиях, включая значительное усиление средоулучшающих свойств растений с помощью современных ДНК-технологий.

Интенсивность дыхания оценивается по количеству выделяемого углекислого газа или поглощаемого кислорода (у растений в результате фотосинтеза); интенсивность дыхания (в миллилитрах СО₂ на 1 г сухого вещества за 24 ч): например, у сухого зерна пшеницы и ржи – 0,1-0,02; клубней картофеля – 0,12; плодов томата – 5,0-25,0; плодов яблони – 4,8-11,4; прорастающих семян горчицы – 58,0; листьев табака – 65,0; плесневого гриба (двухдневная культура) – 1750,0-1870,0. Как правило, корни дышат слабее листьев, но цветки значительно интенсивнее. Для получения урожая зерна 60 ц/га необходимо усвоение растениями посева 30-33 т углекислого газа. Растения могут усваивать бóльшие количества СО₂ с помощью турбулентного перемешивания огромных масс воздуха. Так, у травянистых растений за «рабочий» день длиной в 16 ч в среднем происходит около 1500-3000 смен воздуха в толще посева. При этом у человека дыхательный коэффициент (соотношение выделяемого из легких СО₂ к потребляемому О₂) составляет в среднем 0,75-0,90; по данным В.Н. Любименко, у растений соотношение выделяемого О₂ и потребляемого СО₂ может колебаться в пределах 1,06 и более. Некоторые растения, обладающие запасом органических кислот, определенное время могут выделять О₂, совершенно не поглощая СО₂.  Интенсивность фотосинтеза  чаще измеряется в миллиграммах СО₂, поглощенных в 1 час на 1 дм² листовой  поверхности, который неодинаков у разных видов растений: к примеру, капуста – 7,1-15,3; соя – 12,0-33,3; овес – 24,2-27,9; морковь – 9,8-22,2; томаты – 10,2-26,9; пшеница – 20,1-45,7; ячмень – 14,5-21,5; рис – 14,1-55,1; подсолнечник – 30,5-54,5; хлопчатник – 19,2-48,0; сахарная свекла – 30,7-62,5; кукуруза – 21,8-85,0; сахарный тростник – 34,4-86,4; овсяница тростниковая – 16,0-32,0 (Зеленский, 1995). Нижняя температурная граница фотосинтеза у лишайников и хвойных растений (сосна, ель) лежит в области отрицательных значений, а у растений тропиков и субтропиков минимальная точка находится в области положительных низких температур.

Сегодня рассматриваются вопросы об охране кислорода и  введение лицен­зирования на его промышленное использование, так как с каждым годом содержание кислорода в атмосфере снижается. Причин тому множество. Это сжигание ископаемого топлива, вырубка лесов, стремительное увеличение транспорта на жидком топливе, загряз­нение окружающей среды токсичными выброса­ми заводов и др.. Проблема сни­жения запасов атмосферного кислорода важна для общества. Однако, имеется сравнительно мало научных работ по проблеме снижения содержания атмосферного кислорода и современных изменений его биосферного круго­ворота, особенно в сравнении с громадным коли­чеством публикаций по парниковым газам.

В центральных и особенно северных регионах России характерен короткий вегетационный период. Растения в условиях продолжительного светового дня в короткий период могут синтезировать большое количество органических веществ. Коэффициент утилизации растениями солнечной радиации составляет от 1.91 для свеклы кормовой до 4.79 у люпина. Фактически лен и люпин являются «чемпионами» среди культурных растений в условиях севера России по фотосинтетической производительности или средоулучшающим свойствам выхода кислорода и связыванию углекислоты, что намного превышает данные показатели у бореальных лесов.

Летучие органические продукты растительного происхождения из цветков, листьев, плодов, прорастающих семян, клубней и других частей высших растений, выделяемые в атмосферу  почти всеми видами растений. Это монотерпеновые углеводороды (a-пинен, сантен, камфен, лимонен, терпинолен и др., всего 10-20 идентифицированных компонентов) и другие углеводороды (метан, этан, пропан, бутан и др.), кислородсодержащие соединения (фенхон, фенхол, камфора, изоборнеол, борнеол и др., более 10 компонентов), секвитерпеновые углеводороды, а также сложные эфиры, фенолы, альдегиды, амины, кетоны, спирты, кислоты, витамины (в выделениях органов цветка и др.), белки (как правило, низкомолекулярные) и многие другие вещества. Отличительной их особенностью является то, что они концентрируются в непосредственной близости от растений и человека. По интенсивности выделительного процесса летучих веществ цветкам растений нет равных. Состав летучих выделений большинства видов не изучен. К примеру, современными методами для идентификации состава всех летучих компонентов запаха сельдерея потребуется подвергнуть экстракции около 5 т зеленой массы. Установлено влияние летучих легких предельных углеводородов и других веществ, специфичных определенному виду растений, составу почвенного или водного субстрата, разные концентрации которых подавляют или активизируют различные процессы жизнедеятельности многих организмов, включая человека, а также обменные процессы (например, охлаждение и нагревание тканей), воздушное питание микроорганизмов, привлечение насекомых и т.д. Считается, что ежегодный мировой выход соединений, относящихся только к терпеновым производным, составляет 175 млн. т. Так, одно дерево сосны или можжевельника в благоприятные дни может выделять до 30 г летучих органических веществ. Весной запасы их в атмосфере пополняются из прогретой почвы. Осенью они поступают в воздух из отмирающих листьев и других растительных органов. Выдвинуты гипотезы о связи окислительных и деструктивных превращений фитоорганических экзометаболитов растений с возникновением гроз и торнадо, миграцией птиц и рыб, образованием нефти и подзолистых почв, а также о важном значении летучих фитоорганических веществ в жизни животных и человека. Большое значение имеют  пылеулавливающие виды  растений, которые за счет крупных листьев, покрытых мелкими волосками, обладающие электростатической способностью улавливания и задержания частичек пыли, чаще лиственные с восковым налетом и хвойные. Так, 1 га елового леса способен уловить 32 т пыли, а букового леса – до 68 т, а 1 га деревьев березы ежегодно поглощает до 50 т пыли. Пылеулавливающей способностью обладают также лещина, платан, тополь, клен, липа, каштан и др

Другим ярким примером полезных свойств растений являются средоулучшающие свойства натуральных  волокон и тканей, особенно льняных, которые угнетают  рост и размножение патогенов, обладают высокими фильтрующими и сорбционными свойствами, способствуют адаптации человека к неблагоприятным условиям среды обитания, обладают антисептическими и антистатическими свойствами, увеличивают содержание иммуноглобулина в организме человека при использовании в качестве постельного и нательного белья льняного полотна, обеспечивают терморегуляцию и способствуют нормализации сна и рекомендованы для  детей и пожилых  людей с целью профилактики различных заболеваний. В некоторых странах мира (Франция, Италия, Германия и др.) использование дорогих волокон льна в интерьере доходит до 20%, создаются экологически чистые фитокомнаты и кабинеты, где из льна делают обои,  линолеум, скатерти, мебель, гардины и др., что обеспечивает и поддерживает здоровый микрофитоклимат. 

В процессе эволюции  человек использовал лен на всех континентах тысячи лет. Окружающая нас среда обитания является продолжением нашего тела – сферой жизни, которая начинается с качества одежды и жилища. Однако  с середины ХХ века доля льняных волокон в составе тканей и в интерьере резко начала сокращаться и к началу XXI  века в развитых странах составила до 8% , а искусственные и синтетические волокна за счет композитов (смесовых тканей)  стремительно заняли доминирующее положение (более 55%) на мировом рынка волокон.  Аналогичная тенденция вытеснения натуральных товаров на мировом рынке наблюдается и в фарминдустрии, пищевой промышленности, строительстве и др. Это связано с активным продвижением  дешевых синтетических и искусственных товаров особенно в строительстве, мебелировке, предметов повседневного обихода и легкой промышленности, что загрязняет окружающую среду и снижает  адаптивный потенциал человека. 

Таким образом, техногенная революция привела к радикальному и стремительному изменению образа жизни современного человека, по сравнению с его предками. Однако геном человека не подвержен столь быстрым изменениям, как окружающая среда. Как отмечено в материалах Международного совещания «Здоровье среды:  теория и практика», «с экономических позиций довольно очевидным является следующий тезис – больная среда – дешевая среда, и чем лучше здоровье среды, тем выше может быть ее ценность».

Нами введено понятие эволюционной «памяти» человека о среде обитания. Это наследственные изменения, связанные с отбором, мутациями, рекомбинациями и коадаптированными блоками генов, обусловливающими потребность человека в здоровой  среде обитания, снижающей риск заболеваний и быстрое переутомление, улучшающей настроение и работоспособность, способствующей активному долголетию. Поэтому в системе жизнеобеспечивающих факторов (биологических, психологических, информационных, этнических, социальных,  трудовых, экономических и т. д.) следует выделить приоритеты, связанные с генетически детерминированными особенностями человека по восприятию среды обитания и значительной ролью средоулучшающих свойств растений.