Что будут есть земляне завтра?

Доступность питания – одна из главных проблем планеты. Призрак голода парит над человечеством с момента появления первых людей. Но в последнее время к привычным причинам – природным катаклизмам, политическим и экономическим интригам присоединилась и ещё одна – нас становится слишком много, и прежние модели ведения сельского хозяйства вот-вот исчерпают себя. Как ученые сегодняшнего дня предлагают решать эту завтрашнюю проблему?

Мы живем в последнем столетии традиционной еды – такой, какой человечество знало ее в течении тысячелетий. Около миллиона лет назад первобытные люди освоили огонь и получили ключевое преимущество в борьбе с другими видами – горячую пищу. Следующий скачок был сделан примерно в XI-X тысячелетиях до н.э., когда началось возникновение сознательного скотоводства и оседлого земледелия. Начало осознанного разведения овец и коз относится к X-IX тысячелетию до н.э., через 2,5 тыс. лет к ним добавились туры, предшественники современных коров, еще через 3 тыс. лет – птицы. Примерно в то же время началось и «приручение растений». В IX тысячелетии до н.э. в Месопотамии окультурены пшеница и ячмень, а в Америке в VIII тысячелетии – картофель. И на этом все.

Настенная роспись из гробницы Сеннеджема в Фивах, датируемая ок. 1200 г. до н.э. Изображение: Wikimedia Commons

За последующие десять тысяч лет в питании людей ничего принципиально не изменилось. Несмотря на появление всяческих технических приспособлений, облегчавших хранение и приготовление пищи, суть оставалась прежней: процесс нашего питания заключался в потреблении продуктов растениеводства и животноводства, преимущественно после их теплой обработки.

Еда и едоки

Однако в конце XX века проблема исчерпания традиционных источников пищи стала очевидной, а в начале XXI века – насущной. Немалая доля ответственности за произошедшее лежит на плечах двух ученых: Александра Флеминга и Роберта Оппенгеймера. Первый распахнул дверь для производства антибиотиков, существенно увеличивших общемировую продолжительность жизни. Второй создал ядерную бомбу, тем самым поставив человечество перед необходимостью положить конец крупным войнам с их многомиллионными жертвами. Как результат, население Земли начало расти с невиданной ранее скоростью.

Для жизни человека нужна территория. И в этом смысле он становится конкурентом своей же пище – скоту и агрокультурам, которым тоже нужны земельные угодья. Учитывая, что климатические предпочтения у человека, быка и пшеницы примерно одинаковые, размер этих территорий существенно сокращается. Масла в огонь добавляет глобальное потепление: оно опустынивает тропические земли куда быстрее, чем делает пригодными для жизни полярные.

Для жизни человека нужна территория. И в этом смысле он становится конкурентом своей же пище – скоту и агрокультурам, которым тоже нужны земельные угодья. Учитывая, что климатические предпочтения у человека, быка и пшеницы примерно одинаковые, размер этих территорий существенно сокращается. Масла в огонь добавляет глобальное потепление: оно опустынивает тропические земли куда быстрее, чем делает пригодными для жизни полярные.

Из основных компонентов пищи наименее дефицитными являются простые углеводы. В ряде регионов Земли ощущается нехватка жиров и сложных углеводов. Но главная проблема – белковое голодание. Считается, что почти половина землян страдает от недостатка пищевого белка (протеина), его дефицит оценивается примерно в 15 млн. тонн в год, то есть около 2 кг на человека.

Оптимизация сельскохозяйственных технологий, в том числе путем тотальной химизации сельского хозяйства, начавшаяся в середине ХХ века (заметьте, именно тогда, когда свои эпохальные изобретения сделали Флеминг и Оппенгеймер) дали нам несколько десятилетий передышки. Но революция не за горами, и это признают все. Вопрос лишь, по какому пути она пойдет.

Оторваться от земли

Проблема нехватки сельскохозяйственных земель отчасти может быть решена вертикальным
растениеводством. Точно так же, как многоэтажное строительство позволяет разместить много людей на ограниченной территории, вертикальное растениеводство позволяет без расширения занятой площади увеличить её продуктовую производительность в разы. В принципе это не ново: нечто подобное происходит в теплицах. Но промышленные масштабы могут вывести сельское хозяйство на совершенно новый уровень.

Важно понимать: вертикальное растениеводство – это не просто грядки в несколько рядов, а сложная наукоёмкая отрасль, которая позволит в перспективе вообще отказаться от использования дефицитной почвы для выращивания трав и овощей. Существует три основных направления такого ведения дел:

• Гидропоника – использование минеральных питательных растворов в водном растворителе. Вместо сложной и не всегда полезной биоты натуральной почвы – ее тщательно отобранные аналоги;
• Аквапоника остроумно использует обитателей воды (главным образом рыб и улиток), создающих питательную среду для растений. Продукты жизнедеятельности рыб утилизируются бактериями и растениями;
• Аэропоника выращивает растения просто «в воздухе»: питательные вещества часто или непрерывно подаются к корням с помощью аэрозолей.

А теперь перечислим основные плюсы этого набора технологий. Во-первых, экономия территории при переходе от двухмерного хозяйства к трехмерному. Имея как минимум километр полноценной атмосферы над головой, мы используем пока только пару метров. Во-вторых, перед нами практически полное решение проблемы насекомых-вредителей: там, где нет почвы, нет и питательной среды для большинства из них. А значит, резко снижается необходимость в агрессивных инсектицидах, то есть пища становится более здоровой. В-третьих, вертикальное земледелие использует примерно на 70% меньше воды по сравнению со стандартными методами. Это особенно важно, потому что пресная вода будет оставаться одним из самых дефицитных ресурсов планеты еще очень долго.

Изображение: AI-generated by A.Romantsova

Самым известным предпринимателем в этой сфере является Кимбал Маск, брат Илона Маска. В 2016 г. он основал в Бруклине закрытую городскую ферму Square Roots, где выращиваются продукты питания в гидропонных, закрытых, климатически контролируемых контейнерах для транспортировки. Уже год спустя Маск-младший был назван на Всемирном экономическом форуме «глобальным социальным предпринимателем года».

Вкусовые обманки

Менее радикальным выглядит изготовление того же протеина из более- менее традиционных растений при создании мясного вкуса. Поскольку традиционное мясо состоит главным образом из четырех основных элементов (протеина, жиров, микроэлементов и воды), остается найти аналогичное соотношение растительных компонентов. Для этого растительный белок подвергают ферментации со свекольным соком, добавляют натуральные ароматизаторы и фруктовоовощную основу. На выходе – цвет и вкус настоящего мяса, то же содержание калорий, белков и чуть меньше жиров. Микроэлементы тоже сохраняются. В растительной пище нет витамина B12, защищающего от анемии, но в растительное мясо его добавляют.

Спрос на подобные технологии растнт. Авторы исследования, опубликованного Bloomberg и проведенного консалтинговой компанией в сфере исследования рынков Grand View Research, полагают, что к 2030 году размер рынка растительного мяса (на основе сои, гороха, пшеницы и т.д.) достигнет 24,80 млрд долларов США, увеличиваясь за это время в среднем на 24,9% за год.

Встает резонный вопрос, зачем это все надо. Ведь основные источники растительного белка (горох, соя, пшеница, конопля) тоже требуют обширных территорий и природных ресурсов. И все же нагрузка на природу от мясного животноводства в разы выше: животным нужно как место для выпаса, так и корм, который тоже должен где-то расти. В Российском Союзе производителей продукции на растительной основе указывают, что на тот же объем растительного мяса по сравнению с говядиной приходится в 4 раза меньше выбросов парниковых газов, в 13 раз меньше земельных ресурсов, в 8 раз меньше воды. То есть перед нами не столько революция в питании, сколько триумф осознанного потребления. Важный плюс этой технологии состоит в том, что она не требует от потребителя, по крайней мере российского, резко менять пищевые привычки. О большинстве других технологий производства «новой еды» этого не скажешь.

Мучные черви: дешево, сердито, знаменито

Замена традиционного мяса белком из насекомых – один из триггеров современных кулинарных дискуссий, ведь насекомые размножаются гораздо быстрее млекопитающих и способны куда быстрее насытить нас протеинами. Западные знаменитости охотно приучают общество к новой пище. Джастин Тимберлейк на камеру угощал гостей блюдами с муравьями и кузнечиками, Анджелина Джоли напоказ учила своих детей есть тарантулов, а Николь Кидман поедала палочками живых червяков. Отметились в этом списке и многие другие звезды.

Изображение: Freepik

Собственно, что ужасного в поедании членистоногих? Любимые многими креветки – не такие уж далекие родственники обыкновенных тараканов. И выращенный на правильных и безопасных, а не «помоечных» кормах таракан вполне съедобен. Главное – хорошо пережевать хитин. Во многих странах членистоногих едят давно. Например, в Таиланде, где мадагаскарские тараканы – деликатес. Кстати, именно тараканы и их ближайшие родичи термиты составляют 40% от общей массы наземных членистоногих.

Впрочем, некоторые компетентные лица высказывают по поводу такой пищи обоснованные опасения. Например, доктор биологических наук Николай Дроздов, знакомый многим телезрителям, сообщил «Москве 24»: «У жуков и тараканов в теле очень много защитных желез, которые скапливают ядовитые вещества. А вот личинки жуков – это хорошо! Возьмите майского жука – его же есть нельзя, все горькое и противное. А у его личинок, которые живут по два-три года в земле, жирное толстое тело. Вполне можно сварить или на палочки нанизать и пожарить».

Именно личинки большого мучного хрущака – мучные черви – считаются сегодня главным пищевым насекомым. Их давно используют для корма птиц и рыб как наживку в рыболовстве. Теперь, похоже, настало время и «цивилизованному человеку» отведать это лакомство (в примитивных племенах, еще сохранившихся в отдаленных уголках Земли, червей и личинки с аппетитом едят с первобытных времен до сего дня). К слову, тысячелетиями мучные черви питались в том числе и человеческими останками, о чем хорошо знают судебные энтомологи. Так что в каком-то смысле человечество придумало страшную месть червякам.

В 2021 году Постоянный комитет Евросоюза по растениям, животным, продовольствию и корму (PAFF Committee) одобрил продажу сушеного желтого мучного червя. Позже список расширился до четырех видов насекомых. Уже продаются котлеты, неотличимые по вкусу от говяжьих, но сделанные из переработанных личинок. Некоторые считают сушеных червей отличной закуской к пиву, существует сделанная из них мука. В общем, хрущаки уверенно входят в наш рацион.

Доктор медицинских наук, профессор кафедры патофизиологии Первого МГМУ имени И.М. Сеченова Антон Ершов говорил об этом «Царьграду»: «Я вас, наверное, расстрою, но во всем мире есть уже еще более изощренные способы получения протеина, чем традиционное мясное скотоводство. Протеин – это просто основа мясного продукта. Есть разработки, где генетически измененные бактерии могут синтезировать протеин из твердых канализационных отходов. Поэтому, когда предлагают протеины червей и других насекомых, это еще совсем не плохой вариант».

Возможно, он прав. Но скорее всего, в России этот опыт еще долго не получит распространения. Во-первых, пока у нас, в отличие от многих стран, хватает своей еды, а во-вторых, культурные традиции не позволяют.

Зачем растить цыпленка, если хочешь только крылышко?

А что, если вообще не использовать территорию, но при этом производить полноценное мясо? Мясо – это мышцы, а современная технология позволяет выращивать мышцы вне организма.

По изначальной технологии, запатентованной в Нидерландах на рубеже веков, на биологическую основу из коллагена высевали мышечные клетки и заливали питательным раствором. Как известно, коллаген – это белок, составляющий основу соединительной ткани организма. В качестве пищи он считается низкокачественным, так как не содержит полного набора необходимых человеку аминокислот. В случае искусственного выращивания «мяса» коллаген можно сравнить с почвой, клетки с семенами, а раствор – с дождем, солнцем и другими факторами, заставляющими семена расти. Только в данном случае растут мышцы – самая съедобная часть живых организмов.

Изображение: Freepik

Эта технология до сих пор считается спорной. Так, в 2023 году Министерство сельского хозяйства США вторым в мире после Сингапура одобрило производство и продажу куриного мяса, выращенного в лаборатории. А вот Италия, напротив, запретила производство и импорт подобной продукции. Но эксперименты продолжаются, и методы создания мышечных тканей без организма постоянно совершенствуются.

Как правило, выглядит это так: у животного под анестезией берут кусок мышцы, из него выделяют стволовые клетки и помещают в биореактор с питательной средой. Эта среда содержит витамины, белки, глюкозу и другие необходимые вещества. Из клеток можно целенаправленно формировать мышцы, жир и соединительные ткани, чтобы создать полноценный продукт. Проще всего сделать таким образом мясной фарш, а не цельный структурированный кусок мяса. Хотя здесь на помощь приходит еще одна передовая технология: говяжьи стейки из лабораторного мяса научились печатать на 3D-принтерах.

Так что, возможно, не за горами реализация пророчества Уинстона Черчилля, который почти 100 лет назад предсказал, пусть с небольшой ошибкой в сроках: «Через пятьдесят лет мы не будем абсурдно выращивать целого цыпленка, чтобы есть только грудки или крылышки, а будем выращивать эти части отдельно в подходящей среде».

Назад к одноклеточным

Из-за развития промышленности и изменения климата сельскохозяйственных угодий в мире становится все меньше – это факт. Но факт этот выглядит куда менее драматично, если вспомнить про самое большое «поле» на планете – мировой океан.

Многоклеточные водоросли употребляются в пищу испокон веков, но сейчас может наступить эра их старших собратьев – одноклеточных. В 2020-е годы появилась целая серия исследований, показывающих, что дефицит белка может быть покрыт с помощью выращивания одноклеточных водорослей в приморских районах. Оно почти не требует ни земли, ни воды, ни удобрений. Так, например, в журнале Oceanography группа ученых под руководством профессора Чарльза Грина опубликовала результаты работы, выполненной по заказу Министерства энергетики США. И хотя этот труд затрагивает больше экологических, чем гастрономических аспектов, в нем содержится важное утверждение: «Выращивание морских микроводорослей на объектах береговой аквакультуры потенциально может обеспечить производство эквивалентного количества продуктов питания менее чем на одной десятой площади суши. Кроме того, поскольку морские микроводоросли не требуют почвы и орошения, их выращивание не требует конкуренции с сельским хозяйством и другими заинтересованными сторонами за пахотные земли и пресную воду».

Одноклеточные водоросли хлорелла. Изображение: Andrei Savitsky, CC BY 4.0  via Wikimedia Commons

Сравнение разведения микроводорослей и сои не оставляет сомнений в преимуществе выходцев из моря. Так, мировое производство сои в 2020 году составило 353 млн тонн в год на урожайных пахотных землях площадью 1,3 млн км². Содержание белка во влажной биомассе составляет 13%, то есть 46 млн тонн в год. Для аналогичного количества белка из водорослей потребуется лишь 13 700 км² – в 95 раз меньше. И это при гораздо меньшем расходе воды и использования удобрений, в частности, фосфатов!

Разумеется, белковая масса одноклеточных водорослей – это не конечный пищевой продукт, а лишь основа для дальнейшего производства самой разной еды. Современная кулинария позволит сделать из этой массы имитацию практически любого богатого белком блюда. Но долгий путь к массовому промышленному производству здесь пока даже не начат.

Бактерия в халате шеф-повара

А что если вообще забыть и о растениях и животных? В своем докладе «Биологические ресурсы – истоки и пределы существования современного человеческого общества: от фотосинтеза к электросинтезу?», прочитанном в 2024 г. на встрече глав Академий наук стран БРИКС в Курчатовском институте, профессор, доктор наук, академик РАН Николай Янковский заявил, что из ситуации есть и другой выход: «Растения мы выращиваем уже 10 тысяч лет. Но есть другое средство производства еды – это микроорганизмы, которые могут производить те же вещества, не требуя ни почвы, ни света, ни семян, ни комбайнов, ни поверхности Земли, которая нам самим нужна для комфортного существования. Мы можем получать практически любые питательные органические вещества не сельскохозяйственным способом, а на микробиологическим производстве благодаря созданию организмов, продуцирующих такую еду».

По словам Николая Янковского, вес собранных семян пшеницы в среднем за год увеличивается в 100 раз по сравнению с весом семян посеянных. А бактерии могут за то же время увеличить вес продукции в миллиарды миллиардов раз, что освободит огромное количество земель для любых целей.

Переход с растительного на микроорганическое производство – это ключевая возможность решения продовольственных проблем. Выведены микроорганизмы, которые продуцируют органические вещества в специально созданном растворе, а источником энергии для них может быть... электричество, дающее тепловую энергию для переработки органики.

Как подчеркивает Николай Янковский: «Микроорганическое производство гораздо более технологично, воспроизводимо, стабильно, независимо от внешних условий и обеспечено ресурсами. Оно не зависит от климата и может быть налажено в любой стране». «Налажено в любой стране» – это значит, что не будет больше несправедливого распределения, не будет преференций для развитых стран, мир станет спокойнее и стабильнее. Звучит заманчиво...

Ничего принципиально нового в микробиологии нет. При производстве пищи и напитков человечество очень давно пользовалось помощью дрожжей, молочнокислых бактерий, плесневых грибов и так далее. Например, попадая в муку, микроскопические грибы дрожжи перерабатывают содержащиеся в ней сахара, глюкозу, мальтозу в углекислый газ и этиловый спирт. Однако и сами дрожжи более чем наполовину состоят из протеина и увеличивают тем самым питательность хлеба. А на данном этапе развития науки мы способны подобрать или вывести микроорганизмы, перерабатывающие практически любые виды органики в другие ее виды. Учитывая, что сами грибы или бактерии при этом активно размножаются, они увеличивают объем и массу итогового продукта.

Не хочется питаться бактериями? Так мы и сейчас едим их. Сельское хозяйство крайне сильно зависит от почвенного микробного биоразнообразия и растительных микробиомов, которые влияют на опыление, здоровье, урожайность, питательность и вкус растений. (прим.ред.: микробиом – сообщество микроорганизмов, населяющих конкретную среду обитания. Самыми генетически разнообразными являются почвенные микробиомы).

Нашим пищеварением, кстати, тоже управляют бактерии, и проблемы в этоммикробиоме называются дисбактериозом. А сейчас технологии вышли на тот уровень, когда мы можем запрограммировать создание пищевой биомассы с практически любыми заранее заданными свойствами.

Биологи из Датского технического университета указывают, что «мы ослабим потенциал глобального потепления на 80%, а также сократим землепользование и водопользование, если удастся заменить все продукты животного происхождения на новые продукты питания, в частности, на микробные белки и молоко, получаемое в результате прецизионной ферментации; мы сократим на 50% обезлесение и связанные с землепользованием выбросы в атмосферу углерода, если 20% мяса жвачных животных будет заменено микробным белком, который выращивается на потоках отходов производства сахарного тростника». И далее: «Созданная из сточных вод путем извлечения питательных веществ и анаэробного сбраживания микробная биомасса, если сравнивать ее с говядиной, снижает на 96% негативное воздействие на климат, улучшает на 99% землепользование и снижает на 85% потребление пресной воды».

Действительно, сырьем для бактерий может быть практически что угодно, любая органика. В 2018 г., например, учеными из Пенсильвании для космических целей создан биореактор, преобразующий отходы жизнедеятельности астронавтов в питательную смесь из белков и жиров. Активные работы идут в аналогичном направлении и в Институте общей генетики им. Н.И. Вавилова и ряде других российских научно-исследовательских организаций. Там экспериментируют с ацетогенами, способными под воздействием электричества образовывать органические вещества из неорганического водного раствора. В перспективе это станет масштабным производством питания как минимум для животных.

Изображение: Freepik

Итак, делаем выводы. Во-первых, производство микробной биомассы оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем любой другой способ производства продуктов питания. Во-вторых, с развитием биореакторов проблема пищевых отходов попросту исчезает: к любомуотходу можно подобрать ферментирующие бактерии, которые изготовят для нас вкусную и полезную пищу. Границ у технологий ферментирования нет, поэтому такая пища может полностью заменить традиционные продукты. Это в-третьих.

Но есть и некое «в-четвертых»: на данный момент массового производства подобной пищи нет, отчасти из-за ограничений со стороны регулирующих органов. Но можно не сомневаться, что рано или поздно барьеры будут снесены и нас ожидает взрывной рост подобных технологий.

Про ГМО не забыли?

Нет, не забыли. Вокруг генной модификации сломано столько копий, что одна маленькая главка в одной статье не может претендовать на какую-либо полноту в освещении вопроса. Но несколько слов сказать, наверное, надо. И вот почему.

Те микробиологические технологии, о которых мы говорили выше, невозможны без генной модификации бактерий, которые будут изготавливать для нас белок и другие питательные вещества. Да и микроводоросли при широком распространении тоже, несомненно, придется подкорректировать для лучшей урожайности.

Сами по себе генетические технологии, конечно, не новы. Привычная нам селекция растений и животных есть ни что иное, как искусственный подбор нужных комбинаций генов экспериментальным путем. Но в случае ГМО речь идет уже не об отборе представителей нового поколения с оптимальными признаками, а о генной инженерии – создании таких организмов, которые невозможно или очень долго получать естественным путем. При этом нужно отличать генетически редактированные организмы от генно- модифицированных: в первых только изменен исходный код, во вторые добавлены фрагменты чужого кода.

Для чего нужна генная модификация? Очевидно, для придания растению, животному или бактерии нужных свойств. В частности, эти технологии помогают сделать организмы устойчивыми перед определенными заболеваниями, «невкусными» для тех или иных видов насекомых, адаптированными к тому или иному климату и так далее. Уже есть сорта деревьев с повышенным содержанием целлюлозы, есть устойчивые кафриканской свиной чуме свиньи, есть множество «улучшенных» сортов сои, картофеля, хлопка, кукурузы. Они действительно дают бОльшую урожайность и реже болеют.

Главная цель этого направления генных технологий – повышение продуктивности. То есть решение продовольственной проблемы, борьба с голодом. Неудивительно, что ГМ-растения особенно охотно высаживают в бедных странах, где проблема урожая критична.

В России промышленные технологии ГМО запрещены, ввоз содержащих ГМО продуктов разрешен, но строго контролируется. В то же время мы не можем допустить технологического отставания, и разработки ГМО-технологий в научных целях идут. Так, например, в 2022 году во Всероссийском НИИ сельскохозяйственной биотехнологии вывели нецветущий картофель. Теперь энергетические ресурсы, которые прежде шли на цветение, могут пойти на образование клубней и, следовательно, на повышение урожайности. Ученые надеются, что рано или поздно законодательство изменится и их работа послужит продовольственной безопасности страны.

Автор с большим уважением относится к аргументам ГМО-скептиков (все- таки последствия подобных вмешательств просчитать до конца невозможно), но его личное мнение – они уже проиграли. Потому что нас много, а еды мало.

Что дальше?

Разумеется, при любом раскладе традиционное сельское хозяйство останется. Просто его объемы сократятся в разы, а продукция будет дорожать, становясь признаком принадлежности к привилегированным сословиям. Кстати, такие процессы также не новы. Нечто подобное произошло с икрой лососевых и особенно осетровых: сокращение производства и рост населения сделали некогда обычную пищу средних сословий элитарной. И открыли дорогу на прилавки ее синтетическим аналогам.

Надо добавить, что Россия с ее обширными нехимизированными угодьями и отказом от ГМО занимает и весьма перспективную нишу производителя «органических» продуктов, так что в будущем это может стать одной из визитных карточек страны. (О том, что такое «органические продукты», мы расскажем в одной из наших следующих статей).

Однако постепенно человечество в подавляющем большинстве перейдет на синтезированную пищу, технологии производства которой будут становиться все более эффективными, пока питание человека не станет полностью безотходным. При этом наука наверняка поможет организму направлять питательные вещества в нужные точки без лишней траты энергии. И люди будут жить по 200 лет, но съедать при этом меньше, чем сейчас за 70.

А пока наслаждаемся настоящим. На наш век привычного питания хватит... Тем более, что Россия и Канада – страны, единственные в своем роде – они производят продовольствия больше, чем потребляют.

Михаил Мельников

Изображение на обложке: Freepik