Продовольственная проблема и пути ее решения
Проблема мирового голода, нехватки продовольствия является одной из самых острых глобальных проблем человечества.География голода достаточно обширна: на карте мира она охватывает большую территорию, включая почти всю Африку к югу от Сахары, Западную Азию, Южную и Юго-Восточную Азию, Карибский бассейн, часть Южной Америки. Подлинным «полюсом голода» давно уже являются африканские страны, лидирующие как по численности голодающих, так и по остроте форм проявления голода. Именно в этом регионе в течение последних двух-трёх десятилетий наблюдалось беспрецедентное обострение продовольственной проблемы, явившееся последствием катастрофических засух. Более 150 млн человек в той или иной степени страдали от пищевой дистрофии и её последствий.
Давайте порассуждаем о причинах возникновения этой глобальной проблемы и путях её разрешения.
Из курса истории вы знаете, что первобытный человек начал заниматься сельским хозяйством примерно 12 тыс. лет назад. Только охотой и собирательством уже трудно было обеспечить питание человеческой популяции, которая насчитывала тогда около 15 млн. В свою очередь, улучшение питания за счёт перехода к земледелию и развития сельского хозяйства способствовало увеличению численности людей к началу новой эры до 250 млн человек. К середине XVII в. население планеты удвоилось, достигнув 500 млн. Для следующего такого скачка, удвоения до 1 млрд, требовалось всего 150 лет, — это произошло к началу XIX в. Ещё через 150 лет человечество перешагнуло двухмиллиардный рубеж. В прошлом веке ускорение темпов роста населения, несмотря на многочисленные разрушительные войны с многомиллионными потерями, продолжилось, и, по данным ООН, к 1974 г. оно достигло 4 млрд человек. Достижение отметки 8 млрд землян ожидается в 2025 г., на 2011 г. население Земли составляло 7 млрд человек. В десятку самых многонаселённых стран мира в настоящее время входят Китай (свыше 1,3 млрд человек), Индия (1,2 млрд), США (313,2 млн), Индонезия (более 245 млн), Бразилия (196 млн), Пакистан (175 млн), Бангладеш (162,2 млн), Нигерия (154,7 млн), Россия (143 млн) и Япония (127,9 млн). Согласитесь, что вслед за ростом населения такими же темпами должно возрастать и производство сельскохозяйственной продукции,
однако оно ограничено естественными природными ресурсами, прежде всего возможностью расширения пахотных земель. И не только.
У мирового голода есть достаточно и других причин:
• бедность и нищета стран Африканского и Азиатского континентов, из-за которой население не имеет возможности приобрести семена, сельхозтехнику, удобрения, средства защиты растений;
• губительные природные факторы — жестокие засухи, наводнения, нашествия саранчи;
• социальные бедствия — вооружённые конфликты, войны, миграция, делающие невозможным мирный сельскохозяйственный труд;
• экономические факторы — стремление поддержать высокие цены на продовольствие, дискриминация мелких сельхозпроизводителей;
• политические причины — глобализация системы производства и торговли, борьба за сферы влияния, рынки сбыта продовольствия.
Сочетание всех этих факторов и является причиной грядущей продовольственной катастрофы.
ТРИ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЯ В РЕШЕНИИ ПРОДОВОЛЬСТВЕННОЙ ПРОБЛЕМЫ.
Борьба с голодом, угрожающим сокращению человечества, представляет собой серьёзную научную проблему, и в первую очередь для таких естественных наук, как биология, химия, генетика.
Очевидно, что производство сельскохозяйственной продукции не может быть существенно увеличено просто за счёт освоения новых земель. В большинстве стран вся пригодная земля уже обрабатывается.
Кроме того, расширение культивируемых площадей требует больших капиталовложений и ставит под угрозу местную экологию. Чтобы увеличить мировые пищевые ресурсы, необходимо усовершенствовать
производство и хранение пищи, обеспечить сохранность питательных веществ в почве, снабдить производителя водой и топливом, повысить эффективность использования солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Естественные науки играют в решении этих задач главную роль, поскольку позволяют разобраться в тех биохимических процессах, которые лежат в основе жизненных циклов. Мы начинаем понимать на молекулярном уровне роль тех факторов, которые можно контролировать с целью увеличения производства продуктов питания. Естествознание предлагает три основных направления в решении
проблемы мирового голода.
Первое направление — использование химических веществ для повышения плодородия почв, урожайности сельскохозяйственных культур, защиты их от вредителей, для придания растениям и животным
устойчивости к болезням.
Второе направление — получение пищевых продуктов и их заменителей альтернативным сельскохозяйственному производству путём, т. е. создание искусственных продуктов питания.
Третье направление — принципиально новые методы создания высокопроизводительных сортов растений и пород животных путём генетических изменений, придания живым организмам новых качеств и свойств, нехарактерных для данного биологического вида.
Рассмотрим достижения современного естествознания в решении продовольственной проблемы по каждому из перечисленных направлений.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ. Химическая наука разработала вещества для эффективного повышения плодородия почв, средства для борьбы с вредителями сельского хозяйства, обеспечения сохранности поголовья скота, получения новых высокоурожайных культур и т. п. Вместе с тем под постоянным контролем находятся вопросы экологической и генетической безопасности, пренебрежение которыми может привести к не менее трагическим последствиям, чем нехватка продовольствия. Например, существенный ущерб урожайности наносят вредители. Ранее главная задача химиков состояла в получении химических соединений, которые должны уничтожать насекомых или других вредителей. Однако при этом существует риск нарушения природного баланса и привнесения в окружающую среду посторонних веществ. Сегодня ставится цель кoнтролировать воздействие вредных насекомых на урожай, а не истреблять их, чтобы избежать опустошительных последствий грубого вмешательства в экологию. Исследуя биохимию организмов этих вредных насекомых, химики в состоянии ограничить наносимый вредителями урон новыми
химическими средствами, которые уже не представляют опасности для природы при сколь угодно долгом их использовании.
В настоящее время в сельском хозяйстве применяются тысячи разнообразных химических веществ.
УДОБРЕНИЯ. Как вы думаете, долго ли проживёт растение, если вместо почвы его посадить в горшок с мелкими стеклянными шариками и при этом регулярно поливать? Ответ очевиден, ведь в процессе роста и развития растение вытягивает из земли не только влагу, но и самые разнообразные питательные вещества. Они содержат химические элементы, необходимые растительному организму в сравнительно больших
количествах: макроэлементы — азот (N), фосфор (P), калий (K) и микроэлементы — бор (B), железо (Fe), медь (Сu), марганец (Мn), цинк (Zn) и др. Микроэлементы, как вы уже знаете, потому так и названы, что содержатся в организмах в незначительных количествах (менее тысячной доли процента), но совершенно необходимы для их нормальной жизнедеятельности. Сельскохозяйственные культуры, выращиваемые на одних и тех же площадях, постепенно обедняют почву. Выдающийся немецкий химик Ю. Либих (1803—1873) говорил: «Продавая урожай со своего поля, крестьянин продаёт и само поле». Для поддержания плодородия почвы необходимо пополнять в ней запас питательных веществ. Такую подпитку проводят внесением органических и неорганических веществ, называемых удобрениями. В зависимости от химического состава удобрения делятся на органические и минеральные (неорганические). Если удобрение содержит один питательный элемент, оно называется простым, если два и более — комплексным.
Природа питательного элемента определяет тип удобрения: азотное, фосфорное, калийное, удобрение с микроэлементами. Удобрения, как правило, вносят в почву. Кроме того, раствором удобрений можно опрыскивать сами растения, обрабатывать семена. При правильном применении удобрения улучшают питательный, водный, воздушный и тепловой режим почвы, её агрономические свойства, повышают урожайность сельскохозяйственных культур и качество продукции.
РЕГУЛЯТОРЫРОСТА. Они представляют собой химические соединения,которые в малых концентрациях оказывают влияние на размер, внешний вид и форму растений и животных. Это природные соединения,
синтезируемые в организме, а также некоторые вещества естественного происхождения, попадающие в организм извне. Однако регуляторами роста являются также многие сходные соединения, полученные
в лаборатории. Обычно их создают по природным образцам, и некоторые из них действуют не менее эффективно, но без нежелательных побочных эффектов. Как правило, регуляторы роста относятся к гормонам — природным химическим соединениям, обладающим регуляторным действием. Образно говоря, гормон — это химически закодированное сообщение, рассылаемое в органы и ткани организма как
приказ к определённому действию.
ФЕРОМОНЫ. Химическая сигнальная система играет в жизни насекомых, в том числе и сельскохозяйственных вредителей, чрезвычайно важную роль. Выделяя во внешнюю среду особые химические вещества, одни особи оказывают влияние на поведение, а иногда на рост и развитие других особей того же вида. Такие вещества называют феромонами. Например, с помощью феромонов, выделяемых самкой, самцы насекомых находят её за многие километры. В сельском хозяйстве феромоны применяются в борьбе с вредителями, поскольку с их помощью можно управлять поведением насекомых. Феромоновые ловушки используются для регуляции численности вредителей. Они помогают точно определить сроки применения инсектицидов и, таким образом, сократить количество применяемых
ядохимикатов. Другая их функция — заманивание насекомых. Например, в лесах Норвегии и Швеции было установлено более миллиона ловушек, дававших в течение 4 лет ежегодный «улов» в 4 млрд особей
жучка, паразитирующего на коре хвойных деревьев. Синтетические феромоны распыляют на небольшой площади вдали от посевов сельскохозяйственных культур, что позволяет дезориентировать насекомых, сбить их с естественного пути следования и собрать в огромные массы. Если это вредные насекомые, то такое массовое скопление можно прицельно обработать ядохимикатами, при этом ограничивается
площадь применения пестицидов, их количество, сохраняются от гибели полезные насекомые, например пчёлы.
ПЕСТИЦИДЫ. Так называют химические средства борьбы с сельскохозяйственными вредителями. В зависимости от того, что уничтожают пестициды, различают несколько их групп: инсектициды (средства уничтожения насекомых), гербициды (средства борьбы с сорняками), фунгициды (средства борьбы с возбудителями заболеваний растений), зооциды (вещества, уничтожающие вредных грызунов) и др. Кроме того, к пестицидам относят дефолианты (вещества, стимулирующие опадение листвы) и десиканты (вещества, вызывающие обезвоживание тканей растений, что ускоряет их созревание и облегчает уборку урожая). Пестициды используют не только как средства защиты растений, но и для уничтожения насекомых и грызунов, которые могут переносить различные болезни. Как правило, пестициды — это синтетические органические вещества. Их использование строго регламентируется законодательством во всех странах, поскольку систематическое применение стойких высокотоксичных веществ, особенно с нарушением
концентрации или технологии, может привести к загрязнению окружающей среды, гибели полезных насекомых, птиц, рыб, зверей и даже отравлению людей непосредственно пестицидами или продуктами, в которых они способнынакапливаться.Несмотря на очевидную опасность применения ядохимикатов, полностью отказаться от их использования было бы равнозначно ежегодной потере от 10 до 20% выращенного урожая, что существенно осложнило бы продовольственную проблему не только развивающихся, но и
развитых стран. Недаром говорят, что мы едим только то, что намоставляют вредители сельскохозяйственных культур.
РЕПЕЛЛЕНТЫ. Представляют собой вещества, которые используютсядля защиты людей и животных от нападения кровососущих насекомых и профилактики переносимых ими заболеваний. Действие репеллентов основано на отпугивании насекомых.В результате нападения гнуса увеличиваются потери животноводческой продукции из-за уменьшения надоев молока и замедления роста молодняка. Удои у коров могут снижаться на 15—30%, а привесмолодняка — на 20—25%. Известны случаи, когда животные погибали от интоксикации в результате множества укусов. Вред, причиняемый гнусом, этим не ограничивается. Комары и другие кровососущие насекомые являются переносчиками многих заразных болезней,в частности малярии. На земном шаре ею ежегодно болеет более миллиона человек.
СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ. Это второе направление в решении продовольственной проблемы. Услышав термин «искусственная пища», многие полагают, что химики собираются готовить пищевые продукты примерно так же, как они производят бензинили пластмассы, — из нефти или природного газа. На самом же делеречь в основном идёт о том, чтобы придать одним пищевым продуктамвид и вкус других, более дефицитных.Современная наука и технология пищевой промышленности позволяют выделять белки соевых бобов, из волокон которых получаютсяткани, схожие по структуре с мясом. После добавления жиров и компонентов, придающих вкус мяса, эти продукты становятся аналогамиили заменителями мяса животных в рационе человека. В различныхстранах в продаже уже есть ряд аналогов мясных продуктов, например ломтики, имеющие вкус копчёной грудинки или имитирующиегамбургеры. Применение таких аналогов может дать колоссальныйэффект. Ведь огромное количество зерновых и бобовых расходуется внастоящее время на корм скоту (около 80%) и лишь 20% идёт непосредственно в пищу человека. Превращение растительных белков вживотные за счёт животноводства не превышает 12% и стоит весьмадорого. Растительные аналоги мясных продуктов сократили бы производственный цикл, повысили эффективность производства, удешевили конечную продукцию.Выдающимся научным достижением конца XX в. считают производство микробиологического белка. В огромных ферментёрах (ёмкостях, заполненных сырьём и ферментами), управляемых ЭВМ, непрерывно выращивают нетоксичные микроорганизмы. Например, метанотрофы — микроорганизмы, основу питания которых составляетметан. Их перерабатывают в белок с помощью природного газа или от-
ходов нефтепереработки. Полученная белковая масса является превосходным кормом для животных вместо зерновых и бобовых культур, которые можно высвободить для питания человека. Кроме того,
из микробных клеток можно получать белковые волокна для изготовления аналогов мяса так же, как и из соевого белка.Имеются реальные возможности вводить в пищевой рацион нетрадиционные продукты. На повестку дня встала переработка даров моря,и прежде всего криля — мелких морских ракообразных, запасы которого в Мировом океане фантастически огромны. По некоторым данным, человечество могло бы ежегодно добывать от 50 до 150 млн т криля. Высушенный криль более чем наполовину состоит из белка и богатвитаминами, в особенности витамином А.Большие потенциальные возможности заключаются в переработкеотходов пищевой промышленности. Не нужно морщить нос при упоминании слова «отходы», поскольку эмоциональное восприятие терминов может быть ошибочным. Например, к отходам молочного производства относится молочная сыворотка, содержащая массу полезных веществ. Простейшая технология переработки молочной сыворотки заключается в получении из неё порошка. В 1955 г. в США 25%сырой сыворотки превращалось в продукты питания, а к 1975 г. этацифра возросла до 75%. На основе углевода лактозы, содержащейсяв сыворотке, в Японии производят напитки, фруктовые соки и сиропы, мороженое, пирожные, консервы и сгущённое молоко.Большим потенциальным ресурсом для получения продуктов питания являются растительные отходы, содержащие целлюлозу: отруби,жмых, кукурузные початки, фруктовые корки, опилки и т. п. Наиболее распространённый способ их переработки — гидролиз целлюлозыдо глюкозы, которая затем сбраживается в спирт. Из 100 кг отходовхвойных деревьев можно получить 25 л спирта и 4—5 кг сухих дрожжей, содержащих около 50% белка. Исследуются возможности утилизации целлюлозосодержащих отходов с помощью высших грибов.Уже научились выделять быстрорастущие грибы, которые повышаютусвояемость и увеличивают содержание микробного белка в выжатомсахарном тростнике, рисовой соломе и в других отходах, содержащихцеллюлозу.Технология производства продуктов питания вскоре позволит получить новые виды кулинарных изделий, причём довольно необычных(например, пирожные из водорослей и пирожки из планктона). Но подобные фантастические блюда пока ещё в меню далёкого будущего.
Задания:
1. Назовите цифры населения земного шара в начале XIX в., в 1974 г. и в настоящее время, а также прогнозируемую цифру на 2025 г.
2. Перечислите природные, социальные, экономические и политическиефакторы, составляющие причины мирового голода.
3. Объясните, какие химичecкиe вещества позволяют повышать эффективность сельскохозяйственного производства и какие проблемы возникаютна пути их применения.
Дайте характеристику удобрений с точки зрения их химического составаи питательного элемента.
5. Определите, в чём суть пестицидов, почему их применение строго регламентировано, перечислите их группы.
6. Опишите, как получают аналоги мясных продуктов, микробиологическийбелок, как перерабатывают растительные отходы, содержащие целлюлозу, для производства продуктов питания.
Биотехнологии