От каменного топора до искусственного интеллекта

1.4.1 Процесс Хабера - Боша: как синтез аммиака коренным образом меняет систему снабжения человечества продовольствием.

3 июля 1909 года в лаборатории Карлсруэского университета в Германии физико-химик Фриц Хабер ( 1868–1934 ) завершил эксперимент, который изменил ход человеческой истории. Он успешно синтезировал аммиак непосредственно из азота и водорода, достигнув выхода 10 % , и работал непрерывно в течение 5 часов. Это означало, что промышленный синтез азотных удобрений теоретически стал возможен.

Азотное удобрение Важность сельского хозяйства невозможно переоценить. Азот — это ключевой элемент, необходимый для роста растений, составляющий основу белков и хлорофилла. В естественных условиях азот в почве в основном поступает за счет фиксации азота молниями и фиксации азота ризобиями в бобовых, и его общее количество крайне ограничено. До открытия Хабера мировой потолок сельскохозяйственного производства был прочно закреплен естественным запасом азота . В XIX веке Европе даже приходилось импортировать гуано и нитраты из Чили и Перу в Южной Америке, чтобы удовлетворить свои потребности в азоте для сельского хозяйства, что приводило к войнам между странами из-за этого.

Результаты лабораторных исследований Хабера были быстро внедрены в промышленное производство Карлом Бошем . В 1913 году немецкая компания BASF построила первый в мире завод по производству синтетического аммиака. Эта технология, известная как «процесс Хабера - Боша » , позволила впервые в истории человечества осуществить крупномасштабный синтез азотных удобрений из атмосферного азота .

Хабера - Боша оказал колоссальное влияние на сельское хозяйство . Ежегодно в мире с использованием этого процесса производится более 150 миллионов тонн синтетического аммиака, причем около 80 % используется в сельском хозяйстве. Канадский историк Вацлав Смир подсчитал , что продовольственная база для примерно 40–50 % населения мира зависит от азотных удобрений, производимых с помощью процесса Хабера - Боша (научные оценки варьируются: Смир оценил это в 40 % в 2001 году , а в 2008 году эта цифра была обновлена до 48 % ) . Смир отметил , что фундаментальное значение процесса Хабера-Боша для современного мира превосходит значение самолетов, атомной энергетики, космических полетов или телевидения. Без синтетических азотных удобрений рост мирового населения с 1,6 миллиарда до 7,8 миллиарда человек в XX веке был бы невообразимым; природные запасы азота могли бы обеспечить пропитание максимум примерно 4 миллиардам человек.

Личная судьба Хабера была полна трагических противоречий. Этот человек, «создавший хлеб из воздуха», также возглавлял немецкое химическое подразделение во время Первой мировой войны, руководя разработкой химического оружия, такого как хлор, и известен как « отец химического оружия». В 1918 году изобретение синтеза аммиака принесло ему Нобелевскую премию по химии, но разработка им химического оружия привела к сотням тысяч жертв . После прихода нацистов к власти в 1933 году Хабер , будучи евреем, был вынужден эмигрировать и умер в одиночестве в Швейцарии в 1934 году. Двойное наследие Хабера — поддержка … миллиарды удобрения и убой скота тысячи Отравляющий газ стал одним из самых глубоких предостережений в истории научной этики.

1.4.2 Зелёная революция ( Эвенсон, 2003 ) : Пшеничное чудо Нормана Борлауга

Если бы процесс Хабера - Боша решил проблему «удобрений» «Зелёная революция» ответила на вопрос «откуда берутся материалы?», рассмотрев вопрос «как выращивать больше продовольствия на ограниченной территории » . Центральной фигурой этой революции был американский агроном Норман Борлауг ( 1914–2009 ) .

В 1944 году Борлауг , получивший докторскую степень по фитопатологии в Университете Миннесоты, присоединился к «Мексиканской сельскохозяйственной программе », представлявшей собой сотрудничество между Фондом Рокфеллера и правительством Мексики . В то время производство пшеницы в Мексике было крайне низким, и внутреннее производство не могло удовлетворить спрос, вынуждая страну импортировать большие объемы. Борлауг столкнулся с проблемой: традиционные сорта пшеницы имели высокие стебли, и если для увеличения урожайности применялись химические удобрения, тяжелые колосья вызывали полегание, что приводило к снижению урожая.

Новаторские идеи Борлауга зародились в Японии. Еще в 1930-х годах японские селекционеры вывели карликовый сорт пшеницы, Норин 10 — сорт с крепкими , короткими стеблями, способными выдерживать тяжелые колосья без полегания. Борлауг скрестил Норин 10 с местными американскими сортами пшеницы и после многолетней многократной селекции разработал серию полукарликовых сортов пшеницы. Эти новые сорта обладают тремя основными преимуществами: короткие стебли и устойчивость к полеганию, что позволяет безопасно использовать химические удобрения; крупные колосья и полные зерна, значительно увеличивающие урожайность; и высокая устойчивость к болезням, снижающая потери урожая из-за болезней.

Для повышения эффективности селекции Борлёг изобрел метод челночной селекции : чередование посева пшеницы между высокогорьем Мексики (летом) и северными низинами (зимой), что позволяет завершить два поколения селекции за год, сократив традиционный селекционный цикл с 10-15 лет до 5-7 лет. Благодаря этому нововведению команда Борлёга быстро разработала высокоурожайные сорта пшеницы, адаптированные к различным условиям окружающей среды .

Результаты были поразительными. К 1956 году Мексика достигла самообеспеченности пшеницей и начала экспортировать ее; к началу 1960 -х годов 95 % мексиканских посевов пшеницы составляли новые сорта, разработанные в Болонье. В Индии М.С. Сваминатан ( 1925–2023 ) , прозванный « отцом индийской зеленой революции » , способствовал внедрению карликовых сортов пшеницы, выращенных в Болонье . В 1966 году Индия импортировала 18 000 тонн мексиканских семян пшеницы, и производство пшеницы выросло с 12 миллионов тонн в 1965 году до 20,1 миллионов тонн в 1970 году . Индия достигла продовольственной самообеспеченности в 1971 году и к концу 1970-х годов стала одним из крупнейших мировых производителей сельскохозяйственной продукции .

Бо Лёгге был удостоен Нобелевской премии мира в 1970 году , став первым агрономом , получившим эту награду. В обосновании премии отмечался его вклад в «борьбу с мировым голодом ». По оценкам, «зеленая революция» могла бы спасти от голода более миллиарда человек во всем мире.

1.4.3 Восточный ответ: Юань Лунпин (Юань Лунпин, (1930-2021 ) – гибридный рис )

«Зеленая революция» прокатилась по Америке и Южной Азии, а также произвела фурор в Восточной Азии. Наибольший вклад Китая в эту сельскохозяйственную революцию заключался в исследованиях и продвижении технологии гибридного риса.

История Юань Лунпина ( 1930-2021 ) начинается в 1964 году. В то время Китай всё ещё восстанавливался после травмы трёхлетней катастрофы ( 1959-1961 ) , и продовольственная безопасность считалась первостепенной национальной задачей. Преподавая в Аньцзянской сельскохозяйственной школе в провинции Хунань, Юань Лунпин начал изучать использование гетерозиса в рисоводстве. В то время академическое сообщество в целом считало, что рис является самоопыляющейся культурой и не проявляет значительного гетерозиса; исследование гибридного риса считалось « незнанием генетики ». Юань Лунпин столкнулся с огромным давлением и провёл обширные полевые наблюдения.

В 1966 году Юань Лунпин опубликовал статью под названием «Мужская стерильность риса», в которой впервые доказал существование естественно стерильных мужских растений риса, заложив теоретическую основу для выращивания гибридного риса . В 1970 году его помощник Ли Бихуэй обнаружил естественно стерильное дикое растение риса (названное «Дикий аборт» ) на ферме Нань Хун на острове Хайнань, что стало прорывом в трехлинейной системе . В 1973 году команда Юань Лунпина преодолела технические трудности, связанные с подбором «трех линий» (стерильная линия, линия-поддерживающая и линия-восстановитель) ; в 1974 году они вывели первую высокоурожайную и высококачественную гибридную комбинацию риса — Нанью № 2 , которая в ходе испытаний в Аньцзянской сельскохозяйственной школе достигла урожайности 628 кг на му ( приблизительно 0,067 гектара ) , что значительно превысило показатели традиционных сортов.

С 1976 года в Китае широко продвигается гибридный рис, увеличивающий урожайность примерно на 20 % по сравнению с обычным рисом . Последние данные показывают, что ежегодная площадь посевов гибридного риса превышает 200 миллионов му (приблизительно 13,3 миллиона гектаров), что составляет около 50 % от общей площади посевов риса и около 60 % от общего урожая риса . Технология выращивания гибридного риса была внедрена в США в 1979 году , став первой китайской научно-исследовательской технологией, экспортированной в США.

Последующие исследования Юань Лунпина также принесли замечательные результаты . В 1986 году он предложил стратегическую концепцию селекции гибридного риса, обозначив техническую дорожную карту от трехлинейного метода к двухлинейному , а затем к однолинейному . В 1995 году был успешно разработан двухлинейный метод гибридизации риса, увеличивший урожайность на 5-10 % по сравнению с трехлинейным методом. Исследования супергибридного риса начались в 1997 году , и в результате постоянно устанавливались мировые рекорды урожайности риса. Технология гибридного риса была внедрена более чем в 50 странах , включая Индию, Вьетнам, Филиппины и Бангладеш , напрямую обеспечивая продовольствием сотни миллионов людей.

1.4.4 Механизация сельского хозяйства: от стальных плугов до комбайнов.

Химические удобрения и улучшенные семена решили проблемы « что сажать » и «какие удобрения применять», но для достижения качественного скачка в эффективности сельскохозяйственного производства необходимо также решить проблему «как сажать », то есть заменить человеческую и животную силу механической.

Джон Дир ( 1804–1886 ) был пионером этой революции механизации . В 1837 году этот кузнец из Иллинойса выковал первый самоочищающийся стальной плуг из сломанного пильного полотна. Ключевым нововведением этого плуга стала его гладкая стальная поверхность , которая могла прорезать тяжелую, липкую почву прерий американского Среднего Запада, не пачкаясь грязью; предыдущие чугунные плуги были практически непригодны для таких почв. Стальной плуг Дира сделал возможным расчистку обширных прерий американского Среднего Запада, непосредственно способствуя расширению сельского хозяйства на запад в Соединенных Штатах . К 1843 году годовое производство Дира достигло 400 плугов ; в 1848 году он переехал в Морин на реке Миссисипи и основал крупный производственный завод. Сегодня компания John Deere & Company является одним из крупнейших в мире производителей сельскохозяйственной техники.

Сайрус Маккормик ( 1809–1884 ) внес столь же неоценимый вклад . В 1831 году , в возрасте 22 лет , Маккормик изобрел механическую жатку в кузнице в Вирджинии — машину, приводимую в движение лошадьми, способную собирать урожай с 10 акров зерна в день , что эквивалентно работе пяти рабочих . Получив патент в 1834 году , Маккормик основал компанию McCormick Harvester Company в Чикаго в 1847 году. На Всемирной выставке 1851 года в Хрустальном дворце в Лондоне его жатка получила золотую медаль, тем самым выйдя на европейский рынок.

Значение механизированных комбайнов выходит далеко за рамки повышения эффективности. Ранее сельскохозяйственное производство сталкивалось с серьезным узким местом: посев и прополка могли занимать недели или даже месяцы, но уборку урожая нужно было проводить в чрезвычайно короткие сроки. После созревания зерна, если их не собрать вовремя, они осыпались, прорастали или были съедены птицами. Поэтому сельскохозяйственная продукция зависела не только от затрат на посев, но и, что, возможно, более важно, от скорости уборки урожая. Механизированные комбайны преодолели это узкое место, позволив развивать крупномасштабное коммерческое сельское хозяйство.

С конца XIX века до середины XX века механизация сельского хозяйства стремительно развивалась. Паровые тракторы заменили лошадей в качестве основного источника энергии; изобретение двигателя внутреннего сгорания сделало тракторы более эффективными и мобильными; зерноуборочные комбайны объединили уборку урожая, обмолот и очистку в одной машине. К 2020 году американский фермер мог прокормить примерно 155 человек ( МакЭведи, 1978 ) ; в 1900 году это число составляло всего около 5 .

1.4.5 Современные вызовы: полемика вокруг ГМО ( Европейский исследовательский совет, 2010 ) , движение за органическое земледелие ( Карсон, 1962 ) и точное земледелие.

XX века сельскохозяйственные технологии стремительно развивались в направлении высокоэффективного и крупномасштабного производства, но это также породило ряд новых проблем. Современное сельское хозяйство стоит перед глубоким выбором: как продолжать обеспечивать глобальное продовольственное снабжение, одновременно снижая негативное воздействие на окружающую среду?

В центре внимания этого решения — полемика вокруг генетически модифицированных (ГМ) технологий . В 1996 году Соединенные Штаты впервые в больших масштабах начали коммерческое выращивание ГМ-культур (устойчивый к насекомым хлопок и устойчивая к гербицидам соя). С тех пор ГМ-кукуруза, хлопок, соя и рапс быстро распространились по всему миру. Сторонники утверждают, что ГМ-культуры могут сократить использование пестицидов, увеличить урожайность и повысить устойчивость к стрессовым факторам, что делает их ключевой технологией для решения проблемы глобальной продовольственной безопасности. Противники, однако, опасаются потенциального генного дрейфа, который может заразить диких сородичей, долгосрочных проблем безопасности ГМ-продуктов и угрозы правам фермеров, создаваемой монополией транснациональных корпораций на патенты на семена.

Изменение общественного мнения было драматическим . В 1996 году французская газета Libération опубликовала статью под названием «Тревога пандемии сои», в которой сообщалось о спорах вокруг импорта генетически модифицированной сои, что вызвало волну протестов против ГМО в Европе . В 1999 году активисты заперлись у дверей зернохранилищ в Испании в знак протеста против генетически модифицированных кормов для животных. Хотя Европейский исследовательский совет в 2010 году пришел к выводу , что « биотехнология, особенно генетически модифицированные организмы, не является по своей сути более рискованной , чем традиционные методы селекции растений », это заключение было сделано слишком поздно, чтобы изменить общественное восприятие. Сегодня Соединенные Штаты, Бразилия, Аргентина и Канада широко выращивают генетически модифицированные культуры; Европейский союз сохраняет осторожную позицию; а Китай коммерчески выращивает генетически модифицированный хлопок и папайю, но по-прежнему с осторожностью относится к основным сельскохозяйственным культурам.

Возникновение движения за органическое земледелие представляет собой иной подход . В 1962 году американский морской биолог Рейчел Карсон ( 1907-1964 ) опубликовала книгу «Безмолвная весна » , в которой разоблачила разрушительное воздействие пестицидов, таких как ДДТ, на экосистемы и повысила осведомленность общественности об экологических проблемах. Книга Карсон непосредственно привела к запрету ДДТ в Соединенных Штатах в 1972 году и послужила толчком к созданию Агентства по охране окружающей среды ( EPA ) . В 1972 году была основана Международная федерация движений за органическое сельское хозяйство ( IFOAM ), выступающая за методы сельскохозяйственного производства , которые не используют синтетические удобрения и пестициды и уважают естественные экологические циклы. Основные концепции органического земледелия — это устойчивость и экологический баланс, но его урожайность, как правило, на 20-40 % ниже, чем у традиционного сельского хозяйства , что затрудняет полное удовлетворение глобальных потребностей в продовольствии.

Точное земледелие , с другой стороны, пытается выбрать срединный путь . С тех пор как технология GPS вошла в сельскохозяйственную сферу в середине 1990 - х годов , дистанционное зондирование, дроны, датчики, большие данные и искусственный интеллект все чаще применяются в сельскохозяйственном производстве. Основная концепция точного земледелия заключается в применении удобрений, пестицидов и поливной воды «в нужное время, в нужном месте и в нужном количестве », что позволяет сократить расход ресурсов и загрязнение окружающей среды при сохранении высоких урожаев. Исследования показывают, что точное земледелие может снизить потребление топлива на 20 % ( Evenson, 2003 ) и использование удобрений и пестицидов на 30 % (Evenson, 2003) – 50 % ( Evenson, 2003 ) .

В 2012 году Эммануэль Шарпантье Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Даудна были удостоены Нобелевской премии по химии 2020 года за свои исследования в области технологии редактирования генов CRISPR-Cas9 . Технология редактирования генов отличается от традиционной генетической модификации — она позволяет точно изменять определенные последовательности в генах сельскохозяйственных культур без введения чужеродных генов, что потенциально обеспечивает большую гибкость в нормативно-правовых рамках. Эта технология открывает новые возможности для выведения устойчивых к болезням , засухе и высокоурожайных сортов, но ее долгосрочное влияние еще предстоит оценить. Независимо от того, как будет развиваться технология, человечество всегда будет сталкиваться с одной и той же проблемой: как прокормить растущее население планеты при ограниченных земельных и водных ресурсах.

Неоспоримым фактом является то, что со времен «зеленой революции» мировое производство зерна удвоилось всего за несколько десятилетий, при этом в развивающихся регионах значительно увеличилась урожайность с гектара: пшеницы на 208 % ( Эвенсон, 2003 ) , риса на 109 % ( Эвенсон, 2003 ) и кукурузы на 157 % ( Эвенсон, 2003 ) . Это беспрецедентное достижение в истории человечества, спасшее миллиарды людей от голода.

Однако эти достижения сопряжены с серьезными экологическими издержками. Крупномасштабное орошение привело к резкому снижению уровня грунтовых вод (как это видно в Пенджабе, Индия, и в водоносном горизонте Огарара в США); чрезмерное использование удобрений и пестицидов привело к деградации почвы и загрязнению воды; продвижение высокоурожайных сортов привело к тому, что примерно 60 % мирового теплоснабжения обеспечивается всего пятью культурами (пшеницей, рисом, кукурузой, картофелем и соей), а биоразнообразие в сельском хозяйстве резко сократилось. Зеленая революция добилась огромных успехов в плане «выживания » , но также поставила перед будущим «устойчивым развитием » серьезные задачи .

В 2024 году примерно 735 миллионов человек во всем мире ( ФАО, 2024 ) по-прежнему сталкивались с угрозой голода, причем подавляющее большинство из них проживало в странах Африки к югу от Сахары. Свет «зеленой революции» не одинаково осветил все континенты. Между тем, изменение климата меняет глобальный сельскохозяйственный ландшафт: экстремальные погодные явления становятся все более частыми, пахотные земли сокращаются, а распространение вредителей и болезней расширяется. Путь человечества к выживанию еще далек от завершения.

От каменных орудий в долине Олдувай до технологий редактирования генов в лабораториях, от многочасового ежедневного собирательства до механизированного земледелия, где один человек может прокормить 15-5 человек , методы добычи пищи человечеством претерпели четыре революционных изменения. В основе каждого изменения лежит одна и та же логика: в условиях ограниченных ресурсов, используя мудрость и труд для обмена на новые возможности выживания. Гибкая адаптация эпохи охотников-собирателей, оседлое производство эпохи одомашнивания в сельском хозяйстве и скотоводстве, интенсивное земледелие традиционной сельскохозяйственной эпохи и химическое и механическое развитие индустриальной эпохи — эти изменения не только повлияли на эффективность добычи пищи, но и перестроили социальную организацию, межличностные отношения и даже очертания духовного мира .