Марь, амброзия и другие "монстры" собрались перехитрить самые совершенные технологии
Jerry Adler
Во второй половине ноября центральная Индиана представляет собой мешанину рыжевато-коричневых и черных пятен: это поля, покрытые пожнивными остатками кукурузы и сои; чуть позднее – голая земля, в которую фермеры запахали растительные остатки культуры, которая выращивалась в прошедшем сезоне. Земля не может не дать жизнь новым растениям, и если вы присмотритесь повнимательней, то увидите небольшие ростки осенних сорняков: песчанка, кресс-салат и пурпурная крапива. В теплице кампуса Университета Пердью, Чед Брэбхем, мягкоголосый студент последнего курса, специализирующийся на сорняках, взял два горшка, в каждом из которых по одному 45-сантиметровому растению, имеющему зубчатые трехлопастные листья на жестком стебле. Эти растения выглядят знакомыми, их можно встретить на незанятых площадях и по обочинам дорог практически в любом из 48 нижних штатов. Это Амброзия (Amrosia trifida) или Гигантская амброзия – растение такое же уродливое, как и его название (дословный перевод с английского – сорняк-лохмотья), и такое же бесполезное, как его двоюродный брат – Обыкновенная амброзия. A. artemisiifolia – это машина по высасыванию воды из почвы и распространению очень аллергенной пыльцы. Если фермеры перестанут заниматься своим делом, то всего через несколько лет Индиана окажется в мире, шутливое название которому агрономы уже придумали: Национальные леса гигантской амброзии.
На протяжении последних пятидесяти лет, или около того, этой участи удавалось избежать с помощью химических гербицидов. Один из наиболее широко используемых – глифосат, хорошо известный в качестве активного ингредиента убийцы сорняков – Раундапа, выпускаемого Monsanto. Брэбхем поместил два горшка в бокс для опрыскивания и наполнил небольшую емкость раствором калийной соли глифосата. Подвижный распылитель быстро прошелся по боксу и промочил серо-зеленые листья таким количеством раствора, который должен бы вызвать неминуемую гибель растения. Брэбхем вынял горшки и вернул их на полку. Что произойдет с этими сорняками за последующие 24 часа в миниатюре покажет, с чем столкнутся фермеры Среднего Запада в наступающем полевом сезоне.
Глифосат занял центральное положение в возникающей драме, в которой убийцы сорняков являются главными героями. «Я не буду использовать слово ‘катастрофа’, но есть люди, которые говорят, что это может быть самой худшей вещью для тех, кто выращивает хлопчатник со времен хлопкового долгоносика». Так говорит Доуг Гуриан-Шерман, фитопатолог и ведущий научный сотрудник Союза Обеспокоенных Ученых, при обсуждении глифосат-устойчивых сорняков, или по другому – суперсорняков, которые за последнее десятилетие распространились в США, от нескольких случайных растений до 160 миллионов гектар на посевных землях, и это с учетом пятикратного разрастания только за период с 2007 года. «Это огромный скачок в распространении данных растений», - говорит Дэвид Мортэсен, эколог сорных растений из Пенсильванского государственного университета. И, как он засвидетельствовал на слушаньях в Конгрессе прошлым летом, куда был приглашен представителем от Огайо Дэннисом Качиничем для исследования законодательства по генетически измененным растениям Департамента по сельскому хозяйству США: «есть основания полагать, что данный тренд сохранится в будущем». Если сорняки разрастутся до катастрофического уровня, может случиться так, что не один гербицид не сможет справиться с ними, этого никто не мог предвидеть. Также, как и устойчивые к антибиотикам форы бактерий, которые больше всего беспокоят врачей-инфекционистов, эту проблему мы создали себе сами. Она является напоминанием о тщетности любых попыток обратить эволюцию вспять. И чем больше сорняков, о которые спотыкаются наши технологии, тем больше возникает ограничений на возможности увеличения производства продуктов питания.
Что может стать убийцей амброзии?
Тот кто видит поля кукурузы преимущественно из иллюминатора самолета, наверняка не представляет, сколько усилий прикладывают фермеры, для того чтобы избавить свои поля от сорняков. Распространенный термин «культивирование» означает не только выполнение действий, направленных на то, что бы какое-то растение выросло. Под ним понимают также вспашки и дискования почвы, в качестве классических методов борьбы с сорняками. Большинство из вывернутых с корнями сорняков быстро гибнет, становясь пищей для насекомых и микроорганизмов. Если сорное растение выжило, то оно остается ослабленным, не выдерживает конкуренции за элементы питания или воду, и вскоре теряет энергию, особенно под ярким жарким солнцем. Но болезнетворные бактерии и насекомые-вредители не нападают целенаправленно на сорняки, в их поле зрения оказываются и культурные растения. Если на одно растение гигантской амброзии приходится тридцать стеблей сои, то, по теории вероятности, примерно половина из них должна погибнуть, для того чтобы значительно уменьшились заросли сорняка на поле.
Вот почему агрономы пристально следят за видами сорняков, в популяциях которых появляется способность противостоять летальным дозам глифосата. В США такую способность приобрели, по крайне мере, десять видов.
Как вскоре заметили специалисты Monsanto, листья более чем 300 видов растений остаются жизнеспособными после обработки Раундапом. Среди них – 10 самых быстро распространяющихся сорняков, поселяющихся в посевах хлопчатника, кукурузы и сои: гигантская и обыкновенная амброзия, мелколепестник канадский, трава Джонсона, вех пятилистный и амарант. Последний, известен в США под названием пигвид (свино-сорняк), один из самых злостных сорняков. Его стебель может достигать толщины бейсбольного мяча, в таком случае, для его уничтожения необходим топор. Гербицид-устойчивая форма амаранта «приближается к нашему представлению о тех сорняках, которые не поддаются никакому контролю», - говорит Томас Т. Бауман, ученый, специализирующийся на сорняках, из Университета Пердью. «На его фоне гигантские побеги амброзии [размер которых может превышать три метра] выглядят карликами, и он может образовывать семена круглый год. После того, как вы решите, что с этим сорняком покончено, он появляется снова и снова, стоит только пройти дождю». Некоторые из тех, кто возделывал хлопчатник, забросили свои поля, так как они оказались захвачены амарантом. Другие повернули стрелки сельскохозяйственных часов на столетие назад и посылают на свои поля команды рабочих, вооруженных мотыгами. «За все последние 15 лет вместе взятые я не видел на полях стольких рабочих с мотыгами, сколько увидел их в 2010 году», - говорит Дэвид Р. Шоу, вице президент по науки и развитию Государственного Университета Миссисипи. «Это чрезвычайно тяжелая работа», – добавляет он: «и очень тяжело получить прибыль».
Эта работа, о которой фермеры развитых стран надеялись позабыть, с выходом на сцену органических гербицидов после Второй мировой войны. Среди первых был 2,4-Д, первый из большого класса гербицидов, подменяющих гормон ауксин и посылающих растение в летальное безумие неуправляемого роста. Иные классы гербицидов имеют своей мишенью другие процессы, такие как фотосинтез или транспорт питательных веществ. Глифосат ингибирует фермент 5-енолпирувилшикимат-3-фосфат синтазу (EPSPS), который отвечает за синтез трех аминокислот у растений и бактерий, но, несмотря на широкое распространение, он отсутствует у животных. Препарат атакует клетки меристемы, почки и конусы нарастания у растений. В течение дня после применения препарата растение прекращает рост и погибает за одну–две недели.
В отличие от подменяющих ауксин гербицидов, которые избирательно воздействуют на двудольные растения и практически безвредны для злаков, глифосат поражает все, что имеет зеленую окраску. Кроме того, в отличие от гербицидов, которые могут быть внесены в почву до появления сорняков, ранней весной, им необходимо обрабатывать непосредственно листья уничтожаемых растений. Эти особенности ограничивали удобство использования глифосата в течение нескольких десятилетий после его открытия в 1970 году. Как правило, фермеры могли использовать его только ранней весной, между появлением первых сорняков и прорастанием культурных растений, или в течение вегетационного периода, с помощью весьма трудозатратного метода опрыскивания междурядий, буквально, обдавая каждое нежелательное растение ядовитым раствором. Майкл Оуэн, ученый-агроном из Государственного университета Айовы, описывает систему контроля за сорняками в последние годы, как сочетание науки и искусства, постоянное жонглирование применяемыми гербицидами, севообороты, весенние и осенние вспашки на различную глубину, каждое из этих мероприятий ведет к дополнительным затратам средств и времени, которые необходимо постоянно сопоставлять с потенциальным предотвращением потери урожая. Каждая из техник, как правило, позволяет бороться с определенной группой сорняков, если ограничиться одной из них, отдельные виды сорняков останутся в поле. Они сохранят потенциал быстрого распространения даже в режиме энергичного наступления на них. Проблема сорняков является кумулятивной, если сорняки набирают силу от года к году, то те, кто смотрит в будущее, должны использовать различные техники и часто менять их. Сорняки процветают, если действия фермера предсказуемы.
Готовность к революции
Все это изменилось в ранние 1990-е, когда Monsanto представил технологию выведения сортов растений, устойчивых к глифосату. Что бы ни говорили об этой инновации, это был научный триумф, который отнял, по подсчетам Monsanto, около 700 000 человеко-часов исследовательского времени. Семилетний поиск нужного гена привел к появлению трубы, из которой вытекает конечный продукт, на фабрике в Луизиане. Исследователи, в поиске организмов, которые могли бы выжить в среде, насыщенной глифосатом, наткнулись на бактерии, которые мутировали и стали продуцировать слегка измененный фермент EPSPS. Альтернативный фермент также участвует в синтезе трех аминокислот, но не подвержен воздействию глифосата. Ученые выделили ген, кодирующий этот фермент, вместе с генами, поддерживающими его работу из трех других организмов, ответственными за включение полипептидной цепи в ферментативный комплекс, и имплантировали в клетки сои этот заряд генов.
Это сделано с помощью довольно грубого метода, заключающегося в закреплении внедряемых фрагментов ДНК на золотых микрочастицах, которыми обстреливается эмбрион сои, в надежде, что хотя бы несколько из них найдут подходящее место в хромосоме. Сотни тысяч попыток привели к появлению растения, обладающего необходимыми свойствами – устойчивостью к глифосату, и передающего это свойство своим потомкам. Начиная с 1996, Monsanto начинает продавать собственные семена сои, устойчивые к Раундапу. Устойчивые к глифосату семена хлопчатника, рапса и кукурузы появились вскоре после сои.
Это был и коммерческий триумф. Раундап-совместимые семена в корне изменили агротехнику возделывания товарных культур в США и во всем остальном мире, особенно в Аргентине и Бразилии. Подбадриваемые рекламой Monsanto, фермеры отдали дело борьбы с сорняками на откуп совместимых с Раундапом семенам, и стали поливать свои поля глифосатом при первом (и втором, и третьем) появлении сорняков. В США в предыдущем году 93% полей сои, подавляющее большинство площадей, занятых под кукурузу и хлопчатник, было засажено Раундап-совместимыми семенами. Оценка их потребности на 2010 год приближается к одному миллиону тонн. Предметом дискуссии остается вопрос о том, действительно ли эта технология помогает фермерам выращивать больше продукции. Биотехнологическая отрасль любит показывать, каких высот она достигла, но исследования Союза Обеспокоенных Ученых, проведенные в 2009 году, свидетельствуют, что выгоды оказались не так велики, и позиция их далеко позади того прогресса, который за это же время произошел в традиционной селекции, при гораздо меньших инвестициях. Но Раундап совместимая система имеет и еще кое-какие преимущества. Многие эксперты согласны с тем, что, среди других органических искусственных пестицидов, глифосат является одним из наименее токсичных и быстроразлагающихся. А его эффективность при использовании с Раундап-совместимыми семенами снижает потребность в дополнительных механических обработках почвы. Безпахотные или малопахотные севообороты стали набирать популярность в 1980-х, они снижают потребность в топливе, уменьшают эрозию и смыв элементов питания с водными потоками. Глифосат является «фантастически эффективным препаратом для уничтожения растений», - говорит Джон Лидон, главный специалист по сорнякам в Министерстве сельского хозяйства США: «И один из самых мягких химикатов, используемых в сельском хозяйстве».
Конечно, такое состояние дел было слишком радужным, чтобы могло продолжаться вечно. «Сорняки постоянно эволюционируют под действием селективного отбора, направляемого современными технологиями возделывания сельскохозяйственных культур», - говорит специалист по сорнякам из университета Пердью, Стефен Веллер. Устойчивость сорняков к глифосату была неизвестна, до масштабного применения этого вещества. Но как только он начал применяться, стали возникать все новые и новые, устойчивые к его воздействию, виды. Скорость этого процесса близка к показателю один новый устойчивый вид в год. Применение одного и того же гербицида на одной и той же культуре из года в год, без использования других средств борьбы с сорняками, создало превосходную лабораторию для изучения эволюции устойчивости. Бауман говорит: «Устойчивые виды изначально отсутствуют. Но примените гербицид, и они обязательно появятся».
Первый вопрос, который возникает у каждого после того, как он узнает об устойчивых к глифосату сорняках: одинаков ли механизм устойчивости у сорняков с тем, который искусственно вводится в культурные растения. И если это так, то может быть, этот трансген перепрыгивает из культурных растений в сорняки? Выражая общее мнение ботаников, Оуэн говорит, что это невозможно. Виды, обитающие в естественной среде Соединенных Штатов, генетически очень далеки от культивируемых сои, кукурузы или хлопчатника. Это препятствует их скрещиванию. (В противоположность им, определенные растения остаются довольно близкими к своим сорным родственникам и, теоретически, могут передать им ген устойчивости к глифосату. Среди таких видов полевица белая, часто используемая при организации газонов для гольфа.) Под эволюционным давлением со стороны глифосата, сорняки вырабатывают собственные механизмы защиты. Устойчивый амарант несет обычный ген EPSPS, а не измененный инженерами Monsanto аллель. Но количество копий этого нормального гена многократно возрастает (от 5 до 160 раз). Такое большое количество копий позволяет продуцировать целевой фермент в таких огромных количествах, что ингибирующее действие гербицида, практически, не проявляется.
Мистическое выживание
Вернемся в теплицу Университета Пердью, эксперимент Брэбхема с гигантской амброзией демонстрирует еще одни вид устойчивости, появившийся независимо от остальных. Эффект глифосата проявляется, прежде всего, на быстро делящихся клетках меристемы. (Препарат может мигрировать в корни, и влиять на устойчивость к грибной инфекции; обычно растения имеют хорошую защиту против грибов, но после обработки глифосатом появляются язвы и гнили.) Но когда Брэбхем осмотрел растения спустя 18 часов после опрыскивания, он заметил нечто иное: большие листья начали сворачиваться и приобрели коричневатую окраску, а меристема осталась зеленой и здоровой. Все выглядит так, как будто бы растения собрали весь гербицид в листьях, которые отомрут и опадут через одну–две недели. Само растение выживет и восстановится, благодаря сохранившейся меристеме. «Мне хотелось бы узнать причину этого явления», - говорит Веллер: «Потому что мы видим то же самое и в отношении устойчивости к патогенам. Листья гибнут, но гербицид не попадает в остальные части растения. И как мы сможем это использовать, когда узнаем как именно возникает подобная устойчивость?»
Веллер попросил запомнить, что технология совместимых с Раундапом семян, предложенная Monsanto, не является единственной причиной этой проблемы. Сорняки выработали устойчивость к гифосату самостоятельно. Но появление устойчивых к глифосату семян культурных растений, сделало фермеров соучастниками форсированного развития устойчивости у сорняков, когда они стали заливать свои поля Раундапом, исключив из арсенала другие технологии и препараты. Они должны были взять урок у медицины, которая использует стратегию множественных препаратов, ля борьбы с быстромутирующими вирусами, такими как ВИЧ, например; вероятность того, что один организм выработает механизмы устойчивости одновременно к нескольким препаратам ничтожно мала, поэтому ни организмов не может выжить под перекрестным огнем нескольких ядов. Можно сказать, что Monsanto, со своими огромными инвестициями, вкладываемыми в это дело, в действительности подрывает его. «Технология совместимых с глифосатом семян должна быть исключена, или, по крайне мере, от нее необходимо отказаться на длительное время, в течение которого фермеры должны использовать комбинации различных гербицидов», - размышляет Глен Найс, консультант по вопросам сельского хозяйства из Университета Пердью, который имеет постоянные контакты с фермерами штата. «Но фермерство – это такой же бизнес, как и любой другой». Правда, не совсем такой же: фермеры делают деньги, двигаясь по лезвию ножа – после того, как они затратят средства на засев поля, успех зависит не только от объема вложенных средств, но и от ежедневных изменений погоды на протяжении вегетационного периода. «Предотвратить на унцию дороже, чем исправить на фунт», - добавляет Найс: «но ты должен заплатить за унцию».
И фермеры платят. Биотехнологические и химические компании постоянно работают над генами устойчивости к другим пестицидам и их внедрением в геном культурных растений. Monsanto надеется выпустить на рынок, в течении ближайших года–двух, семена, устойчивые к гербициду, называемому дикамба, а Dow сконструировала ген, обеспечивающий устойчивость к 2,4-Д. Эти попытки, дополненные геном совместимости с Раундапом, приведут к появлению нового поколения генетически модифицированных семян, с которыми фермеры смогут применять на своих полях два различных гербицида одновременно или последовательно, а не оставаться ограниченными одним только глифосатом. DuPont уже продает семена, обладающие устойчивостью к глифосату и другому гербициду – глуфосинату. Это дополняется другими попытками биоинженеров коммерциализировать семена, имеющие гены продуцирующие такие веществам, как Bt – инсектицид, встречающийся в природе.
Многие агрономы всматриваются в эти перспективы настороженно. Дикамба и 2,4-Д являются старейшими препаратами, использование которых было запрещено федеральным законодательством. Оба считаются более токсичными и устойчивыми к разложению по сравнению с глифосатом, и если попытаться ввести их сегодня, то они не смогут просто пройти все необходимые разрешительные процедуры. В частности, дикамба, имеет предрасположенность к испарению после обработки, она переносится по воздуху и оседает на соседних полях. Известны случаи, когда за счет этого свойства она повреждала другие культуры или дикорастущую растительность. Остается открытым вопрос: до каких пределов мы можем изменять семена так, чтобы они не потеряли свою жизнеспособность и продуктивность? С каждым дополнительным воздействием на организм, отнимается часть его энергии, которую необходимо направлять, прежде всего, на формирование съедобной части урожая.
Актуальным остается вопрос о том, что делать сельскому хозяйству в будущем, как фермерам накормить растущее и богатеющее население городов мира. Гуриан-Шерман говорит, что «Серебряную пулю ищут в индустриальном, а не в экосистемном подходе». Если популяции глифосат-устойчивых растений уже закрепились во многих местах, то, когда дикамбра или 2,4-Д будут использоваться точно также, для уничтожения одних и тех же сорняков, появится устойчивость и к этим гербицидам. И куда тогда мы повернем? Сейчас так много видов гербицидов, что химические компании не спешат разрабатывать новые, они получают гораздо большую отдачу от генетически модифицированных семян. «По большому счету, я не противник генетической инженерии, но куда она нас ведет?», - спрашивает он. «Огромное количество экспериментов увенчались только двумя полезными признаками [устойчивость к глифосату и экспрессия Bt], тогда как традиционные методы позволили за то же время добиться устойчивости к насекомым и болезнетворным микроорганизмам, засухоустойчивости и более высоких урожаев при меньших затратах».
Гуриан-Шерман считает, что решение лежит не в усилении использования более экстенсивных технологий, а в той области сельскохозяйственной науки, которая близка к духу исследований Грегора Менделя в 19 столетии: постепенное увеличение урожаев, засухоустойчивости и совершенствование минеральных удобрений. «Нам необходим коренной сдвиг в нашем представлении о сельском хозяйстве», - говорит он, - «а экстенсивные технологии нисколько его не приближают».