Как микробиом почвы влияет на здоровье людей и растений: неожиданные открытия учёных

Трое самых главных убийц современного человечества — сердечно-сосудистые заболевания, рак и болезнь Альцгеймера — всего каких-то 300 лет назад почти не встречались в списках причин смерти. Вся эта троица тесно связана с питанием и с развитием аутоиммунных процессов, когда иммунная система организма атакует собственные клетки.

Все чаще регистрируются и другие аутоиммунные заболевания - диабет, аутизм, деменция, волчанка, рассеянный склероз, воспалительные заболевания кишечника, ревматоидный артрит, болезнь Паркинсона, и так далее. Аутоиммунные расстройства в настоящее время поражают каждого шестого американца. Их распространенность растет ежедневно с той же скоростью, с какой снижается уровень фертильности. И дело не только в огромных в расходах на здравоохранение. Все это боль и горе и людей, разрушение семей, потеря близких. Трагедия еще и в том, что ни одна из этих болезней не передается по наследству, а связана с тем, что организм не функционирует должным образом.

Каждый второй ребенок страдает сейчас каким-то хроническим заболеванием - всевозможные пищевые аллергии, кожные высыпания, психическая нестабильность. До недавнего времени основной причиной смерти детей была лейкемия. Но сейчас рак мозга убивает больше детей, чем лейкемия. По статистике, в течение жизни у каждого второго американца разовьется рак.

Все это, очевидно, связано с химическими веществами, содержащимися в продуктах питания. Мы едим то, что, вероятно, не должны есть, а также не едим много элементов, которые, наоборот, есть следует. Это приводит к тому, что микробиом — сообщество микроорганизмов, обитающих в кишечнике — не функционирует должным образом.

Неужели проблема в продуктах?

Плохое питание уносит больше жизней американцев, чем любые другие факторы. Люди все чаще питаются тем, что, строго говоря, едой не является. Но выбор продуктов питания — только часть проблемы. Даже когда люди пытаются придерживаться правильной диеты, то часто не получают тех питательных веществ, которые должны бы были содержаться в этой пище. То есть в системе производства продуктов питания есть что-то в корне неправильное.

Если провести анализ продуктов питания, которые мы можем купить в супермаркете, то в них обнаруживается снижение плотности питательных веществ. Здесь мы не говорим о продуктах, которые производятся индивидуально и в небольших объемах, например, выращиваемых самостоятельно. Речь о том, что продукты массового потребления — фрукты и овощи, молочные продукты, мясо и все остальное — сейчас имеют питательную ценность ниже, чем в любой момент человеческой истории. Чтобы получить в этой пище то же содержание питательных веществ, что и в 1940 году, придется съесть в два раза больше мяса, в три раза больше фруктов, в четыре-пять раз больше овощей.

На эту тему есть много литературы. Например, доктор Дэвид Томас опубликовал подробное исследование в журнале «Питание и здоровье». Он сравнил таблицы состава продуктов питания за 50-летний период, с 1940 по 1991 год. Проанализировав 27 различных видов овощей, Д. Томас обнаружил, что содержание важнейших веществ в них снизилось, меди стало меньше на 76%, кальция — на 46%.

Чтобы мы могли нормально функционировать, в организме происходят биохимические превращения, а для этого требуются ферменты. Каждому ферменту нужен катализатор. Катализаторы, как правило, представляют собой металлы, и одним из этих ключевых металлов является медь. Итак, если содержание меди в нашем рационе снизилось на 76%, то множество ферментативных реакций и метаболических процессов в нашем организме происходит неполноценно.

То есть, при недостатке меди, важнейшего катализатора ферментативных процессов, обмен веществ нарушается. Это приводит к развитию многих заболеваний, в том числе аутоиммунных.

Кальций важен не только для здоровья костей. Он также участвует во многих биохимических реакциях, стимулирует активность гормонов и ферментов, снижает давление, обеспечивает нормальный сон, обладает противоаллергическим действием.

Магний участвует в 300 химических реакциях в организме и особенно в работе сердца. Например, в Австралии каждому, кто попадает в больницу с нарушением сердечной функции, в первую очередь начинают вводить магний внутривенно, потому что часто проблема заключается именно в его недостатке.

Железо очень важно для нашей энергии, потому что входит в состав гемоглобина, обеспечивающего кислородом все ткани организма. При недостатке железа человек чувствует слабость.

Главным источником железа в пище считается мясо. Однако количество железа в мясе снизилось на 54%. Почему? Скот тоже потребляет растения, злаки со сниженным содержанием полезных веществ. Это продукты из той же почвы, из которой происходит вся наша пища. И сейчас мы подобрались к первопричине снижения питательной ценности продуктов — проблеме дисфункции почвы.

Специалисты признают снижение уровня питательных веществ в пище из-за ухудшения функции почвы и объясняют эти процессы двумя причинами. Первая — эффект разбавления, то есть если удвоить урожайность, например, зерна на том же участке земли, в нем будет содержаться только половина количества питательных веществ.

Вторая причина — истощение почвы. Если из года в год собирать урожай за урожаем на той же самой земле, то растения будут постоянно забирать из нее полезные вещества, их количество будет падать.

Однако, если провести химический анализ почвы, обнаружится огромное количество минералов — фосфора, азота, кальция, меди, цинка, бора. В почве есть все, что нужно растениям. Остается только сделать эти минералы доступными.

Оказывается, образование питательных веществ, легко усваиваемых растениями, происходит с участием микроорганизмов почвы. Именно они вырабатывают ферменты, участвующие в биохимических процессах синтеза необходимых соединений.

Мы можем собственными глазами увидеть, насколько хорошо функционирует наша почва. Для этого нужна только лопата, чтобы выкопать любое растение и оценить структуру почвы на его корнях.

Основной структурно-функциональной единицей почвы является агрегат. Наиболее продуктивной является почва с размером агрегатов от 10 до 0,25 мм. Каждый агрегат состоит из механических элементов, связанных гумусом и корнями растений. Он формируется при участии почвенных микробов и животных, подземных органов растений, физических и химических процессов, обусловливающих склеивание и цементацию.

Если мы увидим, что корни растений голые, на них нет земли, то эти корни не сотрудничают с почвой. Так бывает в ситуация, когда используются азотные удобрения. Там нет «наполненности» микроорганизмами, или, другими словами, кворума. Такая почва биологически не функциональна.

На самом деле, только при достижении бактериальной культурой некоторой пороговой численности, микробы начинают воспринимать и реагировать на сигналы друг друга, формируя определенное целенаправленное групповое поведение. То есть бактерии функционируют по-разному зависимости от плотности своей колонии и присутствия других видов микроорганизмов.

Если мы видим корни, полностью облепленные землей, значит они сформировали ассоциацию с биомассой почвы. Скорее всего, там также обнаружится хорошая структура почвы, состоящая из агрегатов 0.25 – 10 мм, будут просматриваться гифы грибов, а самих корней практически не будет видно. Такая почва биологически функциональна.

Так что же такое биологически функциональная почва? Это продукт совместного воздействия микроорганизмов, растительности, животных и климата. В такой почве непрерывно происходит процесс синтеза и распада органических веществ, что обогащает ее верхние слои питательными веществами, благоприятными для развития не только растений, но и микроорганизмов, бактерий и грибов. В функционально активной почве содержится депо элементов питания, энергии и влаги, а также выделяемые живыми организмами стимуляторы и ингибиторы биохимических процессов. Она способна освобождаться от отходов жизнедеятельности организмов, подавлять развитие болезнетворных микроорганизмов, разрушать токсичные продукты обмена в прикорневой зоне растений.

Итак, как повысить активность почвы? Нужно организовать в ней правильную структуру. Агрегаты образуются с помощью микроорганизмов, поэтому и структурность, и активность почвы увеличивается по мере того, как она становится более микробиологически насыщенной и разнообразной.

Микробная активность обеспечивает процесс перемещения питательных веществ из недоступного пула в доступный. Это важно, потому что основная масса элементов в почве находится в недоступном пуле. От 85 до 90% всех питательных веществ, усваиваемых растениями, на самом деле должны проходить через микробный промежуточный продукт. Так что вокруг корней растений нужно как можно больше биологической активности.

Итак, чтобы обеспечить здоровье почвы, нужно понимать, какова биомасса микробов в ней содержится, и какие виды микробов там есть. Различные группы микробов выполняют разные функции, используя свои специфические ферменты. Например, те, которые фиксируют азот, используют фермент нитрогеназу. Те, которые собираются выделять фосфор, используют фермент фосфатазу.

Многие вещества не могут попасть в растение из почвы напрямую. Каждый микроэлемент должен “побеседовать” с определенным видом микробов и “накормить” этого микроба, чтобы растение получило этот минерал.

Мы убедились, что действительно существует сильная связь между функцией почвы и плотностью питательных веществ в продуктах. Посредником в этой связи является микробиом почвы, который позволяет растениям усваивать необходимые минералы и микроэлементы. Поэтому не разбавление и истощение почвы являются причинами падения уровня питательных веществ в нашей пище. Проблема в недостатке микроорганизмов в почве.

А как повысить микробную активность? Для этого микробам нужны активно растущие разнообразные растения, чтобы сформировать структуру почвы на корнях, чтобы вырабатывать ферменты по запросу этих растений, для перевода питательных веществ в доступную для них форму.

В действительности, растения выращивают микробов сами и используют их в своих целях, например, чтобы получить доступ к цинку или другим веществам. Это называется микробоядность — форма хищничества, при которой добычей является микроб.

Растения посылают сигналы микробам, которые им нужны, привлекают их к своим корням и поглощают — это называется эндоцитозом, а весь процесс вместе — микробоядным циклом. Растения сами ведут сельское хозяйство, постоянно выращивая микробов. Существует много бактерий и грибов, готовых переселиться в растение и жить на нем всю свою жизнь, например, азотфиксирующие бактерии.

Так что между растениями и микробами существует гораздо больше взаимосвязей, чем мы когда-либо предполагали. По мере увеличения разнообразия растений, увеличивается количество и разнообразие микроорганизмов, образуется все больше агрегатов в почве, она становится более здоровой, а плотность питательных веществ в растениях увеличивается.

Существует также очень тесная взаимосвязь между людьми и микробами, животными и микробами. И на самом деле наше выживание зависит от микробов.

Без микробов растение начинает погибать. Нехватка необходимых минералов и микроэлементов ослабляет иммунную систему растений так же, как и людей, их употребляющих. Мы говорили о росте частоты аутоиммунных заболеваний у людей, но и растения тоже страдают. Дефицит меди, цинка, кальция и так далее повышает восприимчивость сельскохозяйственных культур к вредителям и болезням.

Это означает, что фермерам придется использовать инсектициды и фунгициды, чтобы защитить растения от насекомых и грибковых патогенов. Люди не применяют эти меры без крайней необходимости. Химические орошения стоят фермерам денег и ресурсов, снижает их прибыль.

Ни насекомые, ни грибковые патогены не повреждают здоровые растения. Также они более устойчивы к экстремальным климатическим явлениям — к засухе, к морозам.

Поскольку приходится прибегать к инсектицидам и фунгицидам, помимо пониженной плотности питательных веществ растения имеют большое количество вредных химических веществ. И что произойдет с людьми, потребляющими эту пищу? Нашему организму очень трудно справиться с этим двойным ударом. Учитывая масштаб существующей проблемы бесплодия, мы, вероятно, не сможем успеть размножиться до того, как умрём. Это будет настоящая гонка: человечество погибнет от всех этих химических веществ, которые использует в огромных масштабах, или просто не сможет размножаться?

Почвы — это просто, но они фундаментально важны. Мы должны понять, как они функционируют, чтобы наши растения не испытывали недостатка в минералах. Почвы абсолютно полны минералов. Им не хватает только микробов, как и человеческому кишечнику. Так что все дело в поддержке микробов, не имеет значения, на какую экосистему мы смотрим.

Чтобы лучше представить объем микробиома почвы, сначала оценим долю микробов среди всех форм жизни на Земле. Итак, всего насчитывается 550 гигатонн углеродосодержащих форм жизни, и 450 из них находятся в форме растений. Что неудивительно, потому что почти везде основная форма жизни, которую мы видим, — это растения.

Из оставшихся 100 гигатонн 93% — это почти всё то, чего мы не видим без микроскопа: протеи, археи, грибы, бактерии. Абсолютно невероятное количество биомассы микробов на лице этой планеты.

Большинство, когда думает о жизни на Земле, представляет себе птиц, рыб, диких и домашних животных, но все вместе они составляют всего-то 7% оставшейся биомассы. А мы, люди, лишь 0,01% биомассы жизни на Земле. Обратите внимание, эти сравнения проведены по весу, а не по количеству. Если считать количество микробов, их будет еще больше, а людей заставит выглядеть ещё более незначительными. Нас на планете, на самом деле, не так уж много, но вред экосистеме Земли мы причинили значительный. Однако мы же сможем эту экосистему и восстановить, если поймем, куда нужно направить свою энергию.

Даже одна чайная ложка здоровой почвы вокруг корней растений содержит триллионы микробов — больше, чем людей на планете. А эти микробы творят совершенно удивительные вещи, когда координируют свою деятельность. Между ними происходит активная коммуникация.

Чтобы добиться успеха в регенеративном сельском хозяйстве, исследователи пытаются выяснить, что это за сигналы, которые микробы используют для общения, как именно происходит коммуникация между растениями и микробами. Уже научились имитировать многие сигналы естественным способом, используя натуральные продукты, биостимуляторы, чтобы фактически усилить все эти процессы. В то же время, выяснилось, что использование высокоэффективных удобрений только мешают коммуникации.

У нас в организме около одного триллиона человеческих клеток и 10 триллионов бактериальных клеток. Получается, по количеству клеток мы всего лишь на 10 % люди. Но если посмотреть на гены, у нас их в 100 раз больше, чем в бактериальных геномах. Поэтому мы склонны забывать о том, насколько важна бактериальная ДНК в наших телах, а также в растениях.

Две самые важные органеллы в растении – это митохондрии, которые являются энергетическими центрами для каждой клетки, и хлоропласты, где происходит фотосинтез. Хлоропласты содержат ДНК, которое идентично ДНК сине-зеленых водорослей. ДНК в митохондриях идентично бактериальной ДНК.

Так что одна из причин, по которой бактерии в почве и бактерии в нашем кишечнике способны поддерживать такую связь и с нашими телами, и с телами растений, и с телами животных — это идентичная ДНК, благодаря ей они могут “разговаривать” друг с другом.

У растений тоже микробных клеток снаружи и внутри больше, чем собственных растительных клеток. И именно эти микробы будут общаться с микробами в почве. Наши растения - это микробные такси. Мы должны смотреть на все как на совокупность микробов. Микробы управляют этой планетой, и мы должны выяснить, как с ними взаимодействовать, потому что они очень умны и чрезвычайно хороши в своей работе.

Итак, мир природы состоит из взаимозависимых сообществ организмов. Это не виды, действующие самостоятельно. Но это сообщество, это то, как все различные функциональные группы реагируют и работают вместе, чтобы создать единое целое. Как организм человека не сможет работать без отдельных органов, так и почва потеряет свою активность, если извлечь ключевые функциональные группы микробов.

Каждый вид нуждается в других видах для того, чтобы выжить, как отдельные органы нуждаются друг в друге, чтобы существовать в общем организме. Не имеет значения, говорим ли мы о кишечнике человека или о почве. Если мы начнем вычленять из них отдельных участников или даже ключевые группы, и работать только с ними, ничего не получится.

Слишком упрощенная система привела к проблемам в сельском хозяйстве, в системе производства продуктов питания и в здравоохранении. Все стало настолько невероятно упрощенным, что противоречит самой жизни.

Стандартная американская диета — диета с недостаточным количеством свежих фруктов и овощей, цельнозерновых продуктов, нежирного белка и полезных масел и, наоборот, с избытком красного мяса, молочных продуктов с высоким содержанием жира, обработанных и фастфудных продуктов, рафинированных углеводов, добавленного сахара, соли и калорий. Люди в действительности ежедневно потребляют всего около пяти разных продуктов. У большинства из нас есть привычка есть одно и то же каждый день.

Но разнообразие продуктов питания бесконечно важно для разнообразия нашего кишечного микробиома, который управляет нами. В каком-то смысле мы сами похожи на нашу почву — мы просто исчезаем. Многие люди сейчас на самом деле не знают, каково это — быть здоровым.

А как питались и чувствовали себя люди раньше, до развития цивилизации? Исследования жизни древних австралийских племен показало, что аборигены до европейского поселения были подтянутыми и здоровыми, и бегали быстрее, чем современные олимпийские спортсмены. Они имели возможность потреблять целых пять различных растений в день, которые, в отличие от современных растений, были богаты питательными веществами и не содержали вредных добавок.

Американский проект «Кишечник» показал связь проблем со здоровьем с недостаточным разнообразие микробов в кишечнике. Испытуемые неделю вели пищевой дневник, фиксировали свое самочувствие, и в конце сдавали анализ кала на микробиологическое исследование.

Оказалось, что люди, которые ели 10 и менее различных видов растительной пищи в неделю, в основном страдали от аутоиммунных заболеваний. В то же время те, кто потреблял 30 и более различных видов растительной пищи, имели очень разнообразные микробиомы кишечника, и были очень здоровы. Они не страдали от аутоиммунных заболеваний. Утром просыпались с прекрасным самочувствием, позитивно относились к своей жизни. Они были счастливыми, радостными людьми, и ели самые разнообразные продукты. Не имело значения, сколько мяса они съедали, пока у них также было много различных видов растительной пищи в дополнение к нему.

Однако исключением было мясо, полученное в результате ограниченного кормления животных, потому что оно содержит антибиотики. Недостаток питательных веществ ослабляет иммунитет животных, поэтому фермеры таким образом пытаются предупредить их болезни. У потреблявших это мясо был такой же профиль кишечника, как и у людей, которые проходили курс антибиотиков — очень скудная кишечная флора.

Есть также свидетельства, что с навозом животных, получающих подобные комбикорма, то есть ограниченное питание, антибиотики также попадают в землю и в растения, выращенные с использованием этого навоза. Это одна из причин развития устойчивости к антибиотикам.

Оказывается, растения содержат еще кое-что интересное и важное. Речь идет о вторичных метаболитах — органических веществах, которые растения вырабатывают для взаимодействия с окружающей средой и для своей защиты. К ним относятся алкалоиды, флавоноиды, полифенолы, фитоэстрогены, каротиноиды, и многие другие.

Профессор Фред Провензо всю жизнь изучал, как животные выбирают себе еду, и какое влияние это оказывает на их функции. Он выяснил, что животные предпочитают пищу, богатую как раз вторичными метаболитами. Содержание этих веществ высоко в цветных продуктах, таких, как черника и тому подобное. Трава содержит очень мало вторичных растительных соединений, зато они есть в цветах. На пастбищах 200 лет назад было не так уж много травы — от 10 до 15%, а остальное — двудольные цветковые растения. Первые европейцы, увидевшие Австралию, говорили о бескрайних коврах из разноцветных полевых цветов, куда бы они ни пошли.

Овцы и коровы предпочитают цветы, если у них есть выбор. И эти вторичные растительные метаболиты, которыми богаты цветы, важны для микробного разнообразия в кишечнике. Кишечник домашнего скота, питающегося исключительно травой, не отличается микробным разнообразием.

Чем больше ассортимент вторичных метаболитов в корме, тем лучше животные могут переваривать пищу. Высокая эффективность преобразования корма означает, что один фунт корма превратится в большее количество фунтов говядины, молока, шерсти или чего бы то ни было, что производит фермер. Один фунт простой травы и близко не сравнится с одним фунтом такого корма, где много вторичных метаболитов. По многим причинам животным важно потреблять разнообразные растения, и это также улучшит их иммунную функцию. Когда фермеры внедряют в животноводство многовидовые корма, животные набирают невероятное количество веса, и они очень здоровы.

Все живые системы в какой-то степени управляются биоразнообразием, а наши сельскохозяйственные ландшафты стали чрезвычайно упрощенными. Это сокращает почвенный микробиом и ведет к таким проблемам сельского хозяйства, как низкая продуктивность и питательная ценность растений, их высокая восприимчивость к болезням, что приводит к необходимости использовать вредные химикаты.

Важно понимать, что благодаря разнообразию растений формируется здоровая активная почва с высоким разнообразием почвенного микробиома. Это в свою очередь также улучшает здоровье и продуктивность и растений, и животных, которые потребляют эти разнообразные корма. На самом деле, только биологически разнообразная система сельского хозяйства может быть по-настоящему высокопродуктивной.