Сельское хозяйство — пожалуй, самая консервативная в истории человечества отрасль. Появившись примерно 12 тысяч лет назад, она не претерпела каких‑либо серьёзных изменений, усилившись лишь за счёт технологий и площадей. То есть развитие всё это время шло преимущественно экстенсивно. Созрели ли условия для технологического сельскохозяйственного скачка? И почему он стал вероятен именно в наше время? Ответы на эти вопросы являются основной темой этой статьи.
Энергетическая неэффективность производства продовольствия
Появление сельского хозяйства произошло давно, ещё в период позднего неолита, 12 тысяч лет назад, когда из охотников-собирателей люди постепенно превратились в земледельцев, выращивающих сельскохозяйственные культуры с применением примитивных, но технологий, например, технологий расчистки земель и технологий орошения. Эти технологические достижения того времени впервые в истории человечества позволили увеличить урожайность и начать производить излишки продовольствия. После создания технологий хранения больших объёмов продовольствия излишки перестали пропадать, что привело к увеличению плотности населения, появлению сравнительно крупных поселений, возникновению примитивной системы разделения труда. Далее такие населённые пункты начали ещё укрупняться, что привело к появлению сначала деревень, а затем и городов.
Ключевой элемент сельского хозяйства — выращивание зерновых культур. Важнейшим преимуществом зерна и злаков является возможность длительного и довольно простого хранения излишков, что позволило создавать сезонные запасы. Также эти запасы можно было перемещать с места на место, это было вторым полезным свойством зерна, которое определило его важнейшую роль в сельском хозяйстве на многие тысячелетия вперёд. Учёт запасов привёл к появлению бухгалтерии, началу хождения расписок на хранимое зерно, которые впоследствии превратились в фиатные деньги. Всё, что мы наблюдаем сегодня вокруг, зародилось как инфраструктура, обеспечивающая производство зерна много тысяч лет назад.
Сельское хозяйство сегодня — это практика одомашнивания и дальнейшего выращивания растений и домашнего скота для получения продуктов питания, которые употребляются человеком в пищу. У сельского хозяйства есть свой EROI (соотношение полученной энергии к затраченной, энергетическая рентабельность, то есть сколько пищевых калорий/джоулей, готовых к употреблению, будет получено на единицу энергии, потраченной на производство той или иной сельскохозяйственной продукции). Вокруг этой конверсии всегда шли и будут идти споры. Но в целом EROI сельского хозяйства всегда был низким.
Так, для предыдущего жизненного уклада охотников-собирателей EROI такой деятельности оценивался разными авторами[1] от 26:1 до 69:1. Для начального периода развития собственно сельского хозяйства EROI оценивался всего лишь от 2:1 до 3:1, что на порядок ниже, чем занятие охотой или собирательством. В связи с этим до сих пор непонятно, что же в действительности послужило драйвером к переходу от многократно более энергетически выгодной деятельности по собирательству к земледелию, по этой теме тоже идут бесконечные споры. Но если всё время занятия сельским хозяйством EROI был хоть немного, но больше единицы (то есть получаемая пищевая энергия превышала энергозатраты на её производство), за счёт аккумулирования энергии солнца в процессе фотосинтеза, то в середине прошлого века всё изменилось.
Третья аграрная революция привела к значительному увеличению объёма производства сельскохозяйственной продукции в мире. Технологический скачок в сельском хозяйстве включал в себя более продуктивные сорта растений, расширение технологии орошения, применение удобрений, пестицидов, использование разнообразной современной техники. Но EROI сельского хозяйства в целом в развитых странах составляет примерно 0,25:1[2] . Для Голландии есть аналогичный расчёт, который характеризует EROI сельского хозяйства этой страны величиной 0,16:1[3] . Для Дании — 0,28[4]. Для США, с учётом потерь от несъеденных остатков пищи, — 0,08! Это удивительно низкая цифра. Что это означает? Это означает, что на каждую калорию, которую мы потребляем с едой, затрачивается от четырёх до 12 калорий энергии, которая почти на 100 процентов — невозобновляемые углеводороды (в основном нефть и газ).
Урожайность сельского хозяйства значительно выросла в ходе третьей аграрной революции благодаря активному использованию ископаемого топлива с собственным EROI 15–25. В результате в настоящее время вся система производства продуктов питания полностью зависит от ископаемого топлива с высоким EROI, что компенсирует резкое снижение EROI производства продуктов питания. Очевидно, что низкий EROI современного производства продуктов питания представляет собой ключевую уязвимость в мире, где нефть, газ и уголь с высоким значением EROI рано или поздно закончатся. Вместе с доступными и сравнительно легко извлекаемыми углеводородами закончатся не только автомобили, но и продукты питания, что может вызвать глобальный голод и крах всей существующей цивилизации.
Одна из основных проблем современного сельского хозяйства, у которой нет очевидного решения, заключена в том, что производство калорий на гектар при выращивании продовольственных культур весьма незначительное. Так, например, если взять самые распространённые культуры, то производство калорий с гектара следующее (таблица 1).
двойной клик - редактировать изображение
Если взять рацион среднего человека в один миллион калорий в год, то гектар пашни, занятый, например, на производство пшеницы, может прокормить условно 10 человек (понятно, что рацион должен быть разнообразным, это условный расчёт). Это даёт оценку потребности только в пашне в 1 млрд га, что соответствует реальному значению площади земли в мире, отведённой под пашни, — 1,3 млрд га.
Отдельно стоит упомянуть крайне низкую эффективность производства мяса. Известно, что животноводство является крупнейшим видом антропогенного использования земли. В 2011 году 75% всех сельскохозяйственных угодий (включая пастбища) в мире были отведены под животноводство. Соотношение же калорий продуктов животного происхождения к калориям корма в среднем составляет всего около 10%[5]. При этом производство фуражного зерна также обладает EROI <1, что даёт, по расчётам тех же авторов, конечный EROI продукции животноводства на уровне 0,03–0,05.
Наконец, следует также отметить, что цепочки поставок от производителя до потребителя, включая переработку, упаковку и распределение, теперь составляют около 60% суммарных энергозатрат на продукты питания. При этом перевозки сельскохозяйственной продукции занимают в среднем половину от грузоперевозок автомобильным транспортом в мире.
Суммируя сказанное: сейчас мы превращаем нефть в пищу очень старым и неэффективным способом, и в результате этого процесса теряем огромное количество энергии.
Два сценария: откат и прорыв
В качестве базовых сценариев я рассматриваю два. Первый — откат на предыдущий технологический уровень второй аграрной революции. Его последствия можно рассмотреть на примере такого государства, как Шри-Ланка.
Президент Шри-Ланки Готабая Раджапакса в своей предвыборной кампании 2019 года обещал в течение десяти лет внедрить принципы органического земледелия в сельское хозяйство страны. Раджапакса выполнил своё обещание и ввёл общенациональный запрет на импорт и использование искусственных удобрений и пестицидов, потребовав от двух миллионов фермеров перехода на так называемое «органическое земледелие».
В результате в течение первых шести месяцев эксперимента производство риса внутри страны упало на 20%. Запрет также существенно снизил урожай чая, главного экспортного продукта и основного источника валютных доходов страны. На настоящий момент в стране закончилась валюта для приобретения нефти, что привело к полному отсутствию топлива на заправках. Премьерминистр официально объявил о крушении экономики и посоветовал чиновникам начать возделывать огороды. Шри-Ланка объявила дефолт по внешним обязательствам в 51 млрд долларов. Инфляция в июне 2022 года достигла рекордных значений: 54,6% годовых. В стране произошли массовые беспорядки со множеством раненых и убитых. Президент Раджапакса подал в отставку и был вынужден бежать из страны.
Таким образом, Шри-Ланка стала страной, в которой произошёл управляемый откат на предыдущий аграрный уклад, и теперь ясны последствия, которые ждут те общества, в которых произойдет что‑то подобное, но по естественным причинам.
Второй сценарий — это форсированная четвёртая аграрная революция. Наверное, это единственный позитивный сценарий. В чём он должен заключаться? Какие цели у четвёртой аграрной революции?
Цель 1. Вернуть EROI сельского хозяйства на устойчивый уровень, равный 2 (в идеале 3), при сохранении общего количества производимых калорий и питательных веществ. Это будет означать, что готовый продукт в магазине не будет иметь отрицательный баланс энергии.
Достижение первой цели не так просто, как может показаться. И оно потребует значительных усилий. Во-первых, еда должна начать производиться рядом с местом её переработки и потребления. А это означает неизбежность создания искусственных производств, можно назвать их промышленными теплицами. Для примера приведу пшеницу, которую очень странно выращивать в теплице.
Пшеница, абсолютно не тепличное растение, даёт высокую урожайность при круглосуточном искусственном освещении и постоянном уровне температуры в 23 градуса. Более того, оказавшись в тепличных условиях, пшеница проходит путь от посадки до созревания всего за 70 дней. В Принстоне оценили максимальные урожаи пшеницы при выращивании в закрытых помещениях с искусственно моделируемым климатом. В модели задали постоянную температуру, круглосуточное интенсивное освещение, сверхвысокую концентрацию CO2 и равномерную подачу питательных веществ. Учитывая, что при таких параметрах среды пшеница способна дать пять урожаев в год, её урожайность (в искусственно созданных идеальных условиях) может составить невообразимую величину — 1140 центнеров/га в год! А создание специальных сортов, приспособленных для закрытых помещений, теоретически могут повысить эту цифру до 1940 центнеров/га! Отдельное преимущество такого способа выращивания в том, что не требуется хранить зерно целый год, урожай снимается практически равномерно — пять раз в год. Средний показатель естественной урожайности пшеницы в России за последние пять лет составил 27,2 центнера с гектара. Таким образом, потенциал искусственного выращивания пшеницы в 42 раза больше, если использовать существующие сорта, и в 71 раз больше, если использовать специальные сорта, созданные для искусственного культивирования.
Для того чтобы обеспечить хлебом жителей такого города, как Москва (25 миллионов человек в агломерации), учтя, что 40% рациона человека, прямо или косвенно, — это зерно, а на пшеницу приходится около 25% ежедневного рациона (600 ккал = 200 граммов пшеницы), потребуется в год 18 250 000 центнеров пшеницы. Это потребует, с использованием существующих сортов, 16 000 гектаров площади, или 160 кв. км пшеничных теплиц. Такая площадь есть даже в Москве, не говоря уже о Московской области, площадь которой 44 300 кв. км. Размещение же такой конструкции в несколько ярусов позволит резко сократить требования к площади. Так, например, в той же Северной Америке были предложены вертикальные теплицы с пятью ярусами для выращивания зерновых.
Для того чтобы обеспечить жителей Москвы томатами (в среднем житель города потребляет в разном виде в год шесть килограммов томатов, то есть всего на агломерацию 150 млн кг) при урожайности тепличных томатов, достигнутой в Голландии (120 кг/кв.м в год), потребуется всего лишь 1,25 кв. км территории. Думаю, что производство томатов для москвичей несложно будет открыть даже внутри МКАД, скажем, рядом с метро «Тимирязевская».
Аналогичные результаты достигнуты для выращивания и других сельскохозяйственных культур в искусственных, тепличных условиях с моделируемым климатом. Урожайность повышается также за счёт использования систем искусственного интеллекта, который управляет показателями температуры, влажности почвы и воздуха, подачей питательных веществ, определяет готовность плодов к сборке, максимизируя урожай, обучаясь в процессе.
Я уверен, что ближайшее будущее — за созданием небольших тепличных комплексов, оснащённых системой искусственного интеллекта для динамического управления параметрами среды для максимизации урожая.
Цель 2. Использовать существующие и перспективные научные разработки для создания синтетической основы повседневной еды.
Индустрия фудтеха не стоит на месте, и появляются интересные разработки по созданию полностью или частично синтетической еды. Сейчас это звучит очень странно, но мы же не едим зерно в сыром виде? Мы едим хлеб. Зерно сначала превращается в муку, потом из неё выпекают хлеб. Аналогично с синтетической основой — она может использоваться для получения продуктов, которые будут выглядеть и ощущаться как настоящие, но в их основе будет лежать, например, не мясо, а что‑то другое.
Подобные синтетические прекурсоры могут резко, на порядок, увеличить эффективность той же мясомолочной отрасли, избавив человечество от необходимости выделять 75% площади под животноводство. И EROI таких прекурсоров будет, очевидно, значительно выше, чем 0,03–0,05 для того же мяса.
Сейчас уже готовы технологии по выращиванию мяса из клеток. Технология основана на тканевой инженерии — выращивании тканей в лаборатории для медицинских целей. Ученые получают образцы клеток животных из банков клеток. Эти банки уже существуют для таких целей, как разработка лекарств и вакцин. Далее клетки погружаются в питательную ванну в биореакторе. Образцу клеток требуется примерно две недели, чтобы вырасти до товарного размера. Далее следует преобразование мяса в готовый для продажи продукт, будь то куриная грудка или наггетс, говяжий бургер или стейк.
Не исключено, что котлеты из синтетического мяса будут даже вкуснее (за счёт правильно подобранных искусственных ароматизаторов), а возможно, и полезнее (за счёт правильно подобранных соотношений питательных элементов), чем натуральные. Кстати, в них не будет антибиотиков, которые дают животным для борьбы с болезнями. Люди, которые будут продолжать потреблять натуральные стейки из убитой коровы, будут похожи на тех, кто продолжает сегодня в повседневном режиме курить сигары из скрученного табачного листа. А таких людей, по моему наблюдению, практически не осталось.
Самое главное — все подобные продукты в перспективе будут значительно дешевле натуральных. У всех будет выбор: приобрести хлеб за 10 рублей или за 100, котлету за 30 или за 3000. Конечно, сохранятся и магазины organic foods. Будете ли вы их клиентом и хватит ли у вас денег на покупку «настоящей» еды, которая ещё вчера бегала и щипала травку, зависит от вашей успешности в новом дивном мире.
Даже если вы не поверите написанному в этой статье, один из двух сценариев реализуется в ближайшие пару десятков лет. Просто потому, что закон сохранения энергии никто не отменял.
Примечания:
1 Glaub, M., Hall, C.A. Evolutionary Implications of Persistence Hunting: An Examination of Energy Return on Investment for !Kung Hunting. Hum Ecol 45, 393–401 (2017).
2 Pimentel, David. 2009. «Energy Inputs in Food Crop Production in Developing and Developed Nations».
3 http://www.ronaldrovers.com/embodied-land-every-agriculture-hectare-requires-77-hectare-input/
4 Energies 2013, 6, 4170-4186; doi:10.3390/en6084170
5 Emily S Cassidy, Paul C West, James S Gerber and Jonathan A Foley. Redefining agricultural yields: from tonnes to people nourished per hectare. Published 1 August 2013. IOP Publishing Ltd. Environmental Research Letters, Volume 8, Number 3.
