Краткая история питания человека

ВВЕДЕНИЕ

      Цель статьи — исторически, экономически и философски проанализировать путь,  пройденный человечеством в области производства и потребления пищевых продуктов и оценить перспективы дальнейшего развития в этой области человеческой деятельности. В настоящее время появились некоторые зловещие предсказания, анализ и оценка которых актуализирует предмет и цель данного исследования. Например, научный консультант правительства Великобритании профессор Джон Беддингтон  [1] сегодня  предсказывает, что к 2030 году ситуация с жизненно важными ресурсами на земле будет катастрофической. К этому времени население достигнет 8,3 миллиарда человек, спрос на энергию вырастет на 50%, а к пресной воде — 30%. Выдающийся советский математик Арнольд В.И. [2] разработал теорию катастроф. Правда чисто математический аспект теории вызывает некоторые сомнения в достаточной полноте охвата таких сложных явлений, как катастрофы. Множественность катастрофических явлений  сведена к теории бифуркаций дифференциальных уравнений и теории особенностей гладких отображений.  Нобелевский лауреат Илья Пригожин в сотрудничестве с Изабеллой Стренгерс [3] ищут пути восстановления союз человека с природой на новой основе, которая будет состоять не только в единстве человека и природы, но и в единстве науки, культуры и общества в целом. Далее предлагается рассматривать более узкую конкретную  проблему- питание человечества.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования являются критические периоды в истории технологии производства продуктов питания. Кибернетик Хейнц фон Ферстер в 1960 году [4], в журнале «Science» опубликовал статью под названием «Судный день. Пятница 13 ноября 2026 «. На основании данных о росте мирового населения до 1958 года он построил простую гиперболическую модель, по которой  оказывается, что в 2026 году население планеты должно стать бесконечным:
                                                     

                                                     (1)

где — зависимость численности населения Земли  от времени ;

t₀
– константа Хейнца;

 — постоянная населения планеты по демографическим данным до 1950 года, которую мы вычислили с помощью математической программы CurveExpert. Тогда формула (1) принимает вид:

                                                                               (2)

Рис . 1. График изменения населения мира по статистике до 1950 года, которую мы обрабатывали с использованием программы CurveExpert для определения постоянной в числителе эмпирической формулы  (2) Хейнца.

        В настоящее время демографами разработан счетчик численности населения Земли. Сегодня, в данный момент 07-01-2017 в 12 часов 50 минут 54 секунды счетчик населения земли [5] показывает численность 7 481 705 80  , что дает возможность для количественного анализа и сопоставления численности населения с необходимым количеством продовольствия, допустим, на основе энергетических соображений.

           Фотосинтез является основным источником биологической энергии, фотосинтезирующие автотрофы (в основном зеленые растения) используют солнечную энергию для синтеза органических соединений из неорганических, гетеротрофы (включая человека) существуют за счет энергии, запасенной в виде автотрофных химические соединений. Однако запасы энергии Солнца не являются  бесконечно большим. В результате излучения масса Солнца уменьшается на 4,3 млн тонн в секунду  [6]. Солнце может быть источником энергии для фотосинтеза на Земле около 100 миллиардов лет, но когда-нибудь ее энергия закончится.  Такие дальние прогнозы конечно безопасны лично для предсказателя, поскольку  проверяются только расчетами астрофизиков, но игнорировать их тоже не стоит в силу их фундаментальности для человечества.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

      Кремер М. (1993) [7]  предложил  аналогичный рис. 1 график изменения мирового населения с 1993 года до 1970-х годов, мировое население действительно росло почти по гиперболическому закону.
      Однако, начиная с 1989 года, абсолютный темп роста мирового населения начал снижаться (Бюро переписи населения США (USCB), 2008) [8]. К 2100 году прирост может упасть до менее, чем 5 миллионов человек в 10 лет. Некоторые демографы ограничивают численность населения Земли 10-12 миллиардов человек и есть предсказания о еще более низком уровне стабилизации численности населения мира. Сегодня более адекватным графиком изменения численности населения Земли является закон логистического типа (Рис.2, формула (3)). [9,10,11,12,13].
   

Окончательный сценарий роста численности населения пока не ясен . Но очевидно, что Судный День  не придет по Хейнцу в 2026 году в связи с уходом его графика в бесконечность, а может произойти по совершенно другим причинам.  Хейнц, вероятно, пошутил, совместив Судный день со своим 115-тым Днем рождения, до которого он, к сожалению, не дожил.

Рис. 2. Стандартный график логистического закона.
В нормированных единицах логистический закон можно представить в виде :

                                                                        (3)

    В основе следующих рассуждений о развитии технологии в производстве пищевых продуктов лежит астрофизика Солнечной системы и дарвиновская эволюционная модель. Рассмотрим немного подробнее процесс фотосинтеза. Выделяют три этапа фотосинтеза: фотофизический, фотохимический и химический.

       На первом этапе происходит поглощение квантов света пигментами, их переход в возбуждённое состояние и передача энергии к другим молекулам фотосистемы.  На втором этапе происходит разделение зарядов в реакционном центре перенос электронов по фотосинтетической электронотранспортной цепи. Первые два этапа вместе называют светозависимой стадией фотосинтеза.      Третий этап происходит уже без обязательного участия света и включает в себя биохимические реакции синтеза органических веществ с использованием энергии, накопленной на светозависимой стадии. Чаще всего в качестве таких реакций рассматривается цикл Кальвина [14] и глюконеогенез, образование сахаров и крахмала из углекислого газа воздуха.

      В 1941 американский биохимик Мелвин Кальвин  показал, что первичный процесс фотосинтеза заключается в фотолизе молекул воды, в результате чего образуются кислород, выделяющийся в атмосферу, и водород, идущий на восстановление диоксида углерода до органических веществ. Используя радиоактивный изотоп углерода ¹⁴С, бумажную хроматографию и классические методы органической химии, Кальвин и его группа смогли проследить биосинтетические пути фотохимических процессов. К 1956 стал ясным полный путь превращения углерода при фотосинтезе. За исследования в области ассимиляции диоксида углерода в растениях Кальвин был удостоен в 1961году Нобелевской премии по химии.

      Химическую формулу фотосинтеза можно представить в следующем виде:

6CO₂ + 6H₂O = C₆H₁₂O₆
+ 6O₂                                                                                    (4)

       С помощью этой реакции на Земле ежегодно запасается более 10¹⁷  ккал свободной энергии, что соответствует ассимиляции более 10¹⁰    т углерода в составе углеводов и других форм органических веществ   [ 15]. Если эти соображения верны, то легко подсчитать  максимальную теоретическую численность людей, которых может прокормить фотосинтез. Считая, что в году 365 дней и человеку в день нужно около 3000 ккал энергии, получим

                                      (5)

      Естественно, люди и другие обитатели земли не могут по разным причинам использовать всю запасаемую энергию. Достаточно сказать , что  каждом звене трофичеcкой цепи теряется  около 90 % энергии [16] и хотя человечество использует также запасенное количество энергии  в виде угля , нефти, газа и других источников энергии, но в настоящее время большинство населения мира не получает достаточного по количеству и качеству питания. Продовольственная безопасность является актуальной экономической проблемой многих стран и численность человечества приближается к энергетическим пределам возможностей фотосинтеза на планете .  

     Рассмотрим эволюционную классификацию технологий производства продовольствия, что позволит обосновать попытки некоторых прогнозов в этой области.   Технологию первого  поколения можно назвать  технологией присвоения. Эта технология производства ( или  добычи) продуктов питания сводилась к собирательству и охоте, и мало чем отличалась от добычи пропитания в животном мире. Технология присвоения развивалась в период от нескольких миллионов лет до палеолита ( древнего каменного века), то есть до 10 — 8 тысячелетия  н.э.[17,18]. Это время существования ископаемого человека, который  пользовался обработанными каменными, деревянными и костяными орудиями и  активным использованием этих средств  отличался от других животных. Технология первого поколения обеспечивала питание примерно 3 млн человек .  Встав на две ноги, человек приобрел более рациональный способ передвижения , чем животные на четырех ногах, и  в сочетании с механизмом охлаждения организма через потение был способен догнать на длинных дистанциях любое охотничье животное [19]. До сих пор лучшие бегуны на длинные дистанции, стайеры, происходят из Африки, видимо исконной прародины человечества.

     В недрах технологии первого поколения зарождались зачатки технологии 2-ого поколения, которые заключались  в препарировании добычи, транспортировании продуктов, все более осмысленном отношении к сохранению источников питания, в элементах коллективного природопользования на своей территории охоты и собирательства.

     Технологию  второго поколения можно назвать технологией  воспроизводства. Исторически эта технология развилась примерно 8- 3  тысячелетия до н.э.  (в новом каменном веке) неолите. Тогда человек освоил шлифование и сверления каменных орудий, прядение и ткачеств, изготовление глиняной посуды. Люди объединялись с волками для совместной охоты, появились прирученные животные — коровы, овцы, лошади, то есть охота переходила в свою более интенсивную и регулируемую фазу — в скотоводство. Одновременно собирательство переходило в растениеводство, в искусственное выращивание полезных растений. Эта технология обеспечивала питание примерно 50 млн человек к концу неолита и примерно 3 млрд к 1960 году [20].

         Далее все более растущие потребности человечества  удовлетворялись в основном экстенсивным способом — увеличением посевных площадей и увеличением поголовья скота. Следует подчеркнуть особую роль зерновых, способных к массовому локальному произрастанию самозасевом и естественной консервации зерен сушкой. В недрах  технологии второго поколения зарождались элементы технологии третьего поколения — технологии интенсификации. Человечество стало заниматься  селекцией и генетикой — выращиванием все более производительных растений и  размножением все более продуктивных животных.

       Технологию третьего поколения можно назвать  технологией интенсификации. Конец периода доминирования технологии 2 поколения можно отнести примерно к середине 20 века, когда возможности экстенсивного роста производства пищевых продуктов были исчерпаны — все пригодные  для посевов площади были распаханы, количество животных в силу ограниченности площадей для выкорма тоже уже нельзя было увеличить. Можно полагать, что численность человечества не будет бесконечно расти и стабилизируется, как уже указывалось, примерно  на 10-15 млрд человек.

     Основными признаками технологии третьего поколения, технологии  интенсификации, следующие [21]:

1.Использование микробиологических способов производства  пищевых продуктов —  продуктивность микроорганизмов, водорослей, грибов на несколько порядков выше, чем производительность традиционных сельскохозяйственных животных и растений. Реализуется биологический закон – чем меньше организм, тем он продуктивнее. Легко проследить  следующую цепь: время удвоения биомассы крупного рогатого скота -30-60 дней, свиней-20-40 дней, кур -12-24 дня, травы — 6-12 дней, хлореллы- 2-6 часов, бактерий  и дрожжей – 0.3-2 часа. Иначе, этот ряд в часах можно выстроить так -1440:960:576:288:6:2.

2. Искусственное сокращение трофических пищевых цепей ( растение — животное — человек ), производство продуктов непосредственно из аутотрофных организмов — соевое молоко, творог, искусственное мясо, икра итп. [22]. В процессе питания потенциальная энергия пищи переходит к её потребителю. При переносе потенциальной энергии от звена к звену трофической цепи до 80-90 % теряется в виде теплоты. Чем длиннее трофическая цепь, тем меньше продукция её последнего звена по отношению к продукции начального.

3. Массовое производство генетически модифицированных пищевых продуктов с особыми пищевыми и медицинскими свойствами

       Одним из признаков зарождения нового, третьего поколения пищевых технологий является создание искусственных продуктов. Выдающийся химик академик АН СССР А.Н. Несмеянов заложил (1962) основы нового научного направления — создание синтетической пищи. Отметим, что к этому побуждала и философия жизни академика — он был вегетарианцем. А. Н. Несмеянов  установил (1960-1970)  пути синтеза простых и доступных соединений (углеводы, нитро соединений , альдегидов, аминокислот ), имитирующие запах и вкус пищи. [23]. Продукт под названием «Искра» ( аббревиатура «черная искусственная зернистая икра», русский «ИСКРА») стал первым известным промышленным образцом белковой икры в СССР. Впервые в мире СССР получил икру на заводе «Чибис», построенного в 1960 году в Институте элементоорганических соединений (Москва). Производительность одного завода составляет 1,5-2 кг / ч икры, готовой к реализации. Зернистая икра, на заводах, «Чибис» состоит из казеина с добавлением желатина, декстрина, крахмала, глицерина и гидроксида натрия. [24, 25].

     Доктор химических наук,   специалист в реологии и химии полимеров  Г.Л. Слонимский (2015-2004), который в то время сотрудничал с А. Н. Несмеяновым, в своих воспоминаниях утверждал: «Мне сразу же пришла в голову мысль, как формировать зерно икры, поэтому я сказал, что я хотел бы попробовать сделать это. Уже в 1964 году мы сделали первые лабораторные образцы искусственной икры из обезжиренного молока. И потом, эта технология была доработана Институтом своими собственными силами. С тех пор этот дешевый и вкусный продукт под названием «Белковая зернистая икра» (на основе белка казеин,  куриных яиц и других  пищевых материалов) стали делать в Москве и других городах . «[26].
     Впервые в мире было налажено производство  белковой икры в портовом холодильнике в Москве. Удивительно, что второе место в мире в начале семидесятых годов прошлого века, где была реализована эта промышленная технология Несмеянова-Слонимского  был  молочный завод города Мыски в Кузбассе. Это была инициатива молодых лидеров Кемеровского технологического института пищевой промышленности (КемТИПП, который был организован в 1972 году, ныне то ли присоединенный, то ли слитый с Кемеровским университетом), при поддержке Кемеровского обкома КПСС, членами которого были одним из первых дегустаторов икры. В этой исторической дегустации на заседании Бюро обкома партии были ректор КемТИПП профессора Б. Азаров и проректор научно-исследовательского отдела  доцент В. Арет.  Они были уполномочены руководством региона продолжать производство этого инновационного продукта, к тому времени, что требовало определенного политического мужества — производство искусственных пищевых продуктов не была признана в качестве основной линии продовольственной программы  КПСС. Иногда малосведущие  люди даже сегодня распространяют слухи о производстве черной икры из нефти. Это отголоски той политической борьбы с некоторыми вегетарианскими идеями академика А. Н. Несмеянова действительно о производстве пищевых продуктов из нефти, которую  и  сейчас предпочитают  в виде топлива  сжигать.
     Прорывные исследования имеют свойство создавать долгосрочный поток изобретений. Идеологически близкие события и продолжают в институте имени академика А. Н. Несмеянова и сегодня.
     Действительно, серия подобных изобретений последовало после первых разработок  Института А.Н. Несмеянова. Например, в 1986 году в Тбилисском государственном университете группа изобретателей во главе с академиком РАН  И.А. Рогов [27] разработали новый метод для изготовления икры.     До сих пор изобретатели  улучшают различные аспекты технологии производства  икры, например, изобретение В.А. Громовой в 2003 г. [28]. Изобретение дает возможность создать универсальный пищевой краситель, который дает икре желаемый цвет и оттенок.

     Технологии следующих трех поколений можно рассматривать как не очень актуальные фантазии на заданную техническую или философскую  тему эволюции. Причиной их появления, вероятно, не будет именно только увеличение численности населения Земли, а  иные причины.

       Технологию четвертого поколения можно назвать ядерной . Признаки:

1. Разработка аналогичных фотосинтезу искусственных  способов ассимиляции ядерной и других видов энергии

2. Слияние  технологий производства пищевых продуктов и  фармакологических препаратов, направленное на оптимизацию и индивидуализацию обеспечения человеческого организма необходимыми для жизни веществами.

       Технологию пятого поколения можно назвать биотехнологической, чему будет сопутствовать генетическая, химическая, механическая и информационная перестройкой растений,  животных и людей. Происходит биороботизация организмов, еще больше индивидуализируется и рационализируется питание, произойдет фундаментальная перестройка образования и социальных функций семьи.

       Технологию шестого поколения, уже совсем радикальную и фантастическую,  можно назвать информационной. Признаки:

1. Отказ от белкового тела, как носителя жизни, переход в информационное  электромагнитное или какое-либо иное физическое поле (по терминологии  академика В. Вернадского —  в ноосферу [29, 36]),  окончательное решение проблемы болезней,  начала и конца жизни.

2. Выход жизни или сознания с планеты Земля в бесконечное  пространство и перемещение в нем  со скоростью света, решение проблемы затухающего солнца.

ВЫВОДЫ

История человечества, как история «формы существования биополимерных тел, способных к саморепликации в условиях постоянного обмена веществ и энергии с окружающей средой» ( определение академика В. Гольданского [30] ), будет закончена и перейдет к истории существования других разумных систем, способных к саморепликации и неслучайному воздействию на окружающую среду. Эта оптимистическая траектория эволюции может быть изменена многими возможными обстоятельствами, в том числе астрофизическими и политическими. Наш современник, гениальный английский физик-математик Стивен Хокинг говорит: «Мы сталкиваемся с тяжёлыми экологическими проблемами: изменение климата, недостаток производства пищевых продуктов, перенаселенность, истребление друг друга , эпидемические заболевания, подкисление океанов. Вместе они являются напоминанием о том, что мы находимся в самом опасном моменте в развитии человечества. Теперь у нас есть технология, чтобы уничтожить планету, на которой мы живем, но еще не развили способность избежать этого. Возможно, в течение нескольких сотен лет, мы установим колонии людей на других  звездах, но сейчас у нас есть только одна планета, и мы должны работать вместе, чтобы защитить его. Чтобы сделать это, нам нужно сломать, а не наращивать барьеры внутри и между странами. Ресурсы все больше концентрируется в руках немногих, мы будем должны научиться делиться гораздо больше, чем в настоящее время» [31].       

Многие положения данной статьи почерпнуты из совместных работ или частных обсуждений в течении последних 50 лет с историком, кандидатом исторических наук, социологом Арет Г.М. [32], астрофизиком, PhD  Арет А.В. [33], биотехнологом, кандидатом технических наук, доктором-терапевтом высшей категории Байченко Л.А.[34] и магистром, специалистом по нечетким множествам Байченко А.А.[35], которым автор выражает глубокую благодарность за удовольствие и поучительность совместной работы.