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研究發現,氣候變化對以大米為生的極端貧窮國家孕產婦和兒童健康的影響尤為明顯。圖片來源:olly301

水稻是全球30多億人的主糧。而這30億人口中,很多人都負擔不起營養豐富、含有完整蛋白質、谷物、水果和蔬菜的多樣化飲食結構。相對便宜的谷物是他們主要的卡路里來源,而這其中就包括水稻。

我的研究主要關注與氣候的波動和變化相關的健康風險。在
最近發表的一份研究中,我與來自中國、日本、澳大利亞和美國的多位科學家合作,對氣候變化的罪魁禍首,也就是二氧化碳濃度的上升可以改變水稻營養價值這一問題進行了評估。我們在亞洲實地種植了多種基因多樣性水稻品系,并就此分析了大氣二氧化碳濃度上升是如何改變水稻中蛋白質、微量元素和B族維生素的水平。

我們的數據首次顯示,在科學家預估的2100年大氣二氧化碳濃度下生長的水稻,其含有的4種B族維生素含量出現了下降。這些發現同時還支持了其他實地研究結果,比如在上述大氣條件下生長的水稻,
其蛋白質、鐵和鋅的含量都相對較低,而這3種元素對胎兒和幼兒的早期發育非常重要。這些變化可對孟加拉國、柬埔寨等以大米為生的極端貧窮國家孕產婦和兒童健康的影響尤為明顯。

亞洲許多極端貧困地區都以水稻為主食
file-20180611-191962-177718c_CHNEW.jpg亞洲水稻產量和消費量占全球總量的90%,貧困人口占全球貧困總人口的70%以上。圖片來源:國際水稻研究所IRRI

二氧化碳和作物生長 植物從大氣二氧化碳中汲取生長所需的碳,并從土壤中吸收其他所需的營養物質。人類活動——尤其是化石燃料燃燒和森林砍伐——導致大氣二氧化碳濃度從工業化前的280ppm增加到如今的410ppm。如果全球排放率保持現狀,那么到2100年,大氣二氧化碳濃度很有可能會上升到1200ppm(其中包括甲烷和其他氣體排放量)。

通常,較高濃度的二氧化碳能夠刺激植物的光合作用和生長。這種影響可以使水稻、小麥和玉米等全球最重要的食物來源谷物更多產。不過最新的研究表明,預測對作物生長的影響其實是很
復雜的。

對人類健康至關重要的幾種礦物質濃度(特別是鐵和鋅)并不會隨著二氧化碳濃度變化而改變。現有植物生理學認為,主要谷物作物——特別是水稻和小麥——在面對較高濃度的二氧化碳時,會合成更多碳水化合物(淀粉和糖)和較少蛋白質,而且
谷物內礦物質的含量也會減少。

2014年以來全球營養不良人口數量呈增長趨勢,2016年估計達到8.15億

file-20180611-191943-g7d1tz_CH.jpg注:2000年-2016年全球營養不良人口數量及占比。2016年的數字為估計值。數據來源:FAO

過去十年,全球饑餓人口數量及占比穩步下滑,而如今似乎又出現了抬頭的跡象,預計將會影響全球11%的人口(數據來源:聯合國糧食與農業組織(Food and Agriculture Organization,簡稱FAO))

至關重要的微量元素

目前,全球約有8.15億人的糧食安全難以得到保證,也就是說他們缺乏可靠的途徑獲得數量充足、安全營養、價格合適的糧食來源。而面臨鐵、碘和鋅等重要微量元素缺乏問題的人口數量可能更多(大約為20億)。

膳食鐵含量不足會導致缺鐵性貧血。這種情況下,人體內的紅細胞數量太少,無法攜帶足量氧氣。這是最常見的一種貧血癥,會導致疲勞、氣短或胸痛,甚至可能引發心臟衰竭和兒童發育遲緩等嚴重并發癥。

鋅缺乏癥的特征是食欲不振、嗅覺減退、傷口愈合緩慢和免疫功能下降。鋅對生長和發育非常重要,所以保證足夠的膳食鋅攝入對孕婦和生長期兒童來說至關重要。

植物中二氧化碳濃度升高會降低
植物組織中的氮含量,而后者對B族維生素的生成至關重要。人體的不同功能需要不同種類的B族維生素提供支持,比如調節神經系統、將食物轉換為能量以及抵抗感染等。而孕婦攝入葉酸這種B族維生素可以降低新生兒的先天性缺陷風險。

育齡婦女貧血是一個長期存在的問題

file-20180611-191962-3tghlb_CH.jpg全球有三分之一的育齡婦女患有貧血癥,約6.13億人。(資料來源:聯合國糧食與農業組織(FAO)注:育齡婦女貧血患病率,2005-2016。資料來源:WHO全球衛生觀察站,2017

重要的營養缺失

我們在中國和日本分別進行了不同品種水稻的戶外種植和實地研究。為了模擬較高的大氣二氧化碳濃度,我們采用了自由大氣二氧化碳濃縮方法,將二氧化碳直接吹向稻田,讓其維持在科學家預計的本世紀晚期的二氧化碳濃度。控制組稻田除了較高濃度的二氧化碳外,其他實驗條件與對照組稻田相似。

平均而言,與處于當前二氧化碳濃度中的水稻相比,生長在高二氧化碳濃度稻田中的水稻維生素B1(硫胺素)含量低17%;維生素B2(核黃素)含量低17%;維生素B5(泛酸)含量低13%;維生素B9(葉酸)含量低30%。我們的研究首次證實二氧化碳濃度升高會降低水稻中的B族維生素含量。

我們還發現,在二氧化碳濃度較高的環境下,水稻的蛋白質含量平均減少10%,鐵減少8%,鋅減少5%。而維生素B6或鈣的水平基本沒有變化。而維生素E是多數稻谷品種中含量唯一出現增長的營養物質。

file-20180612-112631-y1ply.png這塊稻田中欄桿圍成的八角形區域種植的稻米是不同大氣條件下水稻種植實驗的一部分。二氧化碳濃度為568至590ppm的情況下種植的水稻營養較差,蛋白質、維生素、礦物質的含量都較低(圖片來源:日本國家農業和食品研究組織Toshihiro Hasegawa博士)

微量元素匱乏不斷惡化

目前,大約有6億人 (主要是在東南亞地區)日常一半以上的卡路里和蛋白質攝入直接來自大米。如果不采取行動,我們發現的水稻營養物質含量下降將很有可能讓全球營養不良的現狀愈加惡化。此外,營養不良會讓腹瀉和瘧疾等疾病惡化,從而影響兒童的早期發育。

與二氧化碳濃度升高導致的營養不良相關的潛在健康風險與最低人均國內生產總值直接相關。這說明,這些改變將給已經飽受貧困與營養不足困擾的國家帶來嚴重的潛在后果。很少有人會把化石燃料、森林砍伐和水稻的營養成分含量聯系在一起。但是我們的研究已經明確證實,化石燃料污染物排放會加劇全球饑餓挑戰。

氣候變化如何影響其他關鍵植物?

很遺憾,如今無論是在聯邦、州、還是商業層面,沒有一個實體愿意提供長期研究資金,評估二氧化碳濃度增加對植物化學組成和營養物質的影響。但二氧化碳引發的種種變化的確具有非常重要的意義,包括從藥用植物到營養物質,食品安全和食物過敏等多個領域。鑒于可能已經出現的潛在影響,很明顯,投資這項研究已經迫在眉睫。

此外,關鍵是還要明確避免或減少這些風險的措施,從傳統植物育種到基因改良,再到營養補充劑都要考慮到。二氧化碳濃度升高正在加劇氣候變化。這些排放物在改變植物生物學各方面到底會發揮怎樣的作用(包括我們的食物、飼料、纖維和燃料作物的營養品質)仍然還是未知數。



英文原文首發于《對話


翻譯:Estelle