Par un ap augsni un ne tikai (2601/2)

Gan jau ka esat dzirdējuši, ka zemūdens pasaule ir mazāk izpētīta nekā kosmosa dzīles. Iespējams, ka tikpat maz zinām arī par vēl kādu tumšu valstību, kas atrodas mums zem kājām - augsni. Šis objekts ir kļuvis par populāru izpētes objektu mūsdienās, jo skar ne tikai cilvēces pārtikas ieguves jautājumus, bet slēpj arī atbildes uz klimata pārmaiņām, iespējām samazināt lauksaimniecības piesārņojošo dabu un varbūt vēl daudzas citas vērtīgas lietas, piemēram, zāles pret slimībām nākotnē. Tā kā pētījumu un pārdomu šajā jomā pēdējā laikā ir sakritis ļoti daudz, piedāvāju nelielu konspektu par manisprāt interesantākajiem.

1.augustā žurnālā Nature tika publicēts pētījums par divām karojošām nometnēm, kas cīnās par savu vietu augsnē - baktērijām un sēnēm. Īpaši sirdi sasildīja fakts, ka viens no pētījuma vadītājiem ir tepat no Igaunijas, Tartu universitātes. Piecu gadu laikā zinātnieki savāca un izpētīja 58 000 augsnes paraugus no 1450 vietām pasaulē, kuras praktiski nav skārusi lauksaimnieciskā darbība. No šīm 1450 vietām 189 tika analizētas padziļināti. Atklātie aptuveni miljons gēnu sastāda aptuveni 0,5% no jau esošajiem datiem, kas iegūti cilvēka kuņģu-zarnu trakta un okeānu pētījumos. Nezināmo gēnu ir neiedomājami daudz, bet zinātnieki uzskata, ka daudzi no tiem kalpo kā ieroči sēņu un baktēriju savstarpējā cīņā. Ja augsnē ir vairāk sēņu, tur ir mazāk baktēriju, kā arī novērojama sakarība starp sēņu daudzumu un rezistentām baktērijām, kas ir gluži loģiski, jo tikai rezistentās baktērijas spēj izdzīvot vidē, kur tās ar antibiotiku palīdzību cenšas iznīdēt sēnes. Baktērijas ir sastopamas praktiski visur, bet lielākā ģenētiskā daudzveidība ir maigā klimatā. Baktērijām patīk siltums un mitrums. Savukārt sēnes dominē aukstos un sausos reģionos. Sēņu populācijās ir novērota arī vislielākā dažādība starp kontinentiem. Salīdzinot cilvēka ietekmētās augsnes ar tā dēvētajām neskartajām zemēm, ir novērojamas būtiskas sēņu un baktēriju attiecību izmaiņas. Visticamāk, ka pareizā mikrobioma saglabāšana un uzturēšana augsnē ir tikpat svarīga kā cilvēka gremošanas trakta mikroorganismu pareizais balanss. Šīs simbiozes labāka izpratne noteikti palīdzēs nākotnē samazināt minerālmēslu un citu palīgvielu lietošanu, panākot vēlamo efektu ar augsnes mikroorganismiem.

Izrādās, ka izjaukts ir ne tikai augsnē esošā mikrobioma līdzsvars, bet arī tas, kas mīt mūsos, nav nekāds izņēmums. BROAD institūta speciālisti ir pārliecināti, ka cilvēku gremošanas trakta mikroorganismu daudzveidība ir apdraudēta un tādēļ ir uzsākuši starptautisku projektu, kura ietvaros veiks šī mikrobioma kartēšanu. Arvien vairāk pētījumu saredz saistību starp autoimūnajām saslimšanām un mikrobioma izmaiņām, kuras rada industrializācija, urbanizācija, ēšanas paradumu maiņa, pārtikas vienveidīgums un antibiotiku lietošana. Pētījumā tiks vākti paraugi no cilvēkiem, kas apdzīvo gan pilsētas, gan nomaļus, salīdzinoši civilizācijas maz ietekmētus reģionus. Tieši no otrās grupas zinātnieki cer iegūt visplašāko un visdaudzveidīgāko mikrorganismu klāstu, jo tradicionālais dzīvesveids ir ļāvis tam labāk saglabāties nekā cilvēkiem, kas dzīvo pilsētās. Šī projekta ietvaros tiks radīta arī mikroorganismu "sēklu banka", lai saglabātu tos celmus, kuru nēsātāju pasaulē kļūst arvien mazāk. Šobrīd ir uzkrāti jau aptuveni 10 000 gremošanas trakta mikroorganismu paveidu, bet nākotnē to skaits varētu sasniegt pat 100 000.

Ja par cilvēka mikrobiomu vismaz ir kāda nojausma par labvēlīgajām baktērijām, tad augsne ir kā seno jūras braucēju karte, kurā ir ļoti daudz neizpētītu reģionu, kur dzīvo "pūķi". Kā šie organismi ietekmē augsni, kuri no tiem ir labi, kuri nē? Tie patiesi ir miljons dolāru jautājumi, ja uz tiem izdosies iegūt atbildes. Augsnes zinātnes un mikrobu ekoloģijas profesore Keita Skova pēta Kalifornijas augsnes, lai noskaidrotu, kā dažādo mikrorganismu sabiedrības ietekmē to auglību, spēju noturēt ūdeni, skābekļa un citu barības vielu piegādi augiem utt. Cik viegli ir pētīt šos jautājumus? Iedomājieties - vienā gramā augsnes var būt miljardiem baktēriju šūnu un kilometriem gari sēņu pavedieni. Tas tiešām ir kosmoss!

Augsne ir kļuvusi aktuāla, jo izrādās, ka tā ir ļoti ietilpīgs oglekļa uzkrājējs. Protams, ja augsne ir veselīga. Tā ne tikai uzkrāj C, veicinot augu masas augšanu, bet arī uzkrāj oglekli sevī - gan atmirstošajā augu masā (saknes), gan mikrorganismu un makroorganismu veidā. Augsnes organikas palielināšana, izmantojot kompostu un sedzējaugus, var palielināt oglekļa daudzumu augsnē par vairāk nekā 30%. Tas nozīmē, ka augsne kļūs auglīgāka un ražīgāka. Skovas vadībā veikti arī pētījumi par augsnes apstrādes veidu ietekmi uz mikrobiomu. Sēnes izrādījušās jutīgākas pret apstrādi, savukārt baktērijām svarīgāka ir barības vielu bāze, piemēram, sedzējaugu klātbūtne.

Par augsnes nozīmi klimata pārmaiņu seku mīkstināšanā raksta arī Stenfordas universitāte, kuras speciālistu vadībā pagājušā gada oktobrī tika noslēgts un publicēts apjomīgs pētījums (vairāk nekā 650 zinātnieki no vairāk nekā 30 valstīm) žurnālos Annual Reviews of Ecology, Evolution and Systematics and Global Change Biology. Augsne, ja tā tiek kvalitatīvi apsaimniekota, saskaņā ar pētījuma datiem, ir ietilpīgāks oglekļa uzglabātājs nekā augi un atmosfēra kopumā. Zinātnieki uzskata, ka saimniekošanas prakses maiņa, kas ietvertu augsnes apstrādes mazināšanu, ganīšanu, daudzgadīgo augu sēšanu, erozijas mazināšanu un komposta izmantošanu, palīdzētu kompensēt to CO2 daudzumu, kas visticamāk izdalīsies kūstot mūžīgā sasaluma zemēm, kurās radīsies labvēlīgāki apstākļi mikroorganismiem, kuri savas darbības rezultātā izdalīs ogļskābo gāzi un metānu. Pētījuma rezultāti sagādāja arī dažus pārsteigumus, piemēram, ka augu saknes sadaloties 5 reizes vairāk uzglabā C augsnē nekā virszemes daļas, kuru sadalīšanās rezultātā lielākā daļa oglekļa atgriežas atmosfērā CO2 veidā. Attiecīgi daudzgadīgie augi, kuru lielākā masa ir pazemes daļa, klimata pārmaiņu aspektā ir labāks ieguldījums nekā viengadīgie. 

Interesanti, ka kāda cita pētījuma ietvaros Stenfordas universitātes speciālisti atklāja, ka, pretstatā uzskatiem, ka anaerobie enerģijas iegūšanas procesi parasti notiek mitrās un ar ūdeni klātās augsnēs, šādas bezskābekļa kabatas ir sastopamas arī parastās augsnēs. Šie mikroorganismi sadala organiku, praktiski neveidojot CO2. Saprotams, ka augsnes apstrāde, sasilšana un izžūšana grauj šīs mikroorganismu komūnas un palielina no augsnes izdalītā CO2 apjomu. Šis ir vēl viens pētījums, kas pasvītro, cik svarīgi ir samazināt augsnes aerāciju un apstrādi.

Eksperiments, kurā tika izmantotas trīs dažādas augsnes apstrādes metodes, ir jau veikts divās saimniecībās Dānijā. Pētījums ilga 11 gadus. Tā ietvaros tika samazināta augsnes apstrāde, nodrošināta pastāvīgs augsnes pārklājums (gan atliekas, gan sedzējaugi), kā arī dažādota lauku rotācija. Īpašs izaicinājums bija fakts, ka Dānijā (līdzīgi kā Latvijā) ir salīdzinoši mitrs un vēss klimats. Augsnei ir tendence sablīvēties. To parasti cenšas kompensēt ar intensīvu aršanu. Saimniecībās (graudkopības) tika audzēti graudaugi (mieži, kvieši un auzas). Augu apritē tika pievienots arī rapsis un pupas. Kā ziemas sedzējaugs tika izmantoti lopbarības rāceņi (fodder radish). Tiem ir dziļas un lielas saknes, kas samazina augsnes sablīvēšanos. Pētījuma ietvaros tika secināts, ka šīs metodes uzlabo augsnes kvalitāti un veicina augsnes mikro- un makroorganismu pavairošanos.

Kāda cita eksperimenta ietvaros tika pētīta "dzīvā mulča" jeb sedzējaugi, kas piesaista slāpekli. Džordžijas štata universitātes pētnieki analizēja augsnes kvalitāti un iegūtās ražas sistēmā, kad starp viengadīgajiem augiem tiek iesēti ilggadīgie sedzējaugi, piemēram, baltais āboliņš starp kukurūzas rindām. Katru gadu neliela josla no āboliņa sējuma tiek apstrādāta, lai tur iesētu kukurūzu. Ideālā gadījumā pēc kukurūzas novākšanas āboliņš aizpilda tukšās vietas, gan bagātinot augsni ar barības vielām, gan nodrošinot pārklājumu. Lielākais izaicinājums ir atrast pareizo balansu starp āboliņu un kukurūzu, lai tie viens otru nenomāktu. Šīs metodes realizēšanai daļa āboliņa pirms kukurūzas sējas tiek apstrādāta ar herbicīdiem, kas gan apgrūtina tās pielietojumu bioloģiskajās saimniecībās. Lai arī ražas bija nedaudz mazākas nekā konvencionālajās saimniecībās, zinātnieki secināja, ka šai metodei ir ekonomisks pamatojums, jo par 75-80% samazinājās herbicīdu izmantošana kopējai nezāļu iznīcināšanai, jo baltais āboliņš tās veiksmīgi nomāca. Arī slāpekļa minerālmēslu patēriņš tika samazināts, jo tauriņzieži ļoti efektīvi piesaista slāpekli no atmosfēras. Īpaši labi āboliņš kā slāpekļa avots darbojas ilgtermiņā - kukurūzai augot, daļa āboliņa tika nomākta un atmira auga lapas, kuras sadalījās un kalpoja kā slāpekļa avots.

Analizējot konvenciālo un organisko (varētu teikt bioloģisko) saimniecību teritorijās esošo augsni, Ziemeļaustrumu universitātes (ASV) zinātnieki ir secinājuši, ka humīnskābe (humic acid), kas lielākā koncentrācijā sastopamas bioloģisko saimniecību augsnēs, efektīvi uzglabā oglekli. Humīnskābe ne tikai uzkrāj oglekli, palielinot augsnes auglību, bet arī veicina barības vielu uzņemšanu un ūdens pārvadi. Zinātnieki izpētīja 659 paraugus no bioloģiskajām un 728 paraugus no konvencionālajām saimniecībām dažādos ASV štatos. Lai arī humīnskābe ir maz izpētīta, viens no iemesliem, kādēļ tās daudzums konvencionālajās saimniecībās varētu būt mazāks, ir, ka tā nespēj pastāvēt mākslīgo minerālvielu klātbūtnē. Zinātnieki uzsver, ka mākslīgā "augu barība" ir īstermiņa risinājums, kas neveido augsni. Savukārt humīnskābe nodrošina augsnes kvalitāti ilgtermiņā.

Lai arī augsne ir ļoti labs veids, kā uzkrāt oglekli, ekonomiski bieži vien tam nav nekāda pamatojuma. Piemēram Rothamsted Research speciālisti izpētīja, cik reāli ir sasniegt COP21 uzstādīto mērķi 4P1000. Minētā institūcija izpētīja dažādas metodes, kā būtu iespējams palielināt C koncentrāciju augsnē un secināja, ka atsevišķos augšņu tipos tas nav reāli - nepraktiski vai nepieņemami. Piemēram, izmantojot organisko mēslojumu vairāku gadu garumā, varētu palielināt oglekļa koncentrāciju, bet tas būtiski palielinātu slāpkļa koncentrāciju un radītu piesārņojumu. Oglekļa pieaugumu veicināja platību izņemšana no lauksaimniecības zemēm, bet tas savukārt rada draudus pārtikas pieejamībai. Ne mazāk efektīvs veids ir aramzemes rotācija ar ilggadīgām ganībām, bet šis paņēmiens strādāja tikai gadījumā, kad ganības tika saglabātas uz 3 gadiem 5-6 gadu ilgā periodā. Šādai pieejai būtu nepieciešama izmainīta atbalsta sistēma, lai tā būtu ekonomiski izdevīga lauksaimniekiem. Tā vietā pētnieki rekomendē vairāk pievērsties slāpekļa oksīda emisiju samazināšanai, kas varētu būt efektīvāks veids, kā iesaistīties klimata pārmaiņu mazināšanā.

Laurensa Berkleja vārdā nosauktā Nacionālā laboratorija (ASV) darbojas kopš 1931.gada un kopš tā laika šīs institūcijas paspārnē strādājošie zinātnieki ir saņēmuši 13 Nobela prēmijas. Laboratorijā notiek pētījumi dažādās jomās, tai skaitā arī augsnes izpēte. 2018.gada martā žurnālā Nature Microbiology tika publicēts pētījums par augu un mikrobioma sadarbību. Viņi atklāja, ka auga attīstības agrīnajās stadijās sakņu eksudāts (izdalījumi) satur daudz cukura, kas piesaista plašu mikroorganismu klāstu. Augam nobriestot, cukuru daudzums samazinās un to vietā nāk aromātiskie ogļūdeņraži, kuri piesaista specifiskus mikroorganismus. Tadejādi augs kontrolē sabiedrību, kas mājo tā sakņu tuvumā, uzlabojot savus dzīves apstākļus.

Kāda cita pētījuma ietvaros, kurā piedalījās augstāk minētās laboratorijas zinātnieki, tika analizēta augu spēja pretoties slimībām ar un bez mākslīgā papildus mēslojuma. Apsmidzinot augus ar baktērijām, kas tika savāktas no veselīgu tomātu lapām, izdevās pasargāt tos no slimību izraisošajiem patogēniem. Savukārt, ja augi pirms šīs apstrādes bija saņēmuši mākslīgo mēslojumu, kaitīgo mikroorganismu daudzums uz lapām palielinājās. Lai arī nav izpētīts, vai baktēriju savairošanās veicina augu saslimšanu, ir redzams, ka mēslojums izjauca mikroorganismu līdzsvaru. Izrādījās, ka arī baktēriju koncentrācijai šajā izsmidzināmajā maisījumā ir nozīme - mazāks baktēriju daudzums bija visefektīvākais augu "probiotiķis". Jāpiebilst, ka šī komūna, kas sargā auga virszemes daļas jeb fillosfēra ir pat vēl mazāk izpētīta nekā mikrobioms, kas dzīvojas auga sakņu tuvumā, jeb rizosfēra.

Iespējams apjomīgākais un daudzas nozares apvienojošais pētījums, kuru vada Laurensa Berkleja laboratorijas speciālisti, meklējams kādā 1000 akru (404 ha) saimniecībā Arkanzasā (ASV). Tur audzē soju, kukurūzu un rīsus. Tā varētu būt viena no zinātniski vismodernākajām fermām pasaulē, kur tiek analizēts augsnes mikroorganismu ģenētiskais kods un ar droniem tik iegūti lauku spektrālie attēli. Tas viss tiek darīts, lai saprastu, kā uzlabot degradētās augsnes. Statistika nav iepriecinoša. Lielākajā daļā lauksaimniecības zemju organiskās vielas augsnē sastāda vien 1-2%, kur agrāk vidēji bija 10%. Var teikt, ka lauksaimniecības zemes ir sevi izsmēlušas un ir steidzami jāmeklē risinājumi, lai, nepalielinot platības, celtu to produktivitāti ilgtermiņā un pēc iespējas draudzīgāk dabai. Esošās saimniekošanas metodes ir dārgas un kļūst arvien neefektīvākas, piedevām, dažu minerālvielu, piemēram, fosfora rezerves ir ierobežotas. Pētījuma mērķis ir atrast efektīvus augu probiotiķus - mikroorganismus, kas palīdzēs augiem saņemt nepieciešamās barības vielas no neorganiskās augsnes daļas, padarot mikroelementus augiem pieejamus.

Mikro- un makroorganismu sadarbība ir svarīga ne tikai lauksaimniecības zemēs, bet arī mežos. Londonas Imperiālās koledžas vadītajā pētījumā tika analizēti 13 000 augsnes paraugi no 20 Eiropas valstīm. Tā ietvaros tika atklāts, ka daudzās vietās piesārņojums būtiski bojā koka saknes aptverošās sēņu kolonijas. Līdzīgi kā jebkuri augi, koki ne visas barības vielas spēj savākt no augsnes paši. Talkā nāk īpašu sēņu sabiedrība jeb mikorizas. Koks apgādā sēnes ar barības vielām, pretī saņemot minerālvielas. Ja mikoriza ir bojāta, koks saņem mazāk barības vielas. Minētajā pētījumā, kas ilga 10 gadus, tika secināts, ka vietējai gaisa un augsnes kvalitātei ir liela nozīme koku un sēņu veiksmīgas sadarbības nodrošināšanā. Pētījuma rezultāti liecina, ka piesārņojuma līmenis Eiropas mežu zemēs ir pārāk liels un tas apdraud koku spēju pretoties slimībām, sausumam un citiem traucējumiem. Zinātnieki uzskata, ka šobrīd esošie pieļaujamā piesārņojuma līmeņi atsevišķiem elementiem, piemēram, slāpeklim, būtu jāsamazina uz pusi. Pārāk lielais slāpekļa un fosfora piesārņojums ļauj dominēt mazāk efektīvām sēņu komūnām, kas patērē daudz organisko vielu, kuras izdala koki, atpakaļ atdodot tikai nelielu apjomu no nepieciešamajām minerālvielām.

Identiska garuma pētījumā, kuru veica citas Eiropas institūcijas, tika analizēti ar sugām bagāti subtropu meži Ķīnā. Rezultāti liecina, ka mežu efektīvākai darbībai (ne tikai kā kokmateriālu avotam) ir nepieciešama plaša spektra bioloģiskā daudzveidība, ieskaitot gan pašu koku sugu daudzveidību, gan dzīvnieku un sēņu daudzveidību. Svarīga ir arī sugu savstarpējā mijiedarbība un šādu sabiedrību funkcionālā daudzveidība, kas vairs nav pētāma ar sugām nabadzīgajos Eiropas un Ziemeļamerikas mežos. Pilno pētījumu var izlasīt Nature. Tas ir publiski pieejams (OPEN).

Ja lauksaimniecība un mežsaimniecība nav tavs lauciņš un arī oglekļa piesaiste tevi ne pārāk vilina, tad uz augsni var paskatīties arī kā uz potenciālu medikamentu avotu. Tieši to darīja Rokfellera universitātes zinātnieki, kuri izpētīja aptuveni 2000 paraugus no Ņujorkas pilsētas parkiem un citām vietām pasaulē, lai meklētu baktēriju saražotās vielas, kuras nākotnē varētu tikt izmantotas medicīnā. Un meklējumi nebija veltīgi. Uzmanības lokā ir nonākuši malacidīni - spēcīgas antibiotikas, kuras varētu tikt izmantotas, lai cīnītos ar tiem mikroorganismiem, kuri vairs nepakļaujas ārstēšanai ar šobrīd apritē esošajām antibiotikām. Malacidīni ne tikai efektīvi tika galā ar dažādiem infekciju ierosinātājiem, bet arī ilgtermiņā neizraisīja rezistanci. Protams, paies gadi līdz malacidīni varētu nokļūt aptieku plauktos.

Pavisam praktiskiem cilvēkiem, kam ir savs dārziņš, varam ieteikt piedalīties GROW projektā. Lai gan gudros sensorus savos dārziņos var saņemt tikai dažu valstu iedzīvotāji (Latvija nav to skaitā), ikviens ir laipni aicināts piedalīties diskusijā un pastāstīt par savu praksi.

Galu galā varat vienkārši izlasīt pārdomas par lauksaimniekiem, kas jau uzsākuši šo nepavisam ne vieglo ceļu - pārveidot savu attieksmi pret augsni un saimniekošanu uz Zemes.