В томительное, влажное июльское утро я стою у старого Зернового дома агрономии на Южной ферме Иллинойсского университета. Вдалеке видны круглые амбары, построенные в начале 1900-х годов, спроектированные так, чтобы выдерживать среднезападные ураганы. Небо бесформенно белое. Это день после того, как через регион прокатилась штормовая система шириной в сотни миль, вызвавшая порывы ветра до 80 миль в час и тревоги торнадо, напоминающие учения времен Холодной войны.
Примерно на 23 миллионах акров, или примерно на двух третях территории штата, фермеры выращивают кукурузу и сою с небольшим количеством пшеницы. По словам Аарона Хагера, который сам вырос на ферме в Иллинойсе, они, как правило, обрабатывают практически каждый акр гербицидами. Но эти химикаты, позволяющие одному виду растений беспрепятственно расти на невероятно огромных пространствах, больше не справляются со всей растущей сорной растительностью.
С 1980-х годов все больше растений эволюционируют, приобретая иммунитет к биохимическим механизмам, которые гербициды используют для их уничтожения. Эта гербицидная устойчивость угрожает снижением урожайности — бесконтрольные сорняки могут сократить ее на 50% и более, а в экстремальных случаях могут уничтожить целые поля.
В худшем случае это может привести к разорению фермеров. По сути, это сельскохозяйственный эквивалент устойчивости к антибиотикам, и ситуация продолжает ухудшаться.
По мере того как мы едем на восток из кампуса в Шампейн-Урбане, двойном городе, где я вырос, мы замечаем поле сои, заросшее темно-зелеными, колючими растениями, достигающими высоты груди.
«Вот в чем проблема, — говорит Хагер. — Это все амарант запрокинутый (water hemp). Я предполагаю, его уже обрабатывали как минимум один раз, если не больше».
«С этими устойчивыми к гербицидам сорняками ситуация будет только усугубляться. Это просто взорвется».
Водный амарант (Amaranthus tuberculatus), способный заражать практически любые посевные поля, растет на дюйм в день и более, а самки этого вида могут легко произвести сотни тысяч семян. Будучи уроженцем Среднего Запада, он стал появляться в гораздо большем изобилии за последние несколько лет, поскольку приобрел устойчивость к семи различным классам гербицидов. Конкуренция с амарантом на протяжении всего сезона может снизить урожайность сои на 44%, а кукурузы — на 15% согласно данным Purdue University Extension.
Большинство фермеров пока справляются. Обычно против амаранта все еще работают две разные группы гербицидов. Но случаи устойчивости к обеим группам появляются все чаще.
«Мы начинаем видеть отказы, — говорит Кевин Брэдли, ученый-ботаник из Миссурийского университета, изучающий борьбу с сорняками. — Мы определенно можем оказаться в опасной ситуации».
В других регионах ситуация еще мрачнее.
«Нам нужны фундаментальные изменения в борьбе с сорняками, и они нужны быстро, потому что сорняки нас догнали, — заявляет Ларри Стеккель, профессор наук о растениях из Университета Теннесси. — Это стало довольно критическим моментом».
### На подъеме
По словам Иэна Хипа, ученого-ботаника, который ведет Международную базу данных по устойчивости сорняков к гербицидам, зафиксировано более 500 уникальных случаев этого явления среди 273 видов сорняков, и их число растет. Сорняки выработали устойчивость к 168 различным гербицидам и 21 из 31 известного «механизма действия» — то есть специфической биохимической мишени или пути, который химикат призван нарушить. Некоторые механизмы действия общие для многих гербицидов.
Один из самых злостных сорняков на Юге, который досаждает Стеккелю и его коллегам, — это двоюродный брат амаранта с красновато-бордовыми стеблями, известный как амарант Палмера (Amaranthus palmeri). Обнаружены популяции этого сорняка, невосприимчивые к девяти различным классам гербицидов. Растение может вырастать более чем на два дюйма в день, достигая восьми футов в высоту и доминируя на целых полях. Изначально родом из пустынного юго-запада, он обладает мощной корневой системой и может выдерживать засухи. Если дождливая погода или свадьба вашей дочери помешают вам опрыскать его в течение пары дней, вы, вероятно, упустили шанс контролировать его химически.
Амарант Палмера «обнулит вашу урожайность», — говорит Хагер.
Несколько других сорняков, включая райграс пастбищный (Italian ryegrass) и перекати-поле кохия (kochia), наносят реальный ущерб фермерам на Юге и Западе, особенно на полях с пшеницей и сахарной свеклой.
### Химическое рождение
До Второй мировой войны фермеры в основном использовали почвообрабатывающие орудия, такие как плуги и бороны, для удаления сорняков и рыхления почвы. Или делали это вручную — как моя мать, которая вспоминает, как в детстве полола сорняки на кукурузных полях, растущих на ферме в Индиане.
Ситуация начала меняться с появлением синтетических пестицидов и гербицидов, которые фермеры начали применять с 1950-х годов. К 1970-м годам появились первые примеры устойчивости. К началу 1980-х Хип и его коллега Стивен Пауэлс обнаружили популяции райграса (Lolium rigidum), устойчивые к наиболее часто используемым гербицидам, известным как ингибиторы ACCase, распространяющиеся по всей южной Австралии. В течение нескольких лет этот вид стал устойчивым еще к одному классу, называемому гербицидами, ингибирующими ALS.
Проблема только начиналась. И она должна была стать намного хуже.
В середине и конце 1990-х годов сельскохозяйственный гигант Monsanto — ныне часть Bayer Crop Science — начала продвигать генно-инженерные культуры, включая кукурузу и сою, устойчивые к коммерческому гербициду Roundup, активным ингредиентом которого является глифосат. Monsanto представляла эти «Roundup-ready» культуры и возможность опрыскивания полей глифосатом как подлинное серебряное решение для борьбы с сорняками.
Глифосат быстро стал одним из наиболее широко используемых сельскохозяйственных химикатов и остается таковым по сей день. Он оказался настолько успешным, что исследования и разработки других новых гербицидов застопорились: вряд ли в ближайшее время на рынке появится какой-либо крупный коммерческий гербицид, который мог бы помочь справиться с устойчивостью к гербицидам в широком масштабе.
Monsanto утверждала, что «крайне маловероятно», что сорняки, устойчивые к глифосату, станут проблемой. Конечно, были и те, кто правильно предсказывал, что такое неизбежно — среди них Джонатан Грессель, профессор-эмерит из Института Вейцмана в Реховоте, Израиль, изучающий гербициды с 1960-х годов.
Стэнли Калпеппер, ученый-ботаник из Университета Джорджии, подтвердил первый случай устойчивости амаранта Палмера к Roundup в 2004 году. Устойчивость быстро распространилась. И амарант Палмера, и водный амарант производят мужские и женские растения, причем мужские производят пыльцу, которая может разноситься ветром на большие расстояния для опыления женских. Это также обеспечивает растению большое генетическое разнообразие, что позволяет ему быстрее эволюционировать — все это способствует развитию и распространению устойчивости к гербицидам. Эти суперсорняки посеяли хаос по всему штату.
«Это нас уничтожило», — говорит Калпеппер, вспоминая период с 2008 по 2012 год как особенно тяжелый. «Мы просто скашивали поля».
### Выживание
Устойчивость к гербицидам — это предсказуемый результат эволюции, объясняет Патрик Транель, лидер в области молекулярной науки о сорняках из Иллинойсского университета, чья лаборатория находится всего в нескольких милях от Южной фермы.
«Когда вы пытаетесь что-то убить, что оно делает? Оно пытается не быть убитым», — говорит Транель.
Сорняки разработали удивительные способы обойти химический контроль. В исследовании 2009 года, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, показано, что мутация в геноме амаранта Палмера позволила растению создать более 150 копий гена, на который нацелен глифосат. Такая амплификация генов ранее не сообщалась у растений, говорит Франк Даян, ученый-ботаник из Университета штата Колорадо.
Другой странный способ возникновения устойчивости у этого вида связан с структурами, называемыми внехромосомной кольцевой ДНК, — нитями генетического материала, включая целевой ген глифосата, которые существуют вне ядерных хромосом. Этот ген может передаваться через пыльцу, переносимую ветром, от растений, обладающих этой адаптацией.
Однако ученые все чаще обнаруживают у сорняков *метаболическую* устойчивость, когда растения развили механизмы для расщепления практически любого чужеродного вещества — включая целый ряд гербицидов.
Предположим, в один год данный гербицид подействовал на популяцию водного амаранта. Если какие-либо растения «ускользнут» или выживут и дадут семена, их потомство может обладать метаболической устойчивостью к использованным гербицидам.
«Когда вы пытаетесь что-то убить, что оно делает? Оно пытается не быть убитым».
Патрик Транель, Иллинойсский университет
Есть свидетельства развития устойчивости к обеим группам химикатов, которые заменили или смешали с Roundup для уничтожения этого сорняка: гербициду под названием глфосинат и паре веществ, известных как 2,4-D и дикамба. Эти два вещества обычно уничтожают и многие культуры, но теперь существуют миллионы акров кукурузы и сои, генетически модифицированных для невосприимчивости. Таким образом, по сути, ответ заключался в том, чтобы бросить больше химикатов на эту проблему.
«Если это сработало в прошлом году, если у вас есть метаболическая устойчивость, нет никакой гарантии, что это сработает в этом году», — говорит Хагер.
Многие из этих гербицидов могут нанести вред окружающей среде и потенциально нанести вред здоровью человека, — отмечает Натан Донли, директор по науке об охране окружающей среды в Центре биологического разнообразия, базирующемся в Тусоне, штат Аризона. Например, паракват является нейротоксичным химикатом, запрещенным более чем в 60 странах (он связан с такими заболеваниями, как болезнь Паркинсона), но его использование во всем мире растет, говорит Донли. 2,4-D, один из активных ингредиентов «Агента Оранж», является потенциальным разрушителем эндокринной системы, и его воздействие коррелирует с повышенным риском развития различных видов рака. Глифосат классифицируется как вероятный канцероген для человека агентством в составе Всемирной организации здравоохранения и стал предметом десятков тысяч исков на сумму десятки миллиардов долларов. Атразин может долго задерживаться в грунтовых водах и снижать размер семенников и количество сперматозоидов у некоторых рыб, земноводных, рептилий и млекопитающих.
Замена глифосата гербицидами, такими как 2,4-D и дикамба, которые, как правило, более токсичны, «определенно является шагом в неверном направлении», — считает Донли.
### Поиск решений
Дело не только в химикатах. Сорняки могут стать устойчивыми к любому методу контроля. В классическом примере из Китая сорняк, называемый просо сорное (barnyard grass), эволюционировал на протяжении веков, чтобы походить на рис и таким образом избегать ручной прополки.
Поскольку сорняки могут развиваться относительно быстро, исследователи рекомендуют использовать разнообразные методы борьбы. Смешивание двух гербицидов с разными механизмами действия иногда может сработать, хотя это не лучший вариант для окружающей среды или кошелька фермера, отмечает Транель. Севооборот помогает, как и установка озимых покровных культур, и, прежде всего, отказ от использования одного и того же гербицида одним и тем же способом каждый год.
По сути, решение состоит в том, чтобы «не сосредотачиваться исключительно на гербицидах для борьбы с сорняками», — говорит Мишель Оуэн, ученый-ботаник и профессор-эмерит из Университета штата Айова. И это представляет собой «огромную, огромную проблему для фермера» и текущего состояния американских ферм, добавляет он.
Фермы за последние пару десятилетий сильно увеличились в размерах из-за оттока населения из сельской местности, затрат на рабочую силу и появления химикатов и генно-модифицированных культур, которые позволили фермерам быстро применять гербициды на огромных площадях для борьбы с сорняками. Это привело к зловещему упрощению с точки зрения разнообразия культур, методов борьбы с сорняками и т. д. И сорняки адаптировались.
С одной стороны, понятно, что фермеры часто выбирают самый дешевый способ борьбы с сорняками, чтобы пережить год. Но устойчивость — это среднесрочная и долгосрочная проблема, сталкивающаяся с системой краткосрочного мышления и стимулов, — говорит Кэти Денцман, сельский социолог из Университета штата Айова.
Ее исследования показали, что фермеры, как правило, информированы и обеспокоены устойчивостью к гербицидам, но их сдерживает множество факторов, которые мешают им по-настоящему заняться этой проблемой. Некоторые фермеры заявляют, что ферма слишком велика, чтобы экономически контролировать сорняки без единовременного опрыскивания, в то время как другие не имеют достаточного количества рабочих, финансирования или времени.
Сельскому хозяйству необходимо принять разнообразные методы борьбы с сорняками, — считает Оуэн. Но это легче сказать, чем сделать.
«Мы слишком узко смотрим, считая гербициды решением», — говорит Стивен Феннимор, ученый-ботаник из Калифорнийского университета в Дейвисе, работающий в Салинасе, Калифорния.
Феннимор специализируется на овощах, для которых доступно мало гербицидов, а для органических производителей их еще меньше. Поэтому необходимы инновации. Он разработал прототип, который впрыскивает пар в почву, уничтожая сорняки в пределах нескольких дюймов от точки входа. Это показало эффективность около 90%, и он использовал эту технологию на полях с салатом, морковью и луком. Но это не быстро: обработка блока площадью 10 акров занимает два-три дня.
Многие другие нехимические методы контроля набирают обороты в овощеводстве и других высокоценных культурах. В конечном итоге, если экономика и логистика будут благоприятными, они могут прижиться и на пропашных культурах, высаживаемых рядами, которые можно обрабатывать машинами.
Например, компания Carbon Robotics производит систему под названием LaserWeeder, управляемую искусственным интеллектом, которая, как следует из названия, использует лазеры для уничтожения сорняков. Она спроектирована так, чтобы самостоятельно курсировать вверх и вниз по рядам культур, распознавая нежелательные растения и испаряя их одним из 30 лазеров. По данным компании, LaserWeeder в настоящее время работает как минимум в 17 штатах.
Сорняки также можно уничтожить электрическим током, и несколько устройств, предназначенных для этого, продаются в США и Европе. Типичная конструкция включает регулируемую по высоте медную штангу, которая поражает сорняки при контакте. Самый очевидный недостаток этого метода заключается в том, что сорняки обычно должны быть выше культуры. К тому времени, когда сорняки вырастают такими высокими, они, вероятно, уже нанесли ущерб урожайности.
Уничтожители семян сорняков — еще один многообещающий вариант. Эти устройства, обычно используемые в Австралии и набирающие популярность в таких местах, как Тихоокеанский Северо-Запад, измельчают и уничтожают семена сорняков во время сбора урожая пшеницы.
Израильская компания WeedOut разработала систему для облучения и стерилизации пыльцы растений амаранта Палмера с последующим выпуском ее в поля. Таким образом, женские растения получают стерильную пыльцу и не производят жизнеспособных семян.
«Я очень воодушевлен этим [как долгосрочным способом уменьшения запаса семян и борьбы с этими сорняками без необходимости опрыскивания гербицидами]», — считает Оуэн.
WeedOut в настоящее время тестирует свой подход на полях с кукурузой, соей и сахарной свеклой в США и работает над получением одобрения EPA. Недавно компания привлекла 8 миллионов долларов финансирования для масштабирования.
В целом, установки, управляемые ИИ, и точечное распыление, скорее всего, в конечном итоге приведут к снижению использования гербицидов, — говорит Стивен Дьюк, изучающий гербициды в Университете Миссисипи: «В конечном итоге, я ожидаю, что роботизированная прополка и опрыскиватели на базе ИИ возьмут верх». Но он полагает, что это займет некоторое время для таких культур, как соя и кукуруза, поскольку экономически сложно инвестировать большие деньги в уход за такими «низкоценными» полевыми культурами, высаженными на таких огромных территориях.
Несколько стартапов разрабатывают новые типы гербицидов на основе природных продуктов, найденных в грибах или используемых растениями для конкуренции друг с другом. Но ни один из них не обещает скорого выхода на рынок.
### День поля
Некоторые (и, возможно, самые успешные) инструменты для предотвращения устойчивости не являются высокотехнологичными. Это становится очевидным из презентаций на Дне поля на ферме Аврора, организованном Корнеллским университетом к северу от своего кампуса в Итаке, штат Нью-Йорк.
Например, одна из самых важных вещей, которые фермеры могут сделать для предотвращения распространения семян сорняков, — это чистить свои комбайны после сбора урожая, особенно если они покупают или используют оборудование из другого штата, — говорит Линн Сосноски, доцент и ученый-ботаник из Корнелла.
Считается, что комбайны уже занесли амарант Палмера в штат — сейчас в Нью-Йорке есть не менее пяти популяций.
Другой классический подход — севооборот: чередование культур с разными циклами жизни, методами управления и моделями роста является основой сельского хозяйства и помогает предотвратить привыкание сорняков к одной системе растениеводства. Еще один вариант — посев озимых покровных культур (снежного покрова), который помогает предотвратить укоренение сорняков.
«Мы не решим проблемы с сорняками только с помощью химикатов», — говорит Сосноски. Это означает, что мы должны начать применять эти простые практики.
Это особенно важный момент, который следует донести до таких мест, как штат Нью-Йорк, где проблема еще не стоит остро. Отчасти это связано с тем, что в штате нет доминирования монокультур, как на Среднем Западе, и там более разнообразный лоскутный узор землепользования.
Но он не застрахован от этой проблемы. Устойчивость уже здесь и угрожает «взорваться», — говорит Випан Кумар, также эксперт по сорнякам из Корнелла.
«Мы должны сделать все возможное, чтобы предотвратить это, — говорит Кумар. — Моя роль — просвещать людей о том, что это приближается, и мы должны быть готовы».
*Дуглас Мейн — журналист и бывший старший редактор и автор журнала «National Geographic».*
