Текст книги "Энергия и цивилизация"

Общие и разные практики

Процесс выращивания злаков задает определенный шаблон последовательности полевых работ. Культивация одинаковых растений ведет к изобретению или освоению очень похожих агрономических практик, инструментов и простых машин. Некоторые из этих инноваций появились рано, распространились быстро, а потом сохранялись по большей части неизменными на протяжении тысячелетий. Другие изобретения оставались долгое время привязанными к регионам возникновения, но затем, единожды распространившись, подвергались быстрому усовершенствованию. Серп и цеп принадлежат к первой категории, а отвальный плуг из железа и сеялка – ко второму. Инструменты и простые машины облегчали полевые работы (то есть давали механическое преимущество), позволяли выполнять их быстрее, увеличивали продуктивность, что давало возможность меньшему количеству людей вырастить больше еды, и возникший в результате энергетический избыток мог быть вложен в другие действия. Без серпа и плуга не было бы готических соборов или эпохи Великих географических открытий. Я сначала коротко перечислю полевые операции, инструменты и простые машины, а затем опишу доминирование злаковых культур и особенности сельскохозяйственного цикла.

Традиционное хозяйство по большей части требовало напряженной работы, но периоды тяжелого труда обычно сменялись периодами, когда активность резко снижалась – паттерн существования, совершенно отличный от постоянной нагрузки охотников и собирателей. Переход от охоты и собирательства к сельскому хозяйству оставил четкие физические свидетельства в наших костях. Оценка скелетов примерно 2000 человек в Европе, живших на протяжении 33 тысяч лет, от верхнего палеолита до XX века, показала уменьшение сопротивления на изгиб у костей ног по мере того, как наши предки переходили ко все более оседлому образу жизни (Ruff et al. 2015). Процесс завершился примерно два тысячелетия назад, и с тех пор данный параметр не менялся, несмотря на то что производство еды стало куда более механизированным. Это доказывает, что переход от охоты и собирательства к сельскому хозяйству, от кочевого образа жизни к оседлости был на самом деле эпохальным в человеческой эволюции.

Время полевых работ в традиционном сельском хозяйстве диктовали императивы окружающей среды, их требования подчеркивались в De agri cultura, старейшем из сохранившихся до нашего времени сборников советов по растениеводству. Написал его Марк Порций Катон во II веке до н. э., и в тексте есть такие слова: «Следи за тем, чтобы все полевые работы совершались вовремя, поскольку дело здесь обстоит так: если ты опоздал в чем-то одном, то ты опоздал во всем». Посев тысячелетиями выполнялся вручную, но все другие полевые работы требовали инструментов, ассортимент которых расширялся со временем, и хотя существовали достаточно ранние образцы сельскохозяйственных машин, они начали распространяться только при наступлении Нового времени (1500–1800).

Обзоры традиционных сельскохозяйственных инструментов, упряжи и механизмов доступны в книгах, посвященных истории сельского хозяйства отдельных регионов и стран. Эти книги я буду цитировать в данной главе, а за подробностями можно обратиться к следующим работам: White (1967) для Римского мира, Fussell (1952) и Morgan (1984) для Британии, Lerche (1994) для Дании, Ardey (1894) для США и Bray (1984) для Китая. Я использовал все эти источники, описывая важные приспособления и ключевые практики культивации, а также их прогресс; упряжь для животных будет представлена в разделе, посвященном традиционной тягловой мощности.

Во всех высоких культурах Старого Света цикл работ начинался со вспашки. Словами классического китайского трактата: «Ни царь, ни правитель государства не может освободить от этого». Необходимость вспашки отражена в древней письменности. В шумерской клинописи и в числе египетских иероглифов имелись особые знаки для плугов (Jensen 1969). Вспашка готовит землю к посадке намного более тщательным образом, чем обработка мотыгой: плуг вспарывает слежавшиеся слои земли, разрывает корни сорняков, так что после него остается рыхлая, хорошо аэрированная почва, в которой могут расти и развиваться семена. Первые примитивные плуги были широко распространены в Месопотамии после 4000 года до н. э., и они представляли собой остроконечные куски дерева с рукояткой.

Позже наконечники стали оковывать металлом, но столетиями они оставались симметричными (отбрасывали землю на обе стороны) и очень легкими. Такие простые плуги, которые проделывали неглубокую борозду для семян, а срезанные сорняки оставляли на поверхности, были основой как греческого, так и римского земледелия (aratrum по латыни). Они использовались на обширных пространствах Ближнего Востока, Африки и Азии вплоть до двадцатого века в беднейших регионах, и тянули их люди. Только в самой легкой песчаной почве такая работа была быстрее, чем обработка земли мотыгой (Bray 1984). Присоединение к плугу отвала до нашего времени остается наиболее важным его усовершенствованием. Отвал направляет вспаханную почву в одну сторону, переворачивает ее (частично или целиком), погребая под ней срезанные сорняки, и освобождает дно борозды. Благодаря отвалу появилась возможность обработать поле за один проход, а не идти второй раз поперек, как требовали плуги без отвала. Вначале отвалы были простыми кусками дерева, но уже до первого века до н. э. в Китае придумали изогнутые металлические пластины, присоединяемые к лемеху (рис. 3.1).

Рисунок 3.1. Эволюция изогнутых плугов с отвалом. Традиционный китайский плуг (сверху) имел небольшой, но плавно изогнутый отвал из нехрупкого чугуна. Тяжелый европейский плуг Средневековья, прикрепленный к тележке (снизу слева), имел остроконечный нож перед сошником, чтобы резать корни. Эффективный американский лук-балка (снизу справа) мог похвастаться тем, что сошник и отвал у него соединялись в слегка изогнутый треугольник из стали. Источники: Hopfen (1969), Diderot and D'Alembert (1769–1772) uArdey (1894)

Тяжелые плуги средневековой Европы имели деревянный отвал и нож, который, собственно, и резал почву, прикрепленный спереди к лемеху из кованого железа. Во второй половине XVIII века западные плуги все еще сохраняли тяжелые деревянные колеса, но зато у них появился изогнутый отвал из железа (рис. 3.1). Такие плуги с отвалом стали общими для Европы и Северной Америки только с появлением недорогой стали, которую начали получать с изобретением бессемеровского процесса в 1860-х, а вскоре и в куда больших количествах с помощью мартеновских печей (Smil 2016) (рис. 3.1). В большинстве почв вспашка оставляет после себя сравнительно большие комья, которые необходимо разбить перед началом посева. Все это можно сделать мотыгой, но очень медленно и очень трудозатратно. Именно по этой причине бороны использовались в тех культурах, где издавна применялся плуг. Их эволюция началась с примитивных щеточных борон и привела к появлению деревянных или металлических рам, к которым крепились деревянные колышки или металлические зубцы или диски. Перевернутые бороны или катки часто использовали для того, чтобы разровнять поверхность еще лучше.

После вспашки, боронения и выравнивания земля была готова для посева. Хотя сеялки использовались в Месопотамии как минимум за 1300 лет до н. э., а сеющие плуги применялись при династии Хань в Китае, ручной посев – очень затратный и неравномерный – оставался широко распространенным в Европе до XIX века. Простые сеялки, которые из емкости, прикрепленной к плугу, направляли зерно по трубке, начали распространяться в конце XVI века, поначалу в Северной Италии. Довольно скоро с помощью многочисленных дальнейших усовершенствований они превратились в сложные сеющие машины. Междурядная обработка растущих злаков производилась обычно с помощью мотыги. Навоз и другие органические отходы доставляли на поля в тележках, в деревянных цистернах или в ведрах, висящих на коромысле – общая практика для Восточной Азии. Затем отходы вкапывали или разливали по грунту.

Серп был первым инструментом для жатвы, который заменил короткие каменные резаки, какие использовали во многих обществах охотников и собирателей. Большие косы с режущей поверхностью длиной до полутора метров были известны в Римской Галлии (Tresemer 1996; Fairlie 2011). Серпы делали зазубренными (более старый вариант) или гладкими, полукруглыми, прямыми или слегка изогнутыми. Работа с их помощью двигалась медленно, поэтому для больших участков земли предпочитались косы, оснащенные рамой для сбора семян (рис. 3.2). Но при жатве с помощью серпа теряется меньше зерна, чем при использовании косы, и этот инструмент всегда применяли в Азии для легко рассыпающегося риса. Механические жатки пришли на американские и европейские поля только в начале XIX века (Aldrich 2002). Снопы доставляли домой на собственной голове и плечах, в корзинах, повешенных на коромысло – опять же на себе или на животных, в тачках и телегах, которые толкали или тащили люди или тягловые животные.

Рисунок 3.2. Серп и косы из французской «Энциклопедии» (Diderot and D'Alembert (1769–1772). Простая коса справа использовалась для борьбы с травой, коса с рамой слева – при жатве злаковых. На рисунке представлены инструменты для выправления и заточки кос, а также грабли и вилы. Нижние иллюстрации показывают жатву в Америке XIX века – с помощью серпа и косы с рамой

Значительное количество энергии уходило на обработку зерна. Его рассыпали на поверхности для обмолота, а затем работали палками или цепами, снопы бросали на специальные решетки или протаскивали через особые гребни. Животные использовались, чтобы ходить по рассыпанному зерну или протаскивать по нему тяжелые салазки или катки. До того как появились коленчатые вентиляторы, веяние, то есть отделение мякины и грязи от зерна, производилось вручную с помощью корзин и решета. Тяжелый ручной труд также требовался, чтобы смолоть зерно – до того, как начали использовать животных, воду и ветер, чтобы механизировать эту задачу. Масло извлекали из семян ручными прессами (иногда к ним «подключали» животных), и так же поступали с тростником, чтобы получить сироп.

Господство зерновых

Хотя все традиционные сельскохозяйственные общества выращивали разнообразные зерновые, масличные, кормовые и текстильные культуры, описанная последовательность общих для всех полевых работ выполнялась именно при культивации зерновых. Помимо вспашки, преобладание хлебных злаков было определенно наиболее общей чертой всех сельскохозяйственных культур Старого Света. Лишенные плугов культуры Мезоамерики в своем хозяйстве делали упор на кукурузу, и даже инки были только частичным исключением: на возвышенностях и крутых горных склонах они выращивали много разновидностей картофеля, но в низинах – кукурузу, а на альтиплано Анд – зерно киноа (Machiavello 1991). Последнее культивировалось с помощью chaki taklla, ножного плуга, состоящего из шеста с острым загнутым наконечником и перекладины, на которую давили ногой, чтобы получилась борозда.

Многие злаки имели только локальное или региональное значение, то же киноа, только недавно включенное в диету западных вегетарианцев, но основные виды постепенно распространились по миру из районов происхождения: пшеница с Ближнего Востока, рис из Юго-Восточной Азии, кукуруза из Мезоамерики, просо из Китая (Vavilov 1951; Harlan 1975; Nesbitt and Prance 2005; Murphy 2007). Исключительным значением зерновые обязаны комбинации эволюционных изменений и энергетических императивов. Охотники и собиратели добывали большое количество разных растений и, в зависимости от эксплуатируемой экосистемы, клубни или семена обеспечивали их наибольшим объемом энергии пищи. В оседлых обществах роль клубней как базовой еды оказалась ограничена.

Содержание воды в только что собранных клубнях слишком велико, чтобы они могли долго храниться в отсутствие эффективного контроля температуры и влажности. Даже если эта задача решена, клубни требуют куда больше места для хранения, а это имеет значение особенно в высоких широтах (или на больших высотах), где холодный сезон длится долго и запасы нужны большие. Общества высокогорья Анд решили проблему, сохраняя картофель в виде chuno. Этот обезвоженный продукт, производимый кечуа и аймара путем повторяющихся процессов замораживания, раздавливания и сушки, мог храниться месяцами, даже годами (Woolfe 1987). В клубнях мало белка (обычно одна пятая от того, что есть в злаках: некоторые сорта твердой пшеницы содержат до 13 % протеина, а в белом картофеле его всего лишь 2 %). В бобовых белка в два раза больше, чем в зерновых (горох – около 20 %, бобы и чечевица – от 18 до 26 %), а в соевых бобах – в три раза больше (35–38 %, некоторые сорта – до 40 %). Но средний урожай бобовых намного меньше, чем у основных злаковых культур: средний урожай последних в США – 2,5 т/га в 1960 году и 7,3 т/га в 2013-м, аналогичные цифры для бобовых – 1,4 и 2,5 т/га (FAO 2015а).

Таким образом, зависимость от зерновых – вопрос простой энергетической выгоды. Их преимущество заключается в комбинации откровенно больших урожаев, хорошей питательной ценности (высокое содержание углеводов, умеренно высокое – белка), сравнительно высокой плотности энергии в момент зрелости (грубо, в пять раз выше, чем у клубней), и низкое содержание влаги, что позволяет их долго хранить (в хорошо вентилируемом хранилище они не портятся, когда зерна содержат менее 14,5 % воды). Преобладание отдельных видов – большей частью вопрос условий окружающей среды (в первую очередь – продолжительности вегетационного периода, наличия подходящих почв и доступности нужного количества воды) и вкусовых предпочтений. С точки зрения общего содержания энергии все злаки выглядят одинаково: различия между зрелыми семенами разных видов составляют менее 10 % (примечание 3.1).

Примечание 3.1. Плотность энергии, содержание углеводов и белка в основных злаках

Источники: цифры взяты из USDA (2011) и Nutrition Value (2015)

Большую часть пищевой энергии зерновых составляют углеводы в виде хорошо усваиваемых полисахаридов (крахмалы). Растущая доля крахмалов в человеческом питании привела к значительным изменениям в рационе первого одомашненного животного: генетические мутации увеличили способность переваривать крахмал у собак, почти отсутствующую у сидящих на мясной диете волков, и это оказалось важнейшим обстоятельством в приручении данного вида (Axelsson et al. 2013). Содержание белка в злаковых сильно варьируется, от менее 10 % во многих видах риса до 13 % в твердой летней пшенице и 16 % в киноа. Белки имеют туже энергетическую плотность, что и углеводы (17 МДж/кг), но их роль в человеческом питании не ограничена поставками энергии, они дают нам девять жизненно важных аминокислот, без которых невозможно построение и восстановление тканей тела (WHO 2002). Мы не в состоянии синтезировать белки в организме без потребления аминокислот из растительной и животной пищи.

Все виды животной пищи и грибы обеспечивают нас идеальными белками (с адекватной пропорцией незаменимых аминокислот), но четыре ведущих зерновых культуры (пшеница, рис, кукуруза, просо) и другие важные злаки (ячмень, овес, рожь) не содержат лизина, а клубни и почти все бобовые содержат мало метионина и цистеина. Полный набор протеинов может быть получен даже при строгой вегетарианской диете, если комбинировать виды пищи по наличию разных аминокислот. Все традиционные сельскохозяйственные общества, живущие в основном на растительной пище, определяемой злаками, независимым образом (и при отсутствии каких-либо биохимических знаний: аминокислоты и их роль в питании были открыты только в XIX веке) нашли простое решение этой фундаментальной проблемы – включением зерновых и бобовых в смешанный рацион.

В Китае соя (одно из немногих важных съедобных растений с полным набором аминокислот), бобы, горох и арахис дополняли просо на севере и пшеницу с рисом на юге. В Индии белки из даля (пюре из бобовых, чечевицы, гороха и нута) всегда обогащали рацион, базирующийся на пшенице и рисе. В Европе самая общая комбинация злаки-бобовые опиралась на горох и фасоль, на пшеницу, ячмень, овес и рожь. В Западной Африке арахис и коровий горох ели вместе с просом, ну а в Новом Свете кукурузу и бобы не только совмещали во множестве блюд, но обычно и сажали вместе, в чередующихся рядах на одном и том же поле.

Это означает, что даже чисто вегетарианская диета может обеспечить адекватное потребление белка. Почти во всех традиционных обществах мясо ценилось очень высоко, и там, где его потребление было запрещено, приходилось обращаться либо к молочным продуктам (Индия), либо к рыбе (Япония), чтобы получить животный протеин высокого качества. Два вида протеина в пшенице являются уникальными, но не по питательности, а из-за их физических (вязкоэластичных) свойств. Мономерный глютеновый протеин (глиадин) вязок; полимерный глютеновый протеин (глютенин) эластичен. В комбинации с водой они создают глютеновый комплекс, который достаточно эластичен, чтобы кислое тесто поднималось, и достаточно вязок, чтобы удержать пузырьки диоксида углерода, которые формируются при дрожжевой ферментации (Veraverbeke and Delcour 2002).

Без этих протеинов пшеницы не было бы квасного хлеба, базового продукта для западной цивилизации. Наличие дрожжей никогда не составляло проблемы: дикие (существующие в естественной среде) Saccharomyces cerevisiae находятся на кожице плодов и ягод, и многие штаммы были одомашнены, результатом чего стали изменения в экспрессии их генов и морфологии колоний (Kultan et al. 2003). При доминировании зерновых в традиционном рационе баланс энергии производства зерна становится наиболее важным показателем сельскохозяйственной продуктивности. Данные по энергозатратам для типичных сельскохозяйственных работ доступны в большом количестве как для индивидуальных, так и для коллективных хозяйств (примечание 3.2).

Примечание 3.2. Труд и энергетические потребности в традиционном земледелии

Примечание: легкая работа (Л) требует менее чем 20 кДж энергии пищи в минуту для среднего взрослого мужчины. Работа средней тяжести (С) требует до 30 кДж/мин., а тяжелая (Т) – до 40 кДж/мин. Аналоги для женщин примерно на 30 % ниже.

Источники: диапазоны составлены и рассчитаны по данным из Bailey (1908), Rogin (1931), Buck (1937), Shen (1951), Esmay and Hall (1968). Оценки затрат энергии сделаны, исходя из исследований метаболизма человека в Durnin and Passmore (1967).

Но подобный уровень детализации вовсе не обязателен для расчета приблизительного энергетического баланса. Использования репрезентативного среднего значения для затрат полезной энергии в традиционном сельском хозяйстве обычно достаточно. Типичные энергетические потребности для умеренной активности в 4,5 раза превышают уровень базового метаболизма для мужчин и в 5 раз для женщин и составляют 1 и 1,35 МДж/час (FAO 2004). Вычитая соответствующие базовые значения, получаем трудовые энергозатраты в 670 и 940 кДж/ч. Простое среднее число составит грубо 800 кДж/ч, и я буду использовать эту величину для обозначения полезных затрат энергии пищи на час труда в традиционном сельском хозяйстве. Схожим образом валовой урожай зерна рассчитывается умножением собранной во время жатвы массы на приблизительный энергетический эквивалент (обычно – 15 ГДж/т для зерна с влажностью менее 15 %, которое можно хранить).

Соотношение этих двух величин показывает валовый возврат энергии, и следовательно – продуктивность критически важных земледельческих задач. Возврат полезной энергии после вычитания того объема зерна, что требуется на посев, а также потерь при обработке и хранении окажется значительно ниже. Земледельцам приходилось откладывать часть каждого урожая, чтобы нашлось что посадить через год. Комбинация низких урожаев и высокой потери зерна во время ручной работы могла значить, что одна треть или даже одна вторая часть того, что созревало на средневековых полях, не использовалась в пищу. С увеличением продуктивности сельского хозяйства эта доля постепенно уменьшилась до менее 15 %. Некоторые зерна можно есть в целом виде, но перед тем, как подвергнуть настоящему приготовлению (варке или запеканию), большую часть злаков сначала нужно смолоть, а при этом теряется значительная часть массы зерна (примечание 3.3).

Примечание 3.3. Обмолот зерновых

Цельнозерновая мука получается из цельных зерен, но белая пшеничная мука – только из эндосперма семян (около 83 % общего веса), при этом высевки (около 14 %) и ростки (около 2,5 %) отделяются, чтобы использовать их по-другому (Wheat Foods Council 2015). Производство белого риса влечет за собой еще более высокие потери. Шелуха составляет до 20 % массы рисового зерна; при ее удалении остается бурый рис. На высевки приходится еще 8-10 %, и различная степень их удаления позволяет получить более или менее полированный (белый) рис, вес которого составляет только 70–72 % от изначального веса зерна (IRRI 2015). Японские свидетельства о недостатке пищи сообщают, что люди вынуждены были есть бурый рис, а когда дела шли хуже, бурый рис мешали с ячменем, и в конечном итоге ели чистый ячмень (Smil and Kobayashi 2011).

Обмолот кукурузы включает удаление корневого чехлика, слоя высевок, ростков, после чего остается эндосперм весом примерно в 83 % от веса зерна. Кукурузная мука для изготовления тортильи и тамала, masa harina, производится с помощью никстамализации, или сырого обмолота зерен, размоченных в разведенном соке лайма (Sierra-Macias et al. 2010; Feast and Phrase 2015). Это размягчает шелуху и сами зерна посредством растворения гемицеллюлозы, снижает количество микотоксинов и увеличивает биодоступность ниацина (витамина ВЗ).

Потери при хранении на традиционных фермах – от поражения грибками и насекомыми и от грызунов, способных добраться до зерен, – обычно снижают выход пригодного для употребления зерна от нескольких процентов до 10 %. Как уже отмечалось, зерно с влажностью менее 15 % может храниться долгое время; более высокая влажность, особенно в сочетании с более высокой температурой, создает идеальные условия для прорастания семян, а также для размножения грибков и насекомых. Кроме того, если хранить зерно неправильно, то оно может пострадать от грызунов. Даже в столь недавнее время, как середина XVIII века, комбинация потерь при хранении и потребностей на посев могла снизить валовую полученную энергию от выращенного в Европе зерна до 25 %.