Часть VI
Еда, население, развитие
11
Кормление мира
Основной целью [сельского хозяйства] является производство азота, в любой форме усваиваемого растениями.
Юстус фон Либих, немецкий химик, 1840 г.
Машина, которая изменила мир
По сравнению с полетом первого самолета братьев Райт или взрывом первой атомной бомбы появление июльским днем 1909 г. нескольких бесцветных капель жидкости на выходе сложного аппарата в лаборатории в городе Карлсруэ (Германия) звучит не очень впечатляюще. Но это событие ознаменовало собой технологический прорыв, который, возможно, оказал наибольшее влияние на человечество в XX в. Жидкостью был аммиак, а аппарат на столе синтезировал его из составляющих элементов – водорода и азота. Этот эксперимент впервые доказал, что производство аммиака может быть осуществлено в большом масштабе. Открытие источника очень ценного и необходимого удобрения позволило увеличить продовольственные запасов и, как следствие, расширить возможности человеческой популяции.
Связь между аммиаком и питанием человека – азот, жизненно важный строительный блок всей растительной и животной ткани. Это питательное вещество отвечает за вегетативный рост и содержание белка в зернах хлебных злаков – основных культур, от которых зависит питание человека. Конечно, растениям нужно много питательных веществ, но на практике их рост ограничен доступностью наименее распространенного питательного вещества – азота. Для зерновых дефицит азота приводит к задержке роста, пожелтению листьев, снижению урожайности и низкому содержанию белка. Напротив, обилие доступного азота способствует росту растения, увеличению урожайности и содержания белка. Азотные соединения (такие как белки, аминокислоты и ДНК) также играют важную роль в обмене веществ растений и животных; азот присутствует в каждой живой клетке. Люди зависят от десяти аминокислот, каждая из которых построена вокруг атома азота, обеспечивающего синтез белков в организме, необходимых для роста и поддержания тканей. Подавляющее большинство этих важных аминокислот поступает из сельскохозяйственных культур или из продуктов, полученных от животных, питающихся этими культурами. Недостаточный запас необходимых аминокислот приводит к задержке умственного и физического развития. Одним словом, азот является ограничивающим фактором доступности основных продуктов питания человека и влияет на его питание.
Способность синтезировать аммиак в сочетании с новыми специально выведенными высокопродуктивными сортами семян, хорошо реагирующих на химические удобрения, позволила снять это ограничение и проложить путь к непредсказуемому увеличению численности населения – с 1,6 млрд до 6 млрд человек в течение XX в. Внедрение химических удобрений и высокопродуктивных семян в развивающихся странах начиная с 1960-х гг. сегодня известно как «зеленая революция». Без удобрений, питающих зерновые культуры и способствующих увеличению производства продуктов питания (оно выросло в семь раз, тогда как население – в 3,7 раза), сотни миллионов людей столкнулись бы с недоеданием или голодом, и развитие истории могло бы пойти по другому руслу.
«Зеленая революция» имела удивительный результат. Она вызвала демографический бум, помогла вывести сотни миллионов людей из бедности, подкрепила историческое возрождение азиатских экономик и быструю индустриализацию Китая и Индии. Все это события, которые трансформировали геополитику. В то же время социальные и экологические побочные эффекты вызвали неоднозначную реакцию на «зеленую революцию». Ее критики утверждают, что она разрушила традиционные методы ведения сельского хозяйства, поставила фермеров в зависимость от дорогих семян и химикатов, поставляемых западными компаниями. Сомнения также были высказаны относительно долгосрочной устойчивости химически интенсивного сельского хозяйства. А вот на вопрос, к лучшему или к худшему привела «зеленая революция», без сомнений, можно ответить, что она сделала больше, чем просто изменила мировое продовольственное снабжение во второй половине XX в., – она изменила мир.
Тайна азота
Истоки «зеленой революции» лежат в XIX в., когда ученые впервые пришли к пониманию решающей роли азота в питании растений. Азот является основным ингредиентом воздуха – по объему он составляет 78 % атмосферы, остальное – в основном кислород (21 %) плюс небольшое количество аргона и углекислого газа. Впервые азот был обнаружен в 1770-х гг. учеными, исследовавшими свойства воздуха. Они установили, что газообразный азот был в основном инертен и что животные, помещенные в азотную атмосферу, задыхались. Научившись выделять азот, ученые также обнаружили, что он присутствует в изобилии как у растений, так и у животных и, очевидно, имеет важное значение для поддержания жизни. В 1836 г. французский химик Жан Батист Буссенго, проявлявший особый интерес к химическим основам сельского хозяйства, измерил содержание азота в десятках веществ, в том числе в обычных продовольственных культурах, различных формах навоза, засохшей крови, костях и рыбных отходах. В серии экспериментов он доказал, что эффективность различных форм удобрений была напрямую связана с содержанием азота. Это было странно, учитывая, что атмосферный азот был инертным. Там должен был быть какой-то механизм, который превращал неактивный азот в атмосфере в реактивную форму, которая могла быть использована растениями.
Некоторые ученые предположили, что это молнии создают реактивный азот, разрушая стабильные молекулы азота в воздухе, другие – что там могут быть следы аммиака, самого простого соединения азота в атмосфере. Кто-то полагал, что растения каким-то образом поглощают азот из воздуха напрямую. Буссенго взял стерилизованный песок, не содержавший азота, вырастил на нем клевер и обнаружил, что азот присутствует в песке. Это говорило о том, что бобовые, такие как клевер, могут каким-то образом захватывать (или фиксировать) азот из атмосферы напрямую. Последовали дальнейшие эксперименты, и в 1885 г. еще один французский химик Марселен Бертло продемонстрировал, что невозделанная почва также была способна фиксировать азот, но теряла эту способность, если была стерилизована. Это свидетельствовало о том, что фиксация азота – это свойство чего-то в почве. Но если это так, то почему бобовые растения также способны фиксировать азот?
Тайна была раскрыта двумя немецкими учеными – Германом Хелльригелем и Германом Уилфартом в 1886 г. Если фиксация азота – это способность почвы, рассуждали они, то она должна передаваться растению. Они поместили растения гороха (другой вид бобовых) в стерилизованную почву, а в некоторые горшки добавили плодородную почву. Растения гороха в стерильной почве засохли, но те, к которым была добавлена плодородная почва, развивались хорошо. Зерновые культуры, однако, не отреагировали на применение почвы таким же образом, хотя сильно реагировали на соединения нитратов. Два Германа пришли к выводу, что фиксация азота была произведена микробами в почве и что узелки на корнях бобовых были именно теми местами, где селились микробы. Другими словами, микробы и бобовые вступали в так называемые симбиотические отношения (взаимовыгодные полезные связи между организмами. – Прим. перев.). Позже ученые обнаружили азотофиксирующие микробы, которые симбиотичны с пресноводными папоротниками и поставляют ценный азот растениям на азиатских рисовых полях. Такие же отношения у азотофиксирующих микробов с сахарным тростником, что объясняет возможность сбора растений с одного участка в течение многих лет без использования удобрений.
