Была объяснена также важнейшая роль азота как питательного вещества для растений. Одним словом, растения нуждаются в азоте, а определенные микробы в почве могут захватить его из атмосферы и сделать доступным для них. К тому же бобовые могут использовать второй источник азота, а именно азот, который фиксируется микробами, живущими в их корневых узлах. Все это наконец прояснило вопрос, почему работают давно сложившиеся методы ведения сельского хозяйства, поддерживающие плодородие почвы. Когда, например, землю оставляют под паром на год или два, именно микробы восполняют в почве запасы азота. Фермеры могут также пополнять почвенный азот, перерабатывая и внося в почву различные органические отходы (включая растительные остатки, навоз животных и человеческие экскременты), то есть все, что содержит небольшое количество химически активного азота, или выращивая бобовые растения, такие как горох, фасоль, чечевица или клевер.
Эти методы были открыты фермерами по всему миру тысячи лет назад. Горох и чечевица выращивались вместе с пшеницей и ячменем на Ближнем Востоке, когда сельское хозяйство было еще в зачаточном состоянии. Фасоль и горох ротировались с пшеницей, просом и рисом в Китае. В Индии чечевицу, горох и нут сажали в очередь с пшеницей и рисом; в Новом Свете бобы чередовались с кукурузой. Иногда бобовые растения просто запахивались в почву. Фермеры не знали, почему все это работало, но они знали, что это надо делать. В III в. до н. э. греческий ботаник и философ Феофраст отметил, что «бобовые лучше всего стимулируют землю» и что «народ Македонии и Фессалии пашет землю, когда она цветет». Точно так же Катон Старший, римский писатель, живший во II в. до н. э., знал о благотворном влиянии бобовых культур на плодородие почвы. Он советовал их сажать не столько для немедленного получения урожая, сколько для обогащения почвы. Колумелла, римский писатель и агроном I в., также ратовал за использование гороха, нута, чечевицы и других бобовых для тех же целей. И в китайском справочнике по агрономии «Ци минь яо шу», который, вероятно, датируется I в. до н. э., рекомендуется выращивать и вспахивать бобы адзуки. В то время фермеры не понимали, что бобовые гораздо эффективнее обогащают почву, чем навоз, содержащий, как правило, от 1 до 2 % азота по весу.
Открытие роли азота в питании растений совпало с осознанием в середине XIX в. неизбежной необходимости повышать урожайность в сельском хозяйстве. Между 1850 и 1900 гг. население в Западной Европе и Северной Америке выросло с 300 млн до 500 млн человек. Чтобы не отставать от этого роста, приходилось расширять производство продовольствия путем выделения большего количества земли под выращивание зерновых на Великих равнинах Америки, в Канаде, в русских степях и в Аргентине. Это, конечно, позволяло увеличивать производство пшеницы и кукурузы, но трудно было сказать, насколько далеко может зайти этот процесс и сколько свободной земли еще может понадобиться. К началу XX в. ее оставалось не так много, и потому необходимо было найти способ получения большего количества еды на единицу площади – другими словами, увеличивать урожайность. Учитывая существующую взаимосвязь между ростом растений и наличием азота, один способ сделать это был очевиден – увеличить запас азота. Других путей пока не было. Производство навоза от животных в данном случае не годилось, потому что животные нуждаются в пище, которая, в свою очередь, требует земли. Посев бобовых не вполне подходил для обогащения почвы, так как тогда земля не могла быть использована для выращивания чего-либо еще. Итак, начиная с 1840-х гг. появился спрос на новые, внешние источники азотных удобрений.
Затвердевшие птичьи экскременты с тропических островов, известные как гуано, использовались в качестве удобрения на западном побережье Южной Америки веками. Анализ показал, что в нем содержание азота было в 30 раз выше, чем в навозе. В течение 1850-х гг. импорт гуано в Британию вырос с нуля до 200 тыс. тонн в год, а поставки в США составили в среднем 76 тыс. тонн в год. «Закон об островах гуано», принятый в 1856 г., разрешил гражданам США захватывать любые необитаемые острова или скалы, на которых были залежи гуано, при условии что они не находятся в пределах юрисдикции любого другого государства. Вспыхнула «гуанолихорадка» – старатели прочесывали моря и океаны в поисках источников этого ценного материала. Но к началу 1870-х гг. стало ясно, что его запасы быстро истощаются. («Этот материал, бывший когда-то магическим средством, в настоящее время представляет собой лишь академический интерес в связи с быстрым истощением его запасов», отмечала в 1911 г. Британская энциклопедия.) В результате акцент сместился в сторону другого источника азота – огромных залежей селитры (нитрата натрия), обнаруженных в Чили. Ее экспорт стал быстро увеличиваться, и в 1879 г. началась Тихоокеанская война между Чили, Перу и Боливией за владение богатым селитрой регионом в пустыне Атакама. (Чили взяла верх в этом споре в 1883 г. и лишила Боливию прибрежной провинции. Кстати, страна с тех пор не имеет выхода к морю).
Однако даже после окончания боевых действий опасения в долгосрочной безопасности поставок сохранялись. По прогнозам 1903 г., поставки селитры должны были закончиться к 1938 г. Прогнозы оказались неверными – количества селитры, учитывая уровень ее потребления в то время, хватило бы еще на 300 лет, однако многие люди верили прогнозам. Кроме того, селитра была востребована не только как удобрение, но и как элемент взрывчатки, в которой реактивный азот был жизненно важным ингредиентом. Многие страны осознали, что их способность вести войны, а также прокормить свое население зависела от надежных поставок реактивного азота. Больше всего волновалась Германия. Она была крупнейшим импортером чилийской селитры в начале XX в., и география поставок делала ее уязвимой в случае военно-морской блокады. Так что именно в Германии гигантские усилия были направлены на поиски новых источников реактивного азота.
Одним из подходов было получение его из угля, содержащего небольшое количество азота, остающегося от биомассы, из которой он первоначально формируется. При нагреве угля в отсутствие кислорода азот освобождается в виде аммиака. Но в этом случае выход азота был очень небольшим и не стоил затраченных усилий. Другой подход – симулирование молнии и использование высокого напряжения для генерации искры, которая бы превращала азот в воздухе в более активную закись оксида азота. Все говорило в пользу этого варианта, однако процесс был очень энергоемким и поэтому зависел от наличия дешевой электроэнергии (например, там, где были избытки мощностей от гидроэлектростанций). Так что импортная чилийская селитра осталась основным источником азота в Германии. Британия была в аналогичной ситуации. Как и Германия, она была также крупным импортером нитратов и делала все возможное, чтобы извлечь аммиак из угля. Несмотря на усилия по увеличению сельскохозяйственного производства, обе страны опирались на импортную пшеницу.
В своей речи на ежегодной конференции Британской ассоциации по развитию науки, проходившей в 1898 г., английский химик и президент ассоциации Уильям Крукс подчеркнул очевидную актуальность проблемы. Прошло 100 лет после того, как Томас Мальтус предупреждал о том, что «цивилизованные народы подвергаются смертельной опасности оказаться без еды». С тех пор в условиях растущей зависимости Великобритании от импорта пшеницы не было найдено никакой альтернативы, кроме как найти способ увеличить урожайность. «Пшеница требует азота», – заявил Крукс. Но возможности для увеличения использования навоза или бобовых не было, а удобрений, полученных из угля, было недостаточно. Имея в виду чилийскую селитру, он заметил: «Мы тратим капитал Земли, и наши действия не будут одобрены потомками… Азота достаточно в воздухе – если бы только был найден способ, чтобы получить его».
