Пол Фальковски - Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым
Одним из наиболее важных растительных питательных веществ, содержащихся в гуано, является аммоний и другие так называемые продукты связывания азота. Изначально азот «связывался» в сложные соединения микроорганизмами в океанах, после чего последовательно переходил к водорослям, затем к мелким животным и в конечном счете к рыбе, которой питаются птицы. В конце XIX века люди не очень хорошо представляли себе, что такое связывание азота. Лишь в 1901 году голландский микробиолог Мартин Бейеринк показал, что бактерии, ассоциированные с корнями бобовых, способны превращать содержащийся в воздухе газообразный азот в форму, которую растение может использовать для роста. Хотя севооборот и помогал возвращать азот в почву (эта методика используется и до сих пор), стало понятно, что без добавления связанного азота извне мы не сможем выращивать достаточно пищи, чтобы прокормить себя.
В 1898 году недавно избранный председатель Лондонского королевского общества – той самой почтенной организации, которая за 274 года до этого издала «Микрографию» Роберта Гука, – опубликовал объявление: «Необходимо найти заменитель аммонию… [ради спасения] Англии и всех цивилизованных стран». Председатель, сэр Уильям Крукс – известный ученый Викторианской эпохи, первооткрыватель химического элемента таллия, интересовавшийся также спиритизмом, – был обеспокоен тем, что, если люди не смогут отыскать способ связывать азот для нужд сельского хозяйства, цивилизованный мир начнет голодать уже в 1930-х годах. Под «цивилизованным миром» сэр Крукс понимал народы, употребляющие в пищу пшеницу, а не «низшие» зерновые – рис и т. п. Оставалось невыясненным, как именно растения связывают азот, но было очевидно, что запасов гуано не хватит навечно. Вызов сэра Крукса был принят учеными-химиками.
В Германии сварливый немецкий еврей Фриц Хабер проделал кропотливую работу, чтобы отыскать химический катализатор, который позволил бы, взяв относительно инертный газ – азот, составляющий 78 % земной атмосферы, – и соединив его с водородом в условиях высоких температуры и давления, получить аммиак, который, будучи растворен в воде, становится ионом аммония. Через несколько лет работы Хабер мог синтезировать около стакана аммония в час при помощи механизма размером с большую коробку. Разумеется, это кажется не таким уж большим достижением, однако реакция работала. Катализатор производился на основе железа; его синтез был относительно несложен, однако чтобы выпустить реакцию на рынок, требовались крупные капиталовложения. Хабер не интересовался продажей чего-либо, будь то аммиак или что-то другое, – он был ученым.
Для Карла Боша, химика-инженера, работавшего в немецкой промышленной химической компании BASF, открытие Хабера явилось мощным стимулом. Он убедил директоров компании заложить опытный завод по производству аммония, который потребовал много энергии, но тем не менее работал. Требовавшийся для реакции водород добывался из угля, который также использовался для нагрева обоих газов в реакционном сосуде для производства аммония. Угля в Германии было много, и BASF предстояло немало обогатиться благодаря владению секретным способом производства удобрений. Реакция Хабера – Боша и по сей день остается – с незначительными поправками – основой мировых ресурсов связанного азота для производства удобрений. Без этого процесса мы почти наверняка не смогли бы прокормить 7,5 млрд людей или даже надеяться прокормить еще на два миллиарда больше в середине XXI столетия.
По существу, человечество изобрело крупные механизмы для связывания азота, обойдя необходимость заботиться о наномеханизмах, разработанных природой в микроорганизмах для абсолютно того же процесса на миллиарды лет раньше. Наши рукотворные машины – самолеты, поезда и автомобили, фабрики по связыванию азота, системы отвода сточных вод, сталелитейные заводы и прочие энерго– и материалоемкие процессы являются относительно недавними творениями. Практически все они были созданы за два последних столетия, с начала промышленной революции, но они не были приспособлены для того, чтобы быть совместимыми с биогеохимическими процессами, установившимися на протяжении последних нескольких сотен миллионов лет земной истории. В результате эти созданные человеком машины стали вносить стремительные изменения в химизм планеты. Понадобится несколько сотен, если не тысяч лет, чтобы микроорганизмы смогли восстановить Землю относительно нового баланса.
Объемы связывания человеком азота значительно превосходят работу всех микроорганизмов на планете, и этот связанный азот смывается с полей всего мира в реки, откуда попадает в прибрежные зоны океанов, где стимулирует цветение водорослей. Цветение водорослей зачастую достигает таких масштабов, что, когда эти организмы гибнут, погружаются и оказываются съеденными другими микроорганизмами, происходят значительные потери кислорода, гибнет рыба и выделяются такие газы, как закись азота – веселящий газ.
В веселящем газе нет ничего особенно веселого. Каждая молекула закиси азота обладает в 300 раз большей способностью задерживать тепловое излучение, нежели молекула углекислого газа; это чрезвычайно мощный парниковый газ. Тем не менее есть и другая сторона проблемы, связанная с поддержанием на Земле сбалансированного рынка электронов в планетарном масштабе.
Во время Первой мировой войны, когда Германия сражалась с французами и британцами, стало не хватать пороха. Ключевым ингредиентом в порохе является селитра, представляющая собой нитрат, калийную соль азотной кислоты.
Рис. 36. Изменение общего количества связанного азота за последнее столетие. До открытия реакции Хабера – Боша по связыванию азота весь азот связывался микроорганизмами, небольшой вклад также вносили молнии. Природное биологическое связывание азота составляет приблизительно 100 тераграмм (1012 грамм) в год (более темная область на рисунке). После введения в эксплуатацию реакции Хабера – Боша производство человеком связанного азота резко увеличилось и в настоящее время превышает природное биологическое связывание азота почти в два раза (более светлая область)
Нитраты – еще один вид молекул со связанным азотом; они образуются, когда микроорганизмы совмещают ион аммония с тремя атомами кислорода. В мире очень немного мест, где можно промышленно добывать нитраты. Соли азотной кислоты хорошо растворимы в воде, и когда идет дождь, нитраты размываются дождевой водой и впитываются в почву или утекают в реки и озера. Основным источником нитратов для Германии был природный резервуар в пустыне Атакама в Чили, самом засушливом месте в мире.
Германии было необходимо защищать свои запасы нитратов во время их транспортировки из Южной Америки в Европу. В 1915 году, во время Первой мировой войны, британский флот уничтожил немецкие военные корабли, защищавшие нитраты. Поставка нитратов в Германию была остановлена, в результате чего застопорилось производство пороха и возник недостаток боеприпасов. Возможно, это послужило ключевым фактором поражения Германии в Первой мировой войне. Однако Гитлер, придя к власти в Германии, потребовал, чтобы компания BASF нашла способ превращать аммиак в нитрат. Немецкие химики повиновались, и в результате основным источником удобрений на мировом рынке по сей день является нитрат аммония – вещество, не существующее в природе (и чрезвычайно взрывоопасное). В основе производства нитрата аммония лежала реакция Хабера – Боша, которая обошла все микроорганические реакции в природе.
Куда в конечном счете девается весь излишек азота, синтезированного людьми ради пропитания? За удаление избыточного азота из озер, рек и океанов мира отвечают микроорганизмы. Это они, сами того не зная, являются переработчиками наших отходов в глобальном масштабе. В целом микроорганизмы превращают около 25 % азота, применяемого нами как удобрение, в нитраты и затем далее в газообразный азот; кроме того, небольшая часть уходит на образование закиси азота. Тот же процесс происходит при переработке стоков.
Расхищая во все возрастающих масштабах планетарные ресурсы ради производства пищи и удовлетворения своих нужд и прихотей, человек повлиял не только на углеродный и азотный циклы, но практически на все природные циклы химических элементов. Результатом стало стремительное и масштабное искажение основных биогеохимических циклов на всем земном шаре. Равновесие в этих циклах, контролируемое и поддерживаемое главным образом микроорганизмами в совокупности с геологическими процессами, было подорвано людьми в беспрецедентном масштабе на протяжении очень короткого временного периода. В результате природные циклы углерода, азота, серы и многих других элементов оказались разъединены – под этим я подразумеваю, что изменения циклов становятся все более независимы друг от друга. Так, до эволюционного развития человека углеродный и азотный циклы были теснейшим образом связаны. В те времена не было массового смыва азота в реки и океаны. В индустриальном мире производство аммония не имеет прямой связи с темпом сжигания ископаемых видов топлива.
