Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
С исторической точки зрения возможно, что разбрасывание соли (хлористого натрия) было, скорее, символическим жестом, учитывая то, что для порчи полей потребовалось бы столь огромное количество соли, что не ясно, как ее можно было бы доставить.
Это должно позволить понять, как на самом деле сложно соблюсти баланс минеральных солей, чтобы оптимизировать урожай.
Урожайность почвы зависит не только от питательных веществ, но и от множества других факторов, таких как ее органический состав, обилие микроорганизмов, физической «структуры». По этой причине термин «удобрение» относится не только к веществам, используемым для обогащения почвы питательными веществами, но и к составам, которые изменяют ее pH или физические свойства. Здесь мы сосредоточимся на питательных удобрениях[6].
В древние времена первые поселенцы селились там, где почвы были плодородными от природы, поскольку рядом протекали реки. Подумаем, к примеру, чем был Нил для древних египтян. Египтяне даже называли свою страну Кемет, Черная земля, имея в виду слои ила, которые оставлял Нил после сезонных разливов. Они понимали, что ил – черная земля, богатая минеральными солями, которую Нил разносил своим течением, – был для них благословением. Египтяне создали систему каналов, чтобы во время половодья вода распределялась как можно равномернее, а потом, спадая, не уносила плодородный слой, который бы в то же время не пересыхал на африканском солнце.
Уже самые ранние цивилизации заметили, что постоянное использование одного и того же поля для посевов – не самая удачная идея, что почвам необходим «отдых», чтобы восстановить плодородие. Зарастание дикой травой позволяло почве подпитаться органическими веществами, привлечь животных, удобрявших ее своим пометом, богатым органикой, микроорганизмами и минеральными солями.
Наиболее распространенной была двупольная система севооборота, в которой поля засевались по очереди через год – одно засаживалось, а второе отдыхало. Но уже в Средние века люди поняли, что эта система не идеальна, ее использование не позволяло повысить урожайность кардинально. Начало применяться трехполье, оно было намного эффективнее: первое поле засевалось зимой озимыми культурами – пшеницей или рожью, летом – яровыми – ячменем или овсом; второе поле – бобовыми (чечевица, горох), а третье поле оставалось под паром. Этот подход был гораздо эффективнее двуполья, по двум причинам: во-первых, ежегодно засеивались две трети полей, а не половина, как при двупольном севообороте. А во-вторых, что очень важно, использовалось удивительное свойство бобовых: в сельском хозяйстве они помогают насытить почву, истощенную зерновыми, азотом.
В корнях бобовых живет на самом деле бактерия, Rhizobium leguminosarum, умеющая связывать азот из атмосферы, – она превращает газообразный азот в усваиваемую растениями форму – ион нитрата (NO3 —) или ион аммония (NH4 +). Азот – один из самых важных питательных элементов для растений, поскольку он входит в состав хлорофилла и растительного белка и вовлечен практически во все фазы жизни растения: рост, созревание, производство листвы. Хотя газообразный азот служит основным компонентом атмосферы – до 78 % воздуха, которым мы дышим, состоит из молекулярного азота, – растения не способны поглощать его непосредственно и сразу использовать. Для них единственной возможностью получить его – является всасывание из почвы, корнями, ионов аммония или нитрата. Вспомните, как мы уже говорили в предыдущей главке, что химические свойства чистых элементов могут сильно отличаться от свойств их соединений? Ну вот, тому яркий пример.
Абсолютно бесцветная, лишенная запаха и вкуса молекула азота очень стабильна, и ее очень трудно заставить вступить в реакцию с другими веществами. Химики на своем профессиональном языке говорят, что молекула азота инертна. Представьте, что, когда мы, химики, работаем с очень опасными веществами, которые при контакте с кислородом или водяным паром в атмосфере могут взорваться или воспламениться, мы используем азот, чтобы работать в инертной атмосфере, – для этого из лаборатории выкачивают воздух и заполняют ее азотом.
А вот аммиак (NH3) и азотная кислота (HNO3), наоборот, – вещества, вступающие в реакцию при первой же возможности. На самом деле эти молекулы даже слишком активны: я надеюсь, что и без этой книги вы сможете себе представить, что будет, если полить цветочки азотной кислотой.
Не вдаваясь особо в детали, достаточно знать, что аммиак и азотная кислота легко превращаются в производные, ионы нитрата и аммония, которые нам уже раньше попадались, – они безвредны и легко абсорбируются.
И вот тут начинает действовать фундаментальное правило связывающих азот микроорганизмов, которые, благодаря сложным, но удивительным «молекулярным лабораториям», то есть комплексу ферментов, так называемой нитрогеназе, способны управлять превращением атмосферного азота в молекулы, о которых мы говорили выше.
Большая часть работы по связыванию азота выполняется симбионтами, микроорганизмами, которые не могут существовать в одиночестве и развиваются только в присутствии других организмов, с которыми «сотрудничают», чтобы выжить. Такова и Rhizobium leguminosarum, бактерия, которая стала первым открытым биологами бактерией, связывающей азот. Она живет в симбиозе с бобовыми, образуя характерные узелки у них на корнях. Rhizobium снабжает растение азотом, а растение платит ей, помогая синтезировать углеводы. И все довольны: бактерия получает углеводы, растение – азот, а крестьянин – почву, которая после урожая становится еще более плодородной и богатой азотом.
До возникновения сельскохозяйственной химии способов повысить урожайность было всего два: использование помета животных в качестве удобрения и севооборот с посадкой бобовых, как мы только что убедились. Но постоянный рост народонаселения требовал постоянного повышения урожайности полей, и постепенно оказалось, что конский навоз и ежегодное чередование посевов уже не годятся.
До открытия Юстусом фон Либихом в 1840 году необходимости азота для роста сельхозкультур интерес к его соединениям ограничивался военными нуждами, то есть селитрой, одним из компонентов пороха? и скромными потребностями в аммиаке и азотной кислоте. Только после важного открытия сельскохозяйственный мир заинтересовался возможностями использования производных азота для повышения урожайности.
По сравнению с использованием навоза или чередования культур, это могло бы позволить не только увеличить урожайность, но и добиться большей защиты от неурожая.
Сегодня удобрения стали относительно дешевыми, но в конце XIX века методы эффективного синтезирования азотсодержащих молекул еще не существовали, и единственной возможностью оставалась добыча нитрата натрия (NaNO3) из природных месторождений. Во второй половине XIX века и первой половине века ХХ эти месторождения были столь ценным ресурсом, что нитрат натрия называли «белым золотом». В Чили, – главном
