Пол Фальковски - Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым

Разработка ископаемых видов топлива привела к коренному изменению применяемых нами способов выращивать, убирать, перерабатывать и транспортировать наши продукты питания. На полях, которые прежде распахивались при помощи быков или лошадей, сейчас используются машины с двигателями внутреннего сгорания, работающими на нефтепродуктах. Уборка пшеницы, кукурузы и других зерновых, прежде требовавшая непосильного труда людей, теперь может производиться при помощи механизмов. Зерно может перевозиться на сотни и даже тысячи миль к крупным населенным пунктам, где расположены другие двигатели внутреннего сгорания, обслуживающие центры переработки продуктов. Стоимость продуктов питания снизилась, равно как и число людей, необходимых для их производства. Одновременно стремительно возросла потребность людей в других секторах новой экономики, сначала на большей части территории Европы и Соединенных Штатов, а затем и в других странах. Новые населенные пункты вырастают, становясь крупными городами. Крупные капиталовложения в инфраструктуру, в особенности в системы доставки чистой питьевой воды и удаления сточных вод, повысили продолжительность жизни, а следовательно, теперь появилось гораздо больше ртов, которые нужно кормить.

В конце XIX столетия серьезную озабоченность вызывал тот факт, что в мире могут закончиться удобрения, абсолютно необходимые для производства продуктов питания для индустриализированного мира. Первоначальной формой удобрений, применявшихся во второй половине XIX века, было гуано – высушенный птичий помет. За тысячи лет этот материал скопился во многих местах на побережьях всего мира, и экспорт гуано из Чили, Флориды и нескольких других прибрежных регионов превратился в крупную отрасль промышленности. Однако с ростом численности населения гуано стало потребляться быстрее, чем его могли производить птицы. Стоимость гуано начала возрастать, и пришло понимание необходимости заменителя. Однако чем его можно было заменить?

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.