Удивительное зарождение Земли. Путешествие по скрытым чудесам, которые дали жизнь нашей планете

Все живое нуждается в азоте, ведь это основной компонент генов, белков и ферментов. Хотя азот в изобилии присутствует на Земле и составляет 78 % атмосферы, в газообразном состоянии он практически недоступен для большинства организмов. Па́ры атомов азота в атмосфере соединены одной из самых прочных молекулярных связей. Молния – одно из немногих физических явлений, достаточно мощных, чтобы разорвать эту связь. Поскольку газообразный азот так трудно расщепить и соединить в новые молекулы, он бесполезен для большинства живых существ. Столкнувшись с этой проблемой, Земля создала сложный комплекс взаимосвязанных процессов, благодаря которым ее богатые запасы азота постоянно преобразуются из одной химической формы в другую и циркулируют между живым и неживым миром в воздухе, море и на суше.

Микробы играют важнейшую роль в этом цикле. Бактерии и другие микробы – единственные организмы, у которых в процессе эволюции появились ферменты, способные расщеплять атмосферный азот и превращать его в биологически полезные молекулы, такие как аммиак, нитриты и нитраты. Некоторые из этих так называемых азотфиксирующих микробов обитают симбиотически в корнях гороха, фасоли и других бобовых, в то время как другие живут самостоятельно в почве и воде. Микробы также перерабатывают наполненные азотом останки растений, животных и грибов и возвращают азот в газообразное состояние. Вся жизнь вокруг нас зависит от химических манипуляций этих микроорганизмов с азотом.

Однако в начале XX века человечество открыло новый способ расщепления газообразного азота и синтеза аммиака. Это стало беспрецедентным событием в истории жизни всего живого и радикально изменило химические циклы Земли. В 1907 году немецкие химики Вальтер Нернст и Фриц Габер независимо друг от друга использовали сильный нагрев и давление, чтобы разделить атомы газообразного азота и рекомбинировать их с водородом – в результате этой реакции синтезируется аммиак. Габер и Карл Бош из химической компании BASF, а также ассистент Боша Альвин Митташ адаптировали этот процесс для промышленного производства, в том числе путем внедрения более подходящих катализаторов. К 1913 году завод в Оппау на юго-западе Германии производил 7000 тонн аммиака в год. Через несколько лет еще более крупный завод в Лойне на востоке Германии достиг годового объема производства 146 000 тонн.

Процесс Габера – Боша сегодня считается самым важным промышленным процессом из всех когда-либо разработанных человеком. В Германии синтезированный аммиак поначалу использовали для производства взрывчатки, что отсрочило конец Первой мировой войны[38]. После того как Бош раскрыл детали процесса во время мирных переговоров в Версале, другие страны также начали синтезировать аммиак. С некоторыми изменениями процесс Габера – Боша обеспечил совершенно новый и очень надежный источник азотных удобрений, что помогло предотвратить надвигающийся мировой продовольственный кризис и поддержать массовое увеличение численности населения. В течение ХХ века совокупная урожайность основных зерновых культур в мире выросла в семь раз, а общая численность населения увеличилась с 1,6 до 6 миллиардов человек. По оценкам специалистов, 50 % азота, который содержится в организме любого человека на планете, сегодня поступает в организм благодаря процессу Габера – Боша. Если бы не синтетические азотные удобрения, сегодняшний урожай зерновых культур сократился бы вдвое, а каждый пятый из ныне живущих людей вовсе не родился бы.

Однако эти исторические изменения были связаны не только с синтезом аммиака. В середине XX века фонды Рокфеллера и Форда, а также другие организации финансировали исследования в области селекции, в результате которых были созданы гораздо более урожайные сорта пшеницы, риса, кукурузы и других основных зерновых культур. Некоторые из них созревали быстрее, чем их предшественники, давали несколько урожаев в год или имели более короткие и прочные стебли, несущие колосья с бóльшим числом зерен в колосе. Разработка и распространение этих сортов, а также широкое внедрение синтетических удобрений, пестицидов, ирригации и механизированного сельскохозяйственного оборудования стали известны как «зеленая революция». Эти достижения позволили резко повысить урожайность и предотвратить голод в Китае, Индии, Бразилии, Мексике и во многих других развивающихся странах, за исключением африканских стран к югу от Сахары. Там успеху препятствовали высокие транспортные расходы, ограниченная ирригация, отсутствие инфраструктуры и несправедливая политика ценообразования.