Как устроен мир на самом деле. Наше прошлое, настоящее и будущее глазами ученого

Но энергия, необходимая для производства и работы сельскохозяйственной техники, не идет ни в какое сравнение с энергией, которая тратится на производство агрохимикатов. Современному сельскому хозяйству требуются фунгициды и инсектициды для уменьшения потерь, а также гербициды, чтобы сорняки не конкурировали с выращиваемыми культурами за питательные вещества и воду. Все это чрезвычайно энергоемкие продукты, но их используют в относительно небольших количествах (доли килограмма на гектар)[99]. В отличие от них удобрения, содержащие три очень важных для растений макроэлемента — азот, фосфор и калий, — требуют меньше энергии на единицу конечного продукта, но для обеспечения высоких урожаев вносятся в больших количествах[100].

Дешевле всего обходится производство калия — для этого нужно лишь извлечь калийную соль (KCl) из подземных шахт или открытых разрезов. Производство фосфорных удобрений начинается с добычи фосфатов, после чего они подвергаются обработке для получения синтетических суперфосфатных соединений. Исходным компонентом для всех синтетических азотных удобрений служит аммиак. Для получения высоких урожаев пшеницы и риса, а также многих овощей требуется более 100 (иногда до 200) килограммов азотных удобрений на гектар, и такой высокий спрос на них привел к тому, что синтез азотных удобрений — это самые важные косвенные энергозатраты в современном сельском хозяйстве[101].

Азот требуется в таких больших количествах потому, что он содержится в любой живой клетке: в хлорофилле, отвечающем за фотосинтез, в нуклеиновых кислотах ДНК и РНК, содержащих и обрабатывающих генетическую информацию, а также в аминокислотах, из которых состоят белки, необходимые для роста и функционирования тканей организма. Запасы азота практически неисчерпаемы — он составляет почти 80 % атмосферы, и мы буквально плаваем в нем — и тем не менее он остается главным ограничивающим фактором и урожайности, и роста численности населения. Это один из главных парадоксов биосферы, но объяснить его просто: азот в атмосфере присутствует в виде инертной молекулы (N ₂), и лишь небольшое количество естественных процессов способно разорвать связь между двумя атомами азота, чтобы в результате появилось вещество, пригодное для образования активных веществ[102].

На это способна молния: в результате ее воздействия образуется окись азота, которая растворяется в дожде и образует нитраты, которые сверху удобряют леса, поля и луга, — но совершенно очевидно, что этого количества, образующегося естественным путем, не хватит для выращивания урожая, достаточного для того, чтобы прокормить 8 миллиардов человек. То, что делает молния с помощью огромных температур и давления, фермент нитрогеназа может делать при нормальных условиях; его вырабатывают бактерии, живущие в корнях бобовых растений (а также некоторых деревьев) или в почве. Бактерия в корнях бобовых растений выполняет большую часть работы по естественному связыванию азота — то есть расщепляет нейтральную молекулу N ₂ и встраивает азот в молекулу аммиака (NH₃), чрезвычайно активного вещества, которое легко превращается в растворимые нитраты, тем самым обеспечивая потребность растений в азоте в обмен на органические кислоты, синтезируемые растениями.

В результате продовольственные бобовые культуры, в том числе соя, бобы, горох, фасоль и арахис, способны сами себя обеспечивать азотом — точно так же, как запашные культуры, относящиеся к семейству бобовых, в частности люцерна, клевер и вика. Но ни зерновые, ни масличные культуры (за исключением сои и арахиса), ни корнеплоды этого делать не могут. Единственный способ извлечь для них пользу из свойства бобовых связывать азот — чередовать их с люцерной, клевером или викой, то есть выращивать бобовые, а затем запахивать их, насыщая почву активным азотом, который будет использоваться высаженными на этом же поле пшеницей, рисом или картофелем[103]. В традиционном сельском хозяйстве единственная альтернатива бобовым — собирать отходы жизнедеятельности человека и животных и удобрять ими почву. Но это заведомо трудоемкий и неэффективный способ внесения питательных веществ. Содержание азота в этих отходах низкое, и к тому же он интенсивно улетучивается при испарении жидкости (отсюда чрезвычайно сильный запах аммиака от навоза).