Химия человека. Как железо помогает нам дышать, калий – видеть, и другие секреты периодической таблицы

Азот комфортно себя чувствует в форме газа, а потому, когда мертвые растения и животные разлагаются, его легко потерять. Иногда в уличных туалетах и коровниках мы чувствуем запах аммиака. Аммиак состоит из азота и водорода и образуется при разложении органического материала. Из-за того, что азот улетучивается в атмосферу, особенно важно существование на Земле организмов, которые способны вернуть его из воздуха.

В природе единственный процесс, благодаря которому содержащийся в атмосфере азот становится доступен для растений без участия микроорганизмов, – удар молнии. Во время удара молнии высвобождается столько энергии, что содержащиеся в воздухе азот и кислород вступают в реакцию друг с другом, образуя новые молекулы. Норвежский физик Кристиан Биркеланд и инженер Сам Эйде еще в начале XX века выяснили, что можно сымитировать этот процесс с помощью электричества и создать в лаборатории искусственные молнии[210]. Впервые кому-то удалось перехитрить биологический процесс и изготовить азотное удобрение прямо из воздуха. Благодаря процессу Биркеланда – Эйде (именно такое название он получил) компания Norsk Hydro стала производить минеральные удобрения с помощью энергии от электростанций в Нотоддене и Рьюкане.

Производство минеральных удобрений компанией Norsk Hydro во многом было революционным и заложило основы для значительного роста производства продуктов питания в XX веке. И тем не менее довольно быстро его заменил более дешевый процесс Габера – Боша, в основе которого лежит так называемый природный газ, то есть газ из ископаемых[211].

Во время процесса Габера – Боша из природного газа мы черпаем и энергию, необходимую для того, чтобы разрушить крепкие связи между атомами азота, и атомы водорода, с которыми образует связи освобожденный азот[212]. В качестве побочного продукта образуется абсолютно чистый диоксид углерода – его продают и на пивные заводы, и на водоочистные сооружения. Что испытали на себе садоводы Осло: когда в Европе сильно снизилось производство азотных удобрений, власти попросили их выключить поливальные установки посреди засушливого лета 2018 года[213].

На сегодняшний день больше половины азота, который усваивают выращиваемые по всему миру растения, – из минеральных удобрений. В деле выстраивания собственных тел мы стали зависеть от азота, производимого промышленным способом. Как долго это может продолжаться?

Если все известные на сегодняшний день резервы природного газа пустить исключительно на производство минеральных удобрений, азотных удобрений нам хватит примерно на тысячу лет, прежде чем они опустеют. Совершенно точно существуют на сегодняшний день неизвестные запасы природного газа. В то же время абсолютно нереальной кажется ситуация, когда природный газ не тратят ни на что, кроме производства минеральных удобрений. По мере того как месторождения нефти и газа уменьшаются, а цена их разработки растет, природный газ станет весьма необходимым сырьем для ряда химических процессов. Поэтому еще до истечения тысячи лет нам придется производить азотные удобрения из чего-то другого[214].

Уже сегодня активно идет работа над альтернативными методами производства. Одна из стратегий – использование солнечной энергии для расщепления и азота, и воды для производства водорода, который вступит с азотом в реакцию. Другие ученые работают над совершенствованием процесса Биркеланда – Эйде и увеличением его энергоэффективности[215]. Может быть, через несколько лет мелкие фермеры смогут самостоятельно производить азотное удобрение с помощью расположенных на крыше солнечных панелей.

Бактерии улавливают азот благодаря выработке органических молекул, из-за которых азот вступает в реакцию с водородом, не требуя большого количества энергии. Молекулы как бы ставят атомы на нужное место. Сейчас у людей появляются качественные инструменты для редактирования генов и бактерий, и растений: у нас будет возможность менять сельскохозяйственные культуры так, чтобы они научились абсолютно самостоятельно улавливать азот из воздуха[216] – или же сотрудничали со специально приспособленными бактериями (так поступает клевер). В принципе благодаря генно-модифицированным растениям возможно выращивать всю необходимую нам пищу и без азотных удобрений. Азот для производства продуктов питания – техническая задача, у которой есть ряд решений. Азот у нас не кончится.

Фосфор с гор

Последнего из жизненно важных элементов – фосфора – в атмосфере нет. В воде его тоже не особо много, поскольку он обладает досадной для нас склонностью приклеиваться к поверхностям минералов и лучше себя чувствует в твердой форме, а не растворенным в воде[217]. Поэтому, чтобы добыть фосфор, нам придется обратить внимание на твердые породы.