Вот что означает азот для растения.
Почвенные запасы азота сосредоточены в перегное — точнее, в его органическом белковом веществе. Но для растения эти запасы мертвы. Они должны пройти еще несколько стадий переработки прежде, чем стать ему доступными. Над этим трудятся мириады микроорганизмов. Они превращают почвенный азот в минеральное соединение — аммиак (каждый знает, что богатая перегноем почва, особенно удобренная свежим навозом, издает легкий запах «нашатырного спирта», как называется продающийся в аптеках водный раствор аммиака). Растворяясь в воде, аммиак освобождает ион аммония. Этот ион обладает положительным электрическим зарядом, поэтому называется катионом. Соединяясь с кислотами, катион аммония образует аммиачные соли, которые и служат пищей растению. Катионы аммония хорошо поглощаются почвой, и поэтому не вымываются из нее водой.
Но на этом работа бактерий не прекращается. Они превращают аммоний в отрицательно заряженные ионы азотной кислоты — так называемые нитратные анионы. А те уже служат началом образования селитры — универсального источника азота для всех культур. У селитры есть только один недостаток: она не поглощается почвой и при отсутствии растений легко вымывается, «выщелачивается» из нее водой.
И аммиачные соли и селитра — это минеральные соединения. Они возникают не только при биохимическом распаде почвенного гумуса, перегноя, но и во время гниения в почве органических удобрений. Однако гумус распадается крайне медленно, и запасы его в почве очень малы. Количество местных органических удобрений, даже в очень хорошо поставленном хозяйстве с развитым животноводством, тоже относительно невелико. Поэтому почву необходимо искусственно обогащать азотом.
В природе основные запасы азота сосредоточены в атмосфере. В воздушном столбе над каждым гектаром пашни содержится свыше 70 тысяч тонн азота. Этого могло бы хватить для удобрения нив, раскинувшихся на площади свыше миллиона гектаров. Но этот газообразный молекулярный азот подавляющим большинством растений не усваивается. Дружное исключение из этого правила составляют люцерна, клевер, горох, бобы, фасоль, соя, чечевица и другие представители обширного семейства бобовых. На их корнях поселяются колонии особых бактерий, которые образуют вздутия — клубеньки, откуда они и получили свое название клубеньковых бактерий.
Колонии клубеньковых бактерий — это весьма совершенные и производительные микроскопические фабрики азотных удобрений. Они переводят азот воздуха в аммиак и другие соединения, которые уже могут быть усвоены растениями-хозяевами, и не только ими! После уборки урожая бобовых культур в пожнивных и корневых остатках в почве будет находиться некоторое количество азота, которое перейдет «по наследству» к высеваемым в дальнейшем небобовым растениям. Так объясняется, почему бобовые растения практически не зависят в своем азотном питании ни от содержания доступного азота в почве, ни от внесения в нее азотных удобрений.
В почве обитают и так называемые «свободно живущие», то есть не связанные с корневой системой определенного растения, микроорганизмы. Однако их «заводская производительность» — их способность усваивать азот атмосферы и переводить его в соединения, доступные всем культурам, — значительно меньше, чем у клубеньковых бактерий.
Вот отчего такое большое значение имеет производство. азотных удобрений химическим путем.
Более шестидесяти лет назад за счет окисления азота воздуха кислородом впервые было получено искусственное азотное удобрение — кальциевая селитра. Но это настолько «энергоемкий» процесс, что подобные производства можно было организовывать только там, где очень дешева электроэнергия. Поначалу для этой цели был использован электрический ток, вырабатываемый гидростанциями, поставленными вблизи водопадов в Норвегии и в районе Ниагары.
Изобретение синтеза аммиака, спасшее во время первой мировой войны Германию, отрезанную от природных источников азота, сделало азотные удобрения значительно более доступными, хотя заводская химия пока что еще сильно отстает от природной. Синтез аммиака — это процесс связывания, химического соединения азота воздуха с водородом. Преодолеть инертность азота нелегко. В заводских установках для этого применяются очень большие давления, высокие температуры и специальные «посредники» — катализаторы. Клубеньковые бактерии ту же самую работу производят при атмосферном давлении и температурах летнего дня. Воспроизведение этих процессов в больших масштабах — заманчивая проблема техники будущего. Но как бы ни отставало заводское производство аммиака от природы, единица азота в аммиачной форме оказалась в несколько раз дешевле такой же единицы, но заключенной в селитре. Научившись правильно использовать дешевый аммиачный азот, сельское хозяйство могло бы извлечь отсюда большую выгоду.
Но на практике искусственное азотное питание растений наталкивалось на множество трудностей и загадок. Различные минеральные соединения азота — аммиачные, в которых азот связан с водородом, или нитратные, в которых тот же азот связан с кислородом, — действуют совершенно по-разному на разные растения и даже на одни и те же растения, но в разном возрасте или на разной почве.
Вот эту-то реальную сложность взаимодействия растений и внешней среды и стремился раскрыть Прянишников. Поразительно современно звучат мысли, которыми он руководствовался при изучении проблемы азотного питания растения. Они непосредственно перекликаются с ведущей идеей советской биологической науки, снова и снова со всей силой подчеркнутой в недавних решениях партии и правительства.
Первая из этих «руководящих мыслей», которым Прянишников придавал «и более общее значение», касается «тесной взаимной связи между внешними условиями питания и внутренними процессами обмена веществ в растениях».
Прянишников неоднократно уточнял и развивал это положение и высказывал его с такой определенностью, что можно лишь удивляться тому, как часто оно впоследствии повторялось от имени других биологов без ссылки на первоисточник. Поэтому мы надеемся, что читатель не посетует на большую выдержку из высказываний на этот счет Прянишникова. Надо же хотя и с запозданием, но до конца выяснить давнее недоразумение. И здесь это сделать уместнее, чем где бы то ни было. Так вот его точные слова.
«Внутреннее состояние растения, направление и интенсивность процессов обмена веществ в нем, — писал Дмитрий Николаевич, — в значительной степени определяет его отношение к условиям внешней среды, способность растения использовать тот или другой источник питания, притекающий извне. С другой стороны, изменение условий внешней среды, например формы или интенсивности азотного питания, соотношения и концентрации других элементов, способно оказать глубокое влияние на характер обмена веществ внутри растения. Только на пути познания этой взаимной связи и обусловленности между внутренним состоянием организма и внешней средой мы можем получить правильное представление о значении условий питания для жизни растения и надежное теоретическое обоснование таких приемов воздействия на растение, которые имеют целью изменять не только высоту урожая, но и его химический состав».
Как часто впоследствии противники Прянишникова повторяли эту великолепную диалектическую формулу о взаимосвязи организма и среды. И беда не в том, что они ее повторяли, — истина нуждается в повторениях! Они вынули из нее живую душу, ее конкретное биохимическое содержание, ибо истина всегда конкретна, а утратив это драгоценное свойство предметности, она вырождается в хилую абстракцию.
В свете прянишниковских идей и многолетней работы исследователей его школы учение об азотном питании растений и животных приобрело большую цельность и законченность.
Вскоре после первых своих удач в этой области сам Дмитрий Николаевич Прянишников провел со своими учениками серию опытов с питанием растений азотнокислым аммонием, который теперь принято называть также аммиачной селитрой. При этом прояснилось исключительно важное обстоятельство, а именно то, что положительно заряженный ион — катион — аммония поступает в растение гораздо быстрее, чем отрицательно заряженный ион — анион — азотной кислоты (эти две составные части аммиачной селитры разделяются в растворе).
