А кстати да - откуда? Ха-ха-ха! Вы не поверите. Из звёзд. Кроме шуток. Все химические элементы тяжелее водорода, получились в процессе термоядерной реакции внутри звёзд. А потом те звёзды бабахнули, всё разлетелось, из разных элементов гравитация скатала шарики - планетарные зародыши. Вы не поверите, но об этом мы тоже уже говорили! Вот здесь.
Но наша история не распространяется на такие далёкие времена. Нам бы про вотпрямщас понять и поговорить. Да запросто!
Азот вокруг нас
Ко мне, когда я была чуть помоложе, на шиномонтажках чётенькие пацанчики всегда приставали - а давайте, мол, тётенька, накачаем вам шины азотом! А я такая: конечно, давайте! Только чистый азот я не люблю. Я люблю процентов 20 кислорода чтобы было. Они долго совещались и говорили - нет, такой смеси у нас сейчас нет. Но вы приезжайте завтра, мы закажем! На что я горестно вздыхала и просила накачать мне шины атмосферным воздухом. В котором 20 процентов кислорода. И 80 процентов азота.
Чувствуете? В воздухе, которым мы с вами дышим, в котором наши растения растут - восемьдесят! процентов! азота!!!
Так какого ж лешего им надо, этим растениям? Зачем мы этот азот за деньги покупаем и льём во все места им тогда?
Азот, да не тот!
Ну вот, потому что это не тот азот.
В молекулярном газообразном азоте два атома, как и в молекулярном кислороде или водороде. Но связаны эти атомы тремя очень прочными ковалентными связями, которые очень, очень трудно разорвать. Вот у водорода всего одна ковалентная связь. А у кислорода - две. А эти, понимаешь! Вцепились друг в друга, как клещи! Не оторвать.
Именно поэтому молекулярный азот крайне неохотно вступает в любые реакции. По большому счёту, для большинства организмов это инертный газ. А что? Вдохнули 80 % азота и 20 % кислорода, кислород забрали, потратили, углекислый газ вместо него выдыхаем*. А азота как было, так и осталось. Что вдыхали, что не вдыхали. Просто так туда-сюда гоняем этот азот.
(*Правда, мы и кислород очень неэффективно из воздуха забираем. Примерно 4-5% мы его забираем, а остальной выдыхаем обратно. Именно поэтому искусственное дыхание рот-в-рот помогает. А если бы мы весь кислород сразу извлекали - то и смысла бы в нём не было, в таком искусственном дыхании.)
Но как же тогда этот неуловимый азот всё-таки попадает в биосферу? Должен же кто-то его туда затащить?
Конечно. И это - микроорганизмы.
Скромные герои биосферы
Микроорганизмы появились на нашей планете очень давно. Где-то 4 миллиарда лет назад. Ну ладно, три с половиной точно! И они только и делали, что учились управляться с разными неорганическими веществами. А потом и с органическими. А что делать-то? Ни растений, ни животных, ни даже интернета нет. Сиди да тренируйся, изобретай метаболические пути. Кто-то помер или просто зазевался - так они его белки и нуклеиновые кислоты - раз! - и утащат. Если утащат и просто на составные части разберут - то это обычные консументы, как мы с вами. Консументы - это значит, поедатели. А если сперва на аминокислоты, а потом вообще на минеральные компоненты, на воду, углекислый газ и аммиак разложат - то тогда, на наши слова, это уже будут редуценты. Редуценты превращают органические вещества в неорганические. И возвращают их в общих круговорот веществ. Они молодцы и спасатели, если в глобальном общепланетном смысле посмотреть.
Это мы с вами так подбираемся к круговороту вещества в нашей биосфере, а конкретно - к круговороту азота.
Путешествие азота в атмосферу и обратно
В общем, аммиак плавал в океане, включался в состав белков, потом снова возвращался микроорганизмами в океан в виде того же аммиака. Но были среди микроорганизмов такие товарищи, которые аммиак превращали в молекулярный газообразный азот. Такие микроорганизмы называются сейчас денитрификаторы. Этот молекулярный газообразный азот улетал в атмосферу.
Но беда в том, что обратно из атмосферы достать его никто не умел! И азота в океанах становилось всё меньше и меньше. А когда чего-то становится меньше, то кажется, что всё - очередной кризис на пороге, мы все умрём. Но нет. Нашлись умельцы и тройные связи разрывать, молекулярный азот в растворимые формы переводить. Такие орлы называются азотфиксаторами.
Напомню, кто забыл, что атмосфера на нашей планете в то время была совсем другая! Кислорода в ней не было, а был сплошь водород, да ещё аммиак с метаном. И даже не в том дело, что она воняла похуже котикиного тубза, а в том, что она была не окислительная, а восстановительная. На наш садоводский язык если перевести, то это значит, что любая тяпочка, оставленная на грядке, никогда не заржавеет. Потому что окислителя, кислорода, нет. Наоборот! Она из старой и ржавой превратится в новенькую-преновенькую. Вот такая была атмосфера. И все ферменты умели работать именно в такой волшебной восстановительной атмосфере.
Старые знакомые в новом свете
Среди первых молодцов, которые научились фиксировать атмосферный азот, была и наша старая знакомая цианобактерия. Та самая, которая научилась делать фотосинтез, помните? Первое зелёное... не растение, нет. Организм. Потому что бактерия она. Сине-зелёная. Научилась делать фотосинтез, сама себе еду добывать из воды и углекислого газа. И азот растворимый ей был очень сильно нужен. Хороший фотосинтез- много белков, надо много азота, чтобы сделать ещё больше белков, ещё круче фотосинтез.
Цианобактерия - она довольно крупная, кругленькая, с толстой клеточной стенкой. И образует такие колонии, похожие на бусики. Размножается быстро, фотосинтезирует активно. И в качестве отхода фотосинтеза, как и все зелёные организмы, выделяет кислород. Всё больше и больше, больше и больше.
И в конце концов этот кислород изменил всю земную атмосферу! И стала наша атмосфера теперь не восстановительная, а окислительная! В биохимической летописи планеты это называется Большое кислородное событие. Все организмы, которые в восстановительной атмосфере привыкли жить (а это вообще ВСЕ существующие тогда организмы, анаэробы), начали помирать. Потому что для них кислород - это очень сильный яд!
Хорошо, хоть цианобактерия маленькая, а атмосфера большая. И это Событие длилось не один миллион лет. По мере изменения атмосферы и микроорганизмы изменялись. Научились использовать окислительные свойства кислорода. Их называют аэробы. Оказалось, что это может быть очень, очень выгодно! Хоть и очень опасно. Появились такие, кто умеет жить как в кислородной, так и в бескислородной атмосфере. Таких ребят называют факультативные аэробы. Хочешь - дыши кислородом, если есть. А нет - так и хорошо, обойдёмся.
А появились и такие, которые вообще сделали полную ставку на кислород. Такие, как почти все живущие ныне многоклеточные. Они облигатные аэробы. И без кислорода они не могут существовать. Они не проиграли! Потому что, видать, просчитали, что никакого возврата к восстановительному прошлому у нашей планеты не будет, и брезжит всем кислородное Завтра.
Кислородная подстава-засада
Но знаете же, как бывает? Сам грабли раскидаешь, сам же на них и наступишь. Так и цианобактерия. Оказалось, что в кислородной атмосфере ферменты, которые превращают молекулярный азот в растворимые соединения, не работают!!! Представляете, какая засада? Это выяснилось довольно быстро - ведь у цианобактерии как раз всегда вокруг много кислорода было, она же сама его и делала. И она успела вовремя сориентироваться! Соседки-бусинки в колонии быстро организовали себе бескислородную зону: одну клетку превратили в фабрику азота. Наделали ей толстую-претолстую клеточную стенку, чтобы кислород в неё никак не попал, и все фотосинтезы из неё убрали. А все ферменты для фиксации азота, наоборот, туда притащили. И там они спокойненько себе заработали! И даже когда атмосфера вообще везде стала кислородной, а не только вокруг отдельной цианобактерии, эта удачная система продолжала отлично работать.
Эта специализированная азотфиксирующая фабрика в колонии цианобактерий называется гетероциста. А полученными растворимыми соединениями азота потом пользуются все члены колонии.
А что остальные?
Те же азотфиксаторы, что не сумели приспособиться к кислородной атмосфере, либо вымерли, либо спрятались в глубинах, где света не было, и где всякие бодрые цианобактерии никакой фотосинтез делать не могли.
Но миллионы лет летели, как пули у виска, и постепенно появилась суша, а на суше - почва. Почву знаете кто сделал? Растения. Да, растения к этому времени появились, вышли на сушу и сушу эту конкретно так переделали. Вместе с микроорганизмами, конечно. Вот и почву сделали тоже. И в почве этой всякие микроорганизмы жили с большой радостью. И цианобактерии в том числе.
Но почва тем хороша, что она толстая и непрозрачная. И в глубинах её, особенно там, где много воды и мало воздуха, кислорода нет. Вот там и оказались прекрасные условия для наших изгоев-азотфиксаторов. Они терпеливо ждали-ждали миллиард лет, и вот дождались.
Но в почве не только кислорода, там и органических веществ не особо много. И азота чистого тоже - воздух-то поступает плохо.
Растениям, на самом деле, тоже жилось не очень. Всё было - и вода, и тепло - расти-не-хочу! А вот азот... Азот был в большом дефиците! За азот в почве была большая драка между грибами, растениями, насекомыми и микроорганизмами. Всем был нужен азот!
Луч надежды
А азотфиксаторы сидят себе в глубине и в темноте на голодном пайке. И тут однажды в их тёмное царство проник корешок растения!
Видно, азотфиксаторы с тем растением долго сперва сидели, на жизнь тяжелую друг другу плакались, обсуждения обсуждали, а потом придумали, как взаимовыгодное сотрудничество наладить. Растение обязалось построить настоящий бескислородный цех и регулярно поставлять чистый молекулярный азот для азотфиксаторов, да ещё и трёхразовое питание любой органикой по вкусу. А азотфиксаторы обещали, что будут делать то, к чему их эволюция всё это время готовила - фиксировать азот, превращать его в растворимые, доступные растениям формы. В нитраты. Так и было заключено судьбоносное соглашение.
Как вы уже поняли, эти растения были предки современных бобовых. Во время формирования молодого корня бобового растения бактерия-азотфиксатор проникает внутрь через корневой волосок, и в этом месте растение формирует нарост, похожий на корневой галл. Но это не болезнь, а очень нужный бобовым орган - корневой клубенёк.
В клубеньках для симбиотических бактерий-азотфиксаторов складываются идеальные условия работы. Именно поэтому бобовые так хорошо растут на любых почвах. Именно поэтому все части бобовых богаты белками.
Именно поэтому бобовые являются и отличным источников растительного белка, и зелёным азотным удобрением.
Бобовые как азотное удобрение
Это буквально общее место всех разговоров про бобовые. Как они улучшают почву, как они являются зелёным удобрением. И мы уже готовы посеять везде по ниточке бобов ради такого бесплатного и незатратного удобрения!
Но не тут-то было. Не для того бобовые строили заводы-клубеньки для азотфиксаторов, чтобы потом азотом в растворимых формах делиться с соседней картошкой! Нет. Азот они сделали исключительно и только для себя. Да, в них много азота - и в зелени, и в корнях, и в семенах. Но он у них находится в виде белков! А не в виде доступных нитратов. И они его никому никогда не отдают. Пока живы.
Грабь награбленное!
Но, к нашему счастью, бобовые - травянистые растения. Даже те, что многолетние. И на зиму они отмирают. И тут-то на богатые белками отмершие ткани набрасываются все кому не лень! Ну, то есть те, кто может. А это бактерии и грибы. Они быстро разбирают клеточные стенки, добираются до белков, переваривают и... забирают их себе! Но эти друзья долго не живут, они тоже помирают, и их белки быстро разлагаются другими микроорганизмами, и в конце концов превращаются в аммиак, а потом, наконец, в доступные растениям нитраты. А тут как раз весна! И растения эти нитраты быстренько потребляют. Те, которые в этом месте весной оказались. А не те, которые прошлым летом рядом росли, и которых уже съели давно.
Так что если мы хотим сделать из бобовых зелёное удобрение, нам надо вырастить их, а потом закопать в землю! Чтобы этот весь круговорот сделался как раз к посеву новых растений. А не просто высадить бобы вдоль картошки.
Исторический факт
Не могу не поделиться с вами одним очень интересным историческим фактом.
Вот помните же из школьной истории про дореволюционных крестьян? У них не было земли. И что, думаете, они на 6 сотках ютились? Нет, конечно! Землевладелец наделял их наделом. Это такая как бы аренда земли, а плата за неё - натуральный продукт. То, что крестьянин выращивал. Самый маленький, душевой (на одну семью) надел был десятина. По нашему это примерно гектар. Это минимальный размер земли, с которого могла прокормиться крестьянская семья. Средняя крестьянская семья тогда считалась в 10 человек. Может, поэтому и десятина?.. Крестьяне с одним душевым наделом ничего никому не отдавали, они работали, например, в усадьбе помещика, что-то там делали, а с земли просто кормились. У крестьян, которые отдавали продукцию, наделы были гораздо больше - 6 или 12 или даже 15 десятин. Но речь не о том.
Речь о том, что при самом простом сельском хозяйстве гектар мог прокормить 10 человек. Сюда включалась и трава для коров-овец, пшеница и другие зерновые, овощи. Навоз обязательно вывозился на поля. Такое было полностью органическое земледелие. И его "прокормительная способность" - 10 человек с гектара. Всего.
А вот использование азотных удобрений увеличивало производительность с гектара в 4 раза. На гектар нужно от 80 до 150 кг азота. Если пересчитать на мочевину, где 46 % азота, это 170-320 кг.
Сходил в магазин за мочевиной по 80 рублей за кг, купил её на 15 тыщ - и вот тебе уже не 10 человек, а 40 прокормил со своего гектара. Ну, это на современные деньги, конечно.
А у крестьянина современных денег не было, и магазина с мочевиной - тоже. Зато были бобы и горох. Выращивание же бобовых в качестве зеленого удобрения может принести в почву азота от 100 до 400 кг/га! Что покрывает любые потребности в азоте с лихвой!
Резюмируем
Итак, мы с вами разобрали ещё одну прекрасную сторону азотной эпопеи - фиксацию молекулярного азота. Давайте же поаплодируем героям этой истории - цианобактериям и азотфиксаторам, повышающим наше почвенное плодородие! Браво, брависсимо! Молодцы!