Страница 12 из 20
Важным следствием этого обстоятельства стало очередное изменение атмосферы Земли. Вспомните, что вторая атмосфера была образована ядовитыми вулканическими газами. Однако примерно 2 млрд лет назад значительная часть этих газов разложилась, накопилось достаточно много азота, и образовалась новая, третья, атмосфера Земли. Для возникновения жизни чрезвычайно важно, что эта насыщенная азотом атмосфера была намного спокойней предыдущей, поскольку азот не атакует биологические молекулы, как это делают другие газы.
Мы живем в море газообразного азота: на наши плечи постоянно давит столб азота массой несколько тонн, поднимающийся от поверхности земли до верхних слоев атмосферы. Но мы никак не можем его использовать. Эта ситуация напоминает смерть от жажды посреди океана.
Но в каком-то смысле газообразный азот слишком спокойный, слишком пассивный. Нашим телам требуется довольно много этого элемента. Каждый белок в организме имеет в своем каркасе атомы азота, и во всех 3 млрд оснований ДНК в каждой из 30 трлн наших клеток содержится несколько атомов азота. Но когда приходит время пополнить клеточные запасы азота, выясняется, что использовать газообразный азот для этой цели невозможно – из-за невероятной прочности тройной связи в его молекуле.
Каким же образом азот из атмосферы проникает в наши тела? Некая сила должна «фиксировать» (связывать) его – расщеплять тройную связь и превращать в более податливую форму. Какое-то количество газообразного азота фиксируется под действием света, в результате чего в воздухе образуются соединения азота с кислородом. Однако в основном фиксация азота происходит за счет бактерий, содержащих специфический фермент, названный нитрогеназой.
Ферменты – это биологические структуры, в присутствии которых протекают необычные реакции. «Деловой центр» молекулы нитрогеназы содержит кластер из атомов железа и серы, а также атомы молибдена. Эти элементы, как крохотные «челюсти жизни», раздвигают тройную связь. В ходе этого процесса затрачивается невероятно большое количество энергии и возникает множество повреждений: при расщеплении каждой тройной связи приносятся в жертву 16 молекул воды. Но в конечном счете нитрогеназа расщепляет связь N[15]≡ N, и пока атомы азота не успели соединиться вновь, фермент присоединяет несколько атомов водорода. В результате (о да!) образуется аммиак, который содержит только простые связи и, следовательно, может достаточно легко превращаться в биологические молекулы, такие как ДНК или белки.
Азотфиксирующие бактерии в основном живут на корнях растений, обменивая аммиак на другие питательные вещества – симбиоз в истинном смысле слова. Некоторые азотфиксирующие организмы живут в почве самостоятельно, но растения тоже могут пользоваться продуктами их труда. Растительноядные животные и грибы получают фиксированный азот, поедая растения или продукты их разложения. Таким же образом азот получают хищники, находящиеся на вершине пищевой цепи: они поедают растительноядных животных, питающихся растениями. Даже хищные растения, такие как венерина мухоловка, ловят насекомых, главным образом, чтобы раздобыть азот. Иными словами, практически весь азот в составе живых организмов прошел переработку этими бактериями. Без них на Земле не существовало бы ни одного растения или животного. Ни одного. И для большинства экосистем количество азота в почве определяет максимальное количество живых организмов, которое эта почва способна прокормить.
За тысячелетнюю историю сельского хозяйства крестьяне придумали несколько способов обойти этот предел. Они стали выращивать бобовые растения, на корнях которых обитает множество азотфиксирующих бактерий. Кроме того, в почву стали вносить мочевину и навоз, содержащие азот в связанной форме. Некоторые хитрые народы догадались усиливать эти природные удобрения, компостируя их с кровью или гниющими отходами. Компостные кучи походили на горячие гигантские буханки черного хлеба, и по специфическому запаху крестьяне определяли, когда смесь готова для употребления.
Но дело в том, что одомашненные животные производят ограниченное количество экскрементов, и к началу XIX в. промышленно развитые страны вынуждены были расширять свои границы с целью удовлетворения потребностей в азоте. Великобритания эксплуатировала Индию, где бедные рабочие из низших каст месили навоз ногами, заготавливая его для отправки на экспорт. В других странах активно использовали гуано (птичий помет), собранное на разных островах. Торговля гуано в некоторых местах, в частности на островах Чинча у юго-западного побережья Перу*, стала настолько прибыльной, что из-за гор птичьего помета между странами Южной Америки развязалась настоящая война. Масштабное вовлечение США в колониальные процессы тоже было связано с потребностью в гуано. В 1856 г. Конгресс принял Закон о гуано (или Закон о гуановых островах), позволявший любому гражданину США занимать любой ненаселенный остров в любой точке света, если на нем обнаруживались хоть какие-то запасы гуано. Этот закон обеспечил США легальное основание для притязаний на несколько десятков микроскопических островов в Карибском море и Тихом океане. По большей части это были богом забытые скалы, не имевшие никакой ценности, но некоторые, включая атоллы Джонстон и Мидуэй, оказались важными военными базами во время Второй мировой войны. Союзники, возможно, никогда не смогли бы одолеть Японию в Тихом океане, если бы за сто лет до этого США не охотились за гуано*.
А вот у Германии таких источников гуано не было. В отличие от своих соперников в Европе, Германия только недавно (когда Габер был ребенком) прекратила междоусобные войны и сделалась единым государством. В результате она не имела крупных колоний в Азии или Америке и владела лишь несколькими колониями с дешевыми источниками гуано. Проблема усугублялась еще и тем, что почва на территории страны была бедной и очень нуждалась в удобрениях. В начале XX в. Германия импортировала 900 000 т азотных удобрений в год.
Хотя немецкая почва была бедной, наверное, немецкая вода была какой-то особенной, поскольку здесь выросло множество научных гениев. В 1840-х гг. немецкие химики выдвинули идею создания искусственных азотных удобрений. Прошло несколько десятилетий, прежде чем люди начали воспринимать эту идею всерьез – ведь куда проще использовать дешевое южноамериканское гуано. Но в 1890-х гг. в производстве удобрений наметился кризис, поскольку запасы гуано на островах Чинча и в других местах начали подходить к концу. Казалось, спасти человечество от массового голода может только наука. И наша история вновь возвращается к Фрицу Габеру, в наивысшей степени наделенному как талантом, так и честолюбием.
После нанесенного Нернстом оскорбления Габер получил грант от немецкой химической компании BASF на оценку возможных технологий фиксации азота. Так, метод «молния в бутылке» заключался в соединении азота с кислородом за счет пропускания мощной электрической искры через емкость с воздухом. Однако Габер сосредоточился на старой идее о взаимодействии азота с водородом, отчасти по той причине, что смог найти к решению этой задачи новый подход, заключавшийся в применении высокого давления.
Газы активнее вступают в реакцию при повышении температуры или при повышении давления. На молекулярном уровне повышение температуры газа заставляет его молекулы двигаться с более высокой скоростью (на самом деле температура как раз и отражает скорость движения молекул). Чем выше скорость движения, тем легче молекулы расщепляются и воссоединяются, что способствует протеканию химических реакций.
Однако Габер знал, что повышение температуры приводит к разрушению аммиака, так что конечный выход продукта не увеличивается. Поэтому он сосредоточился на изменении давления. При повышении давления молекулы сближаются, и, следовательно, у них больше возможностей для взаимодействия и обмена атомами.
15
«Челюсти жизни» (Jaws of life) – пневматическое устройство, которое раздвигает искореженные при аварии части автомобиля, обеспечивая спасателям доступ к пострадавшим.