Изобретение и инновация (8)⁠⁠

Продолжаем знакомиться с книжкой Вацлава Смила.
Предыдущие части выложены в серии.

Фиксирующие азот злаки

Название «азот», которое можно перевести как «безжизненный», вводит в заблуждение. На самом деле это совершенно необходимый элемент для флоры и фауны. Если бы удалось заставить пшеницу связывать азот, как это делают бобовые, нам не надо было бы сыпать столько удобрений, и урожаи были бы такие же высокие. Уже в девятнадцатом веке по мере истощения естественных месторождений гуано пришли к идее добывать азот прямо из воздуха. И в 1909 году немцы Габер и Бош разработали свой знаменитый процесс по синтезированию аммиака из воздуха, угля и воды. Поначалу весь синтезированный аммиак шёл на производство взрывчатки во время Первой мировой, а после её окончания он стал ключевой составляющей Зелёной революции, драматически увеличившей урожаи и накормившей полмира.

Сегодня в мире в почву вносится 120 миллионов тонн азота в год, и пользу его трудно переоценить. Но эта практика имеет свои недостатки. Начать с того, что половина удобрений не попадает по назначению, а ускользает разными путями в окружающую среду и причиняет ей вред. Самым наглядным подтверждением этого являются мёртвые зоны в прибрежных водах, где удобрения вызывают разрастание водорослей. Их разлагающиеся остатки на дне забирают из воды кислород. Как следствие, морские обитатели задыхаются. Далее, по вине азотных удобрений случаются кислотные дожди. Также бактериальное разложение нитратов добавляет в атмосферу вредные оксиды азота. Вследствие массивного внесения удобрений ухудшается и качество почв, которые теряют органический углерод. В навозе этот углерод есть, а в синтезированных азотных удобрениях – нет.

Если мы посмотрим на бобовые, то увидим, что они мало того, что не требуют азотных удобрений, но и добавляют азот в почву. Эта особенность известна ещё с античных времён и используется для улучшения качества почв в процессе севооборота. Азот бобовым дают бактерии рода Rhizobium, живущие с растением в симбиозе на его корнях. Им не нужны гигантские давления и температуры процесса Габера. Хватает своего энзима нитрогеназы, с помощью которого и фиксируется атмосферный азот.

Симбиоз ризобия и бобового

Открытие этого механизма сразу натолкнуло на мысль побудить ризобий жить на корнях зерновых. Десятилетиями эта идея оставалась без должного внимания, и лишь в конце прошлого века, во многом усилиями того самого Нормана Борлоуга, который выступал против ДДТ, темой заинтересовались широкие круги научной общественности.

Есть три стратегии, первой из которых является воспроизведение привычной среды обитания ризобия на корнях злаков. Однако является загадкой, почему эти бактерии в процессе эволюции прижились лишь у бобовых. Что-то здесь не так. Кроме того, ризобий потребляет до 20% энергии растения, которое оно компенсирует улучшением фотосинтеза вследствие избытка азота. С зерновыми такой фокус может не сработать.

Вторым путём является придание симбионтам, живущим на корнях злаков, способности фиксации азота. Здесь есть определённый прогресс с бактериями, открытыми на корнях тростника. Британская компания Azotic Technologies предлагает патентованную обработку семян с помощью Gluconoacetobacter diazotrophicus. Полевые эксперименты компании показали увеличение урожая кукурузы на приличных 5-13%. Однако независимые тесты подтвердили лишь совсем небольшой рост, а то и вовсе его отсутствие.

Третий способ: создать новое растение со способностью фиксировать азот без посторонней помощи. Генная инженерия нам в помощь. Однако нитрогеназа – очень сложный белок. Более того, она очень чувствительна к кислороду. Есть некоторый прогресс в переносе генов ризобия на табак, но всего лишь некоторый. Не стоит забывать и недоверие к ГМО в Европе и Азии, тем более, что речь идёт о базовых продуктах питания западной цивилизации.

По факту со времени начала агитации Борлоуга прошло уже полвека. Несмотря на многочисленные обещания, реального прорыва всё нет, а есть всё те же обещания и хайп в СМИ. Кембриджские биологи честно признаются:

На это нет ответа. Мы работаем в неизвестности.

Как-то не довелось услышать про это раньше. В свете прогресса генной инженерии очень хотелось бы верить в скорый успех. Но как оно сложится – бог знает.