7Калий, азот и фосфор: химические элементы, дающие нам пищу
Вам покажется сам собой разумеющимся тот факт, что мы используем содержащиеся в растениях химические элементы для изготовления тех вещей, которые нас окружают. Наверно, мы реже задумываемся о том, что для выстраивания собственных тел нам нужны химические элементы из породы, воды и воздуха. Мы добываем эти элементы и преобразуем в минеральные удобрения: они станут частью растений, а потом и нас самих, когда мы употребляем в пищу эти растения или мясо животных, которые эти растения съели. Самое распространенное на рынке минеральное удобрение называется NPK – по названиям тех химических элементов, которые для растений важнее всего: азот (N), фосфор (P) и калий (K).
Большинство остальных химических элементов, которыми пользуется наша цивилизация – железо для инструментов, медь для электропроводки и золото как платежное средство, – в случае нужды можно заменить другими. В производстве продуктов питания ситуация иная. Без азота, калия и фосфора наше существование невозможно.
Путешествие к Мертвому морю
Весной 2016 года я впервые побывала в Израиле. Случай представился благодаря собранию участников европейского научного проекта, партнером которого был Израиль. Чтобы собрать ученых в одном месте, где мы могли бы работать целую неделю, не отвлекаясь на все, что происходит в городе или университете, израильский партнер решил устроить встречу в отеле на берегу Мертвого моря.
Так как раньше я там никогда не была, перед путешествием я посмотрела на Google картах, куда мы отправимся. Территория выглядела странно. Мертвое море разделено на две части полоской земли: по озеру на севере и на юге. Северная часть выглядела как обычное море, окруженное пустыней. А вот южное море, напротив, не было похоже ни на что из того, что я видела раньше. Оно было разделено на сектора, отделенные друг от друга прямыми линиями, – они напоминали участки земли. Вода между этими линиями была окрашена в различные оттенки – от бирюзового до темно-синего, если двигаться по принадлежащей Израилю части моря с севера на юг. Кроме того, проходящая по середине моря граница между Израилем и Иорданией отмечена толстой полоской земли. Мне стало очень любопытно, что же эти узоры значат.
Погуляв пару дней как турист по Тель-Авиву, я села в автобус и поехала к Мертвому морю. Проехав через выжженную плоскую пустыню, мы попали на край утеса. Отсюда дорога круто шла к морю – оно казалось сине-бирюзовым лоскутным одеялом, как на фотографиях. Когда мы миновали знак, сообщивший, что мы находимся на уровне моря, ехать было еще очень далеко. Добравшись до нижней точки долины, мы проехали мимо промышленного сооружения с огромными резервуарами, конвейерами, трубами и дымоходами. Как оказалось, прямые линии – это длинные насыпи, по которым между пятнышками сине-зеленой воды ездили гигантские машины.
Южная часть Мертвого моря действительно отличается от северной. Раньше они были одним морем, чей уровень сохранялся на отметке 400 метров ниже уровня моря, потому что в море попадало столько же воды, сколько испарялось. Изменилось это в 1960–1970-е годы, когда сначала Израиль, а затем Иордания и Сирия выстроили насосные станции и стали по трубам выкачивать воду, попадавшую в Мертвое море, для сельского хозяйства и городов[201]. Сегодня поверхность Мертвого моря располагается более чем на 40 метров ниже, чем до строительства насосных станций[202]. В последнее время уровень воды ежегодно падал примерно на метр[203]. Северная и южная части стали очень сильно отличаться друг от друга в той точке, где раньше был лишь выступ.
В южной части моря глубина по большей части достигает лишь нескольких метров, и ее превратили в огромную установку по добыче минералов. Из-за естественного испарения вода в Мертвом море гораздо более соленая, чем в любом другом океане или море Земли. Когда вода переносится в мелкие бассейны, испарение ускоряется: точно так же быстрее высохнет выстиранное белье, если его развесить, а не бросать мокрой кучей. Испарение идет только на поверхности воды, где ее нагревает солнце и она исчезает в воздухе в виде пара. По мере того как количество воды все уменьшается и уменьшается, растворенная в ней соль оседает в виде кристаллов. Сначала образуется хлорид натрия – обычная поваренная соль, – а затем хлорид кальция, зачастую используемый как дорожная соль. Эти кристаллы оседают и образуют на дне водоема соляную корку. Затем вода перекачивается в следующий водоем, где образуются кристаллы карналлита – пользующегося спросом минерала: его счищают и отправляют на перерабатывающий завод, расположенный на берегу. Ценность карналлита в том, что он содержит химический элемент калий, используемый в минеральных удобрениях, поскольку он необходим для выживания растениям – как и людям.
Питание мозга
Калий легко растворяется в воде. Он отдает электрон, с которым ему очень хотелось бы распрощаться, другим имеющимся в воде атомам. Так калий и плавает, имея положительный заряд, – в приятной компании молекул воды. В нашем теле калий нужен для проведения электрических сигналов по нервным путям[204]. Когда я смотрела на Мертвое море, попадавший мне в глаза свет запускал химическую реакцию: крошечные ворота в зрительном нерве выпускали и впускали калий в нервные клетки. Этот импульс распространялся по зрительному нерву до самого мозга, где схожие сигналы калия со скоростью света распространились по клеткам мозга, – так вид Мертвого моря запечатлелся у меня в памяти.
Так как калий растворяется в воде, мы регулярно его теряем: когда потеем, справляем нужду или плачем. Первый способ вернуть телу калий – есть содержащие его растения и мясо животных, которые употребляли подобные растения в пищу. Калий попадает в растения через корни, когда они всасывают воду, имеющуюся между частицами земли, в которой они растут. Если калий в этой воде не содержится, растения тоже не растут как положено.
Когда растения и животные погибают и остаются лежать на земле, их расщепляют крупные и мелкие живые организмы. Постепенно питательные вещества, имеющиеся в отмершем материале, впитают корни живых растений. Таким образом калий непрерывно переходит от одного живого существа к другому. Но, если осмотреть ограниченную территорию, например лес, это не совсем верно. Не получится избежать ситуации, когда какое-то питательное вещество из леса исчезает. Животное съедает растения в лесу, а погибает за его пределами. Листья с деревьев сдувает ветер. Почву и останки растений и животных вместе с содержащимися в них питательными веществами уносят в океан ручьи и реки.
Со временем потери калия могут привести к тому, что живых существ в лесу останется все меньше и меньше. К счастью, есть еще один источник калия – порода, на которой лес растет. В коренной породе содержится множество питательных веществ, необходимых для жизни. Возможно, именно этот кусок породы когда-то очень-очень давно лежал на дне океана, окруженный микроскопическими остатками другого леса. Когда порода выветривается, она ломается, и на минералах (их частицы становятся все более мелкими) грибы и бактерии трудятся над тем, чтобы высвободить питательные вещества, необходимые для поддержания жизни на поверхности. Потери неизбежны, но, пока от разрушения породы потери питательных веществ не превышают их поступления, жизнь на данной территории просуществует целую вечность.
Там, где люди занимаются сельским хозяйством, ситуация иная. Смысл выращивания зерна в том, чтобы растения брали энергию – от Солнца, углерод – из воздуха, а питательные вещества – из почвы, а затем переместить их с обрабатываемого участка туда, где живут люди. В обрабатываемой земле высвобождение питательных веществ посредством выветривания коренной породы идет слишком медленно, чтобы возместить то, что из земли извлекается. Можно опять внести питательные вещества в почву, сделав компост из остатков растений и удобрив почву навозом. И все же трудно восполнить все то, что мы извлекаем из земли, когда выращиваем продукты питания.
Вот что мы можем предпринять для поддержания способности земли давать пищу: помочь природе, сделав питательные вещества, содержащиеся в воздухе, воде и породе, более доступными. Это минеральные удобрения. Контролируя количество питательных веществ, получаемых землей, люди освободились от основополагающего ограничения, касающегося всех остальных живущих на Земле существ. Но пригодится ли это решение в будущем? Возможно ли, что запасы каких-то из этих химических элементов подойдут к концу?
Калий из воды
Калий – повсюду. Он растворен во всей имеющейся на земной поверхности воде, даже в дождевой. Соленая морская вода содержит намного больше калия, чем дождевая или пресная из рек и озер. И все же концентрация калия в океане слишком низкая для того, чтобы его прямая добыча оказалась выгодной. Для производства минеральных удобрений нам нужны источники с очень высокой концентрацией калия.
Сегодня калий добывают с тех территорий, откуда морская вода испарялась в течение тысяч и миллионов лет[205]. Большинство этих месторождений залегают глубоко в виде толстых слоев соли – остатков когда-то существовавших соляных озер. Если слои соли залегают близко к поверхности, их можно извлечь, чем и занимается горнодобывающая промышленность. Однако многие месторождения находятся глубоко, а когда механизмы углубляются в земную кору более чем на километр, стоимость добычи сильно возрастает. Поскольку калий легко растворяется в воде, задача решается с помощью закачки воды в расположенные в глубине слои соли. На поверхность вода выносит соль, которая затем оседает в испарительных бассейнах. Далее добыча идет так же, как в Мертвом море. На снимках со спутников подобные калийные рудники выглядят как промышленные объекты, окруженные синими и бирюзовыми водоемами, красивыми, но мертвыми. Крупнейший в мире производитель калия – Канада, за ней идут Россия, Беларусь и Китай. Лишь 5 % добываемого калия идет не на удобрения