Сельское хозяйство — выращивание растений для питания людей и на корм домашнему скоту — должно получать энергию от солнечного излучения, в частности от синей и красной частей видимого спектра[90]. Хлорофиллы и каротиноиды, чувствительные к свету молекулы в клетках растений, поглощают свет с этими длинами волн и используют его энергию для фотосинтеза, череды химических реакций, соединяющих углекислый газ, содержащийся в атмосфере, с водой, а также с небольшим количеством других элементов, в частности азотом и фосфором, для получения новой растительной массы — зерна, бобовых, корнеплодов, масличных растений и сахарной свеклы. Часть собранного урожая используется как корм для домашних животных при производстве мяса, молока и яиц; кроме того, источником животной пищи служат млекопитающие, пасущиеся на лугах, и морские животные, основой существования которых является фитопланктон, доминирующая растительная масса, созданная фотосинтезом водных растений[91].
Так было всегда с зарождения оседлого земледелия приблизительно 10 тысяч лет назад, но двести лет назад появление видов энергии, не связанных с солнцем, начало влиять на производство зерновых, а впоследствии и на добычу морских животных. Поначалу это влияние было незначительным, а заметным стало только в первых десятилетиях XX в.
Чтобы проследить за траекторией этого эпохального сдвига, мы подробно рассмотрим производство пшеницы в Америке на протяжении двух последних столетий. Но с таким же успехом я мог бы выбрать производство пшеницы в Англии или Франции, производство риса в Китае или Японии. Усовершенствование сельского хозяйства на возделываемых землях Северной Америки, Западной Европы и Восточной Азии происходило в разное время, но в сравнительной последовательности, основанной на данных из США, нет ничего уникального.
Три долины, два столетия
Начнем с долины Дженеси к западу от Нью-Йорка в 1801 г. Новой республике было всего 26 лет, но американские фермеры выращивали хлеб уже не совсем так, как их предки до эмиграции из Англии в Британскую Северную Америку несколько поколений назад; но в целом их методы не слишком отличались от тех, которые использовали в Древнем Египте 2 тысячи лет назад.
Процесс начинался с двух быков, впряженных в деревянный плуг, режущая кромка которого была усилена железной пластиной. Семена, сохраненные от предыдущего урожая, разбрасывались руками, а затем закапывались в землю с помощью тяжелой бороны. Засев одного гектара требовал 27 человеко-часов[92]. Но самая тяжелая работы была еще впереди. Урожай срезали серпами, колосья собирали и вручную связывали в снопы, которые устанавливали вертикально (в копны или стога) и оставляли сушиться. Затем снопы переносили в амбар и молотили, ударяя снопами о твердый пол; солому собирали, а зерно веяли (отделяли от мякины), взвешивали и загружали в мешки. Сбор урожая с одного гектара требовал не менее 120 человеко-часов.
На полный цикл производства зерна с 1 гектара тратилось около 150 часов ручного труда и около 70 часов работы быков. Урожайность составляла всего лишь 1 тонну с гектара, причем не меньше 10 % собранного зерна следовало отложить для посева на следующий год. В среднем для производства килограмма пшеницы требовалось 10 минут ручного труда, и из этого количества цельносмолотого зерна получалось 1,6 килограмма (две буханки) хлеба. Это тяжелый, медленный и неэффективный процесс — но для него не требуется никакой энергии, кроме солнечного излучения: выращенный урожай дает еду людям и корм животным, деревья дают древесину, топливо для приготовления пищи и обогрева, а также ее используют для получения древесного угля, необходимого для выплавки железа из руды и производства мелких металлических изделий, таких как пластины для плуга, серпы, косы, ножи и обода для деревянных колес. Выражаясь современным языком, этот тип сельского хозяйства не использует невозобновляемую энергию (ископаемое топливо) и требует минимума невозобновляемых материалов (железных деталей, камней для жерновов), а и выращивание урожая, и производство материалов основано только на возобновляемой энергии в виде мускульной силы человека и животных.
По прошествии столетия, в 1901 г., большую часть пшеницы выращивали на Великих Равнинах, и поэтому мы перемещаемся в долину Красной реки на востоке штата Северная Дакота. За два последних поколения заселение и индустриализация Великих Равнин значительно ускорились, и, хотя при выращивании пшеницы все еще используются тягловые животные, крупные фермы Дакоты уже в значительной степени механизированы. Упряжки из четырех лошадей тянут многолемешные стальные плуги и бороны, для посадки используются механические сеялки, механические устройства срезают колосья и связывают их в снопы, но копны по-прежнему складывают вручную. Снопы собирают и загружают в молотилки, приводимые в действие паровыми двигателями, а затем зерно отправляют в элеваторы. Весь процесс сбора урожая занимает около 22 часов на один гектар, примерно в семь раз меньше, чем в 1801 г.[93]. При таком экстенсивном развитии увеличивались посевные площади, но урожаи оставались низкими, на уровне 1 тонны на гектар, хотя для получения одного килограмма зерна теперь требовалось лишь около 1,5 минуты ручного труда людей (по сравнению с 10 минутами в 1801 г.), а 37 часов работы тягловых животных на гектар добавляли к этому времени еще 2 минуты.
Это была новая, гибридная разновидность сельского хозяйства, когда незаменимая солнечная энергия дополняется невозобновляемой энергией, получаемой в основном из угля. В новой системе труд людей заменялся трудом животных, а рабочим лошадям (и мулам на американском юге) требовался корм в виде зерна (в основном овса), а также травы и сена. Увеличение их поголовья существенно влияло на производство зерна в стране: приблизительно четверть сельскохозяйственных земель в Америке были заняты под фуражные культуры для тягловых животных[94].
Высокопродуктивное сельское хозяйство стало возможным благодаря растущему использованию энергии ископаемого топлива. Уголь перерабатывали в металлургический кокс, с помощью которого выплавляли чугун, который, в свою очередь, превращался в сталь в мартеновских печах (см. главу 3). Сталь была необходима для сельскохозяйственной техники, а также для производства паровых двигателей, рельсов, вагонов, локомотивов и судов. На угле также работали паровые двигатели, и он являлся источником тепла и электричества, требующихся для производства плугов, буров, уборочных приспособлений (а также первых комбайнов), вагонов и силосных башен, для работы железнодорожного и морского транспорта, доставлявшего зерно конечному потребителю. Появились первые неорганические удобрения — нитраты, импортируемые из Чили, и фосфаты из Флориды.
В 2021 г. лидером по производству пшеницы стал штат Канзас, и поэтому мы перемещаемся в долину реки Арканзас. В этом сердце пшеничного края Америки фермы теперь в 3 или 4 раза крупнее, чем были 100 лет назад[95], и при этом большую часть полевых работ выполняют один или два человека, управляющие сельскохозяйственными механизмами. Министерство сельского хозяйства США прекратило подсчет поголовья тягловых животных в 1961 г., и в настоящее время полевые работы выполняют мощные тракторы — многие модели имеют мощность более 400 лошадиных сил и снабжены восемью гигантскими колесами — трактора тянут за собой разнообразные агрегаты, от стальных плугов (с большим числом лемехов) до сеялок и подкормщиков[96].
Семена поставляют специализированные фирмы, а ростки получают оптимальное количество неорганических удобрений — в первую очередь много азота в виде аммиака или мочевины, — а также целенаправленно защищаются от насекомых, грибка и сорняков. Жатва с одновременным обмолотом выполняется большими комбайнами, которые насыпают зерно непосредственно в грузовики для перевозки на элеваторы и продажи по всей стране или транспортировки в Азию или Африку. Теперь производство пшеницы требует всего 2 человеко-часа на гектар (по сравнению со 150 в 1801 г.), а урожайность составляет от 3 до 5 тонн с гектара — при пересчете на трудозатраты это менее двух секунд на килограмм зерна[97].
Сегодня многие с восхищением говорят о совершенствовании современных компьютеров («огромная скорость обработки данных») или телекоммуникации («гораздо быстрее») — а как насчет урожайности? За двести лет трудозатраты на производство одного килограмма американской пшеницы уменьшились с 10 минут до менее 2 секунд. Именно так на самом деле функционирует наш мир. Как уже упоминалось выше, аналогичные расчеты снижения трудоемкости, повышения урожайности и роста эффективности можно выполнить для китайского или индийского риса. Временные рамки будут другими, но результаты похожими.
Большинство достойных восхищения и действительно замечательных достижений, полностью изменивших промышленность, транспорт, связь и повседневную жизнь, были бы невозможны, если бы 80 % людей по-прежнему жили в сельской местности, обеспечивая себя куском хлеба (в 1800 г. доля сельского населения в Америке составляла 83 %) или чашкой риса (в Японии в 1800 г. в деревнях жили почти 90 % населения). Путь к современному миру начался с недорогих стальных плугов и неорганических удобрений, и нам стоит немного углубиться в этот вопрос, чтобы объяснить их незаменимый вклад в развитие общества, который наша сытая цивилизация принимает как данность.
Во что это обходится
У доиндустриального сельского хозяйства, основанного на мускульной силе человека и животных и использовавшего простые деревянные и железные орудия, был единственный источник энергии — солнце. Сегодня, как и всегда, сельское хозяйство основано на фотосинтезе под действием солнечных лучей, но высокие урожаи, получаемые с минимальными затратами труда и, следовательно, с беспрецедентно низкими затратами, были бы невозможны без прямого и косвенного поступления энергии от ископаемых источников. Часть этой антропогенной энергии имеет форму электричества, которое может генерироваться из угля, природного газа или возобновляемых источников, но большая ее