Еда, население, развитие
11Кормление мира
Основной целью [сельского хозяйства] является производство азота, в любой форме усваиваемого растениями.
Машина, которая изменила мир
По сравнению с полетом первого самолета братьев Райт или взрывом первой атомной бомбы появление июльским днем 1909 г. нескольких бесцветных капель жидкости на выходе сложного аппарата в лаборатории в городе Карлсруэ (Германия) звучит не очень впечатляюще. Но это событие ознаменовало собой технологический прорыв, который, возможно, оказал наибольшее влияние на человечество в XX в. Жидкостью был аммиак, а аппарат на столе синтезировал его из составляющих элементов – водорода и азота. Этот эксперимент впервые доказал, что производство аммиака может быть осуществлено в большом масштабе. Открытие источника очень ценного и необходимого удобрения позволило увеличить продовольственные запасов и, как следствие, расширить возможности человеческой популяции.
Связь между аммиаком и питанием человека – азот, жизненно важный строительный блок всей растительной и животной ткани. Это питательное вещество отвечает за вегетативный рост и содержание белка в зернах хлебных злаков – основных культур, от которых зависит питание человека. Конечно, растениям нужно много питательных веществ, но на практике их рост ограничен доступностью наименее распространенного питательного вещества – азота. Для зерновых дефицит азота приводит к задержке роста, пожелтению листьев, снижению урожайности и низкому содержанию белка. Напротив, обилие доступного азота способствует росту растения, увеличению урожайности и содержания белка. Азотные соединения (такие как белки, аминокислоты и ДНК) также играют важную роль в обмене веществ растений и животных; азот присутствует в каждой живой клетке. Люди зависят от десяти аминокислот, каждая из которых построена вокруг атома азота, обеспечивающего синтез белков в организме, необходимых для роста и поддержания тканей. Подавляющее большинство этих важных аминокислот поступает из сельскохозяйственных культур или из продуктов, полученных от животных, питающихся этими культурами. Недостаточный запас необходимых аминокислот приводит к задержке умственного и физического развития. Одним словом, азот является ограничивающим фактором доступности основных продуктов питания человека и влияет на его питание.
Способность синтезировать аммиак в сочетании с новыми специально выведенными высокопродуктивными сортами семян, хорошо реагирующих на химические удобрения, позволила снять это ограничение и проложить путь к непредсказуемому увеличению численности населения – с 1,6 млрд до 6 млрд человек в течение XX в. Внедрение химических удобрений и высокопродуктивных семян в развивающихся странах начиная с 1960-х гг. сегодня известно как «зеленая революция». Без удобрений, питающих зерновые культуры и способствующих увеличению производства продуктов питания (оно выросло в семь раз, тогда как население – в 3,7 раза), сотни миллионов людей столкнулись бы с недоеданием или голодом, и развитие истории могло бы пойти по другому руслу.
«Зеленая революция» имела удивительный результат. Она вызвала демографический бум, помогла вывести сотни миллионов людей из бедности, подкрепила историческое возрождение азиатских экономик и быструю индустриализацию Китая и Индии. Все это события, которые трансформировали геополитику. В то же время социальные и экологические побочные эффекты вызвали неоднозначную реакцию на «зеленую революцию». Ее критики утверждают, что она разрушила традиционные методы ведения сельского хозяйства, поставила фермеров в зависимость от дорогих семян и химикатов, поставляемых западными компаниями. Сомнения также были высказаны относительно долгосрочной устойчивости химически интенсивного сельского хозяйства. А вот на вопрос, к лучшему или к худшему привела «зеленая революция», без сомнений, можно ответить, что она сделала больше, чем просто изменила мировое продовольственное снабжение во второй половине XX в., – она изменила мир.
Тайна азота
Истоки «зеленой революции» лежат в XIX в., когда ученые впервые пришли к пониманию решающей роли азота в питании растений. Азот является основным ингредиентом воздуха – по объему он составляет 78 % атмосферы, остальное – в основном кислород (21 %) плюс небольшое количество аргона и углекислого газа. Впервые азот был обнаружен в 1770-х гг. учеными, исследовавшими свойства воздуха. Они установили, что газообразный азот был в основном инертен и что животные, помещенные в азотную атмосферу, задыхались. Научившись выделять азот, ученые также обнаружили, что он присутствует в изобилии как у растений, так и у животных и, очевидно, имеет важное значение для поддержания жизни. В 1836 г. французский химик Жан Батист Буссенго, проявлявший особый интерес к химическим основам сельского хозяйства, измерил содержание азота в десятках веществ, в том числе в обычных продовольственных культурах, различных формах навоза, засохшей крови, костях и рыбных отходах. В серии экспериментов он доказал, что эффективность различных форм удобрений была напрямую связана с содержанием азота. Это было странно, учитывая, что атмосферный азот был инертным. Там должен был быть какой-то механизм, который превращал неактивный азот в атмосфере в реактивную форму, которая могла быть использована растениями.
Некоторые ученые предположили, что это молнии создают реактивный азот, разрушая стабильные молекулы азота в воздухе, другие – что там могут быть следы аммиака, самого простого соединения азота в атмосфере. Кто-то полагал, что растения каким-то образом поглощают азот из воздуха напрямую. Буссенго взял стерилизованный песок, не содержавший азота, вырастил на нем клевер и обнаружил, что азот присутствует в песке. Это говорило о том, что бобовые, такие как клевер, могут каким-то образом захватывать (или фиксировать) азот из атмосферы напрямую. Последовали дальнейшие эксперименты, и в 1885 г. еще один французский химик Марселен Бертло продемонстрировал, что невозделанная почва также была способна фиксировать азот, но теряла эту способность, если была стерилизована. Это свидетельствовало о том, что фиксация азота – это свойство чего-то в почве. Но если это так, то почему бобовые растения также способны фиксировать азот?
Тайна была раскрыта двумя немецкими учеными – Германом Хелльригелем и Германом Уилфартом в 1886 г. Если фиксация азота – это способность почвы, рассуждали они, то она должна передаваться растению. Они поместили растения гороха (другой вид бобовых) в стерилизованную почву, а в некоторые горшки добавили плодородную почву. Растения гороха в стерильной почве засохли, но те, к которым была добавлена плодородная почва, развивались хорошо. Зерновые культуры, однако, не отреагировали на применение почвы таким же образом, хотя сильно реагировали на соединения нитратов. Два Германа пришли к выводу, что фиксация азота была произведена микробами в почве и что узелки на корнях бобовых были именно теми местами, где селились микробы. Другими словами, микробы и бобовые вступали в так называемые симбиотические отношения (взаимовыгодные полезные связи между организмами. – Прим. перев.). Позже ученые обнаружили азотофиксирующие микробы, которые симбиотичны с пресноводными папоротниками и поставляют ценный азот растениям на азиатских рисовых полях. Такие же отношения у азотофиксирующих микробов с сахарным тростником, что объясняет возможность сбора растений с одного участка в течение многих лет без использования удобрений.
Была объяснена также важнейшая роль азота как питательного вещества для растений. Одним словом, растения нуждаются в азоте, а определенные микробы в почве могут захватить его из атмосферы и сделать доступным для них. К тому же бобовые могут использовать второй источник азота, а именно азот, который фиксируется микробами, живущими в их корневых узлах. Все это наконец прояснило вопрос, почему работают давно сложившиеся методы ведения сельского хозяйства, поддерживающие плодородие почвы. Когда, например, землю оставляют под паром на год или два, именно микробы восполняют в почве запасы азота. Фермеры могут также пополнять почвенный азот, перерабатывая и внося в почву различные органические отходы (включая растительные остатки, навоз животных и человеческие экскременты), то есть все, что содержит небольшое количество химически активного азота, или выращивая бобовые растения, такие как горох, фасоль, чечевица или клевер.
Эти методы были открыты фермерами по всему миру тысячи лет назад. Горох и чечевица выращивались вместе с пшеницей и ячменем на Ближнем Востоке, когда сельское хозяйство было еще в зачаточном состоянии. Фасоль и горох ротировались с пшеницей, просом и рисом в Китае. В Индии чечевицу, горох и нут сажали в очередь с пшеницей и рисом; в Новом Свете бобы чередовались с кукурузой. Иногда бобовые растения просто запахивались в почву. Фермеры не знали, почему все это работало, но они знали, что это надо делать. В III в. до н. э. греческий ботаник и философ Феофраст отметил, что «бобовые лучше всего стимулируют землю» и что «народ Македонии и Фессалии пашет землю, когда она цветет». Точно так же Катон Старший, римский писатель, живший во II в. до н. э., знал о благотворном влиянии бобовых культур на плодородие почвы. Он советовал их сажать не столько для немедленного получения урожая, сколько для обогащения почвы. Колумелла, римский писатель и агроном I в., также ратовал за использование гороха, нута, чечевицы и других бобовых для тех же целей. И в китайском справочнике по агрономии «Ци минь яо шу», который, вероятно, датируется I в. до н. э., рекомендуется выращивать и вспахивать бобы адзуки. В то время фермеры не понимали, что бобовые гораздо эффективнее обогащают почву, чем навоз, содержащий, как правило, от 1 до 2 % азота по весу.
Открытие роли азота в питании растений совпало с осознанием в середине XIX в. неизбежной необходимости повышать урожайность в сельском хозяйстве. Между 1850 и 1900 гг. население в Западной Европе и Северной Америке выросло с 300 млн до 500 млн человек. Чтобы не отставать от этого роста, приходилось расширять производство продовольствия путем выделения большего количества земли под выращивание зерновых на Великих равнинах Америки, в Канаде, в русских степях и в Аргентине. Это, конечно, позволяло увеличивать производство пшеницы и кукурузы, но трудно было сказать, насколько далеко может зайти этот процесс и сколько свободной земли еще может понадобиться. К началу XX в. ее оставалось не так много, и потому необходимо было найти способ получения большего количества еды на единицу площади – другими словами, увеличивать урожайность. Учитывая существующую взаимосвязь между ростом растений и наличием азота, один способ сделать это был очевиден – увеличить запас азота. Других путей пока не было. Производство навоза от животных в данном случае не годилось, потому что животные нуждаются в пище, которая, в свою очередь, требует земли. Посев бобовых не вполне подходил для обогащения почвы, так как тогда земля не могла быть использована для выращивания чего-либо еще. Итак, начиная с 1840-х гг. появился спрос на новые, внешние источники азотных удобрений.
Затвердевшие птичьи экскременты с тропических островов, известные как гуано, использовались в качестве удобрения на западном побережье Южной Америки веками. Анализ показал, что в нем содержание азота было в 30 раз выше, чем в навозе. В течение 1850-х гг. импорт гуано в Британию вырос с нуля до 200 тыс. тонн в год, а поставки в США составили в среднем 76 тыс. тонн в год. «Закон об островах гуано», принятый в 1856 г., разрешил гражданам США захватывать любые необитаемые острова или скалы, на которых были залежи гуано, при условии что они не находятся в пределах юрисдикции любого другого государства. Вспыхнула «гуанолихорадка» – старатели прочесывали моря и океаны в поисках источников этого ценного материала. Но к началу 1870-х гг. стало ясно, что его запасы быстро истощаются. («Этот материал, бывший когда-то магическим средством, в настоящее время представляет собой лишь академический интерес в связи с быстрым истощением его запасов», отмечала в 1911 г. Британская энциклопедия.) В результате акцент сместился в сторону другого источника азота – огромных залежей селитры (нитрата натрия), обнаруженных в Чили. Ее экспорт стал быстро увеличиваться, и в 1879 г. началась Тихоокеанская война между Чили, Перу и Боливией за владение богатым селитрой регионом в пустыне Атакама. (Чили взяла верх в этом споре в 1883 г. и лишила Боливию прибрежной провинции. Кстати, страна с тех пор не имеет выхода к морю).
Однако даже после окончания боевых действий опасения в долгосрочной безопасности поставок сохранялись. По прогнозам 1903 г., поставки селитры должны были закончиться к 1938 г. Прогнозы оказались неверными – количества селитры, учитывая уровень ее потребления в то время, хватило бы еще на 300 лет, однако многие люди верили прогнозам. Кроме того, селитра была востребована не только как удобрение, но и как элемент взрывчатки, в которой реактивный азот был жизненно важным ингредиентом. Многие страны осознали, что их способность вести войны, а также прокормить свое население зависела от надежных поставок реактивного азота. Больше всего волновалась Германия. Она была крупнейшим импортером чилийской селитры в начале XX в., и география поставок делала ее уязвимой в случае военно-морской блокады. Так что именно в Германии гигантские усилия были направлены на поиски новых источников реактивного азота.
Одним из подходов было получение его из угля, содержащего небольшое количество азота, остающегося от биомассы, из которой он первоначально формируется. При нагреве угля в отсутствие кислорода азот освобождается в виде аммиака. Но в этом случае выход азота был очень небольшим и не стоил затраченных усилий. Другой подход – симулирование молнии и использование высокого напряжения для генерации искры, которая бы превращала азот в воздухе в более активную закись оксида азота. Все говорило в пользу этого варианта, однако процесс был очень энергоемким и поэтому зависел от наличия дешевой электроэнергии (например, там, где были избытки мощностей от гидроэлектростанций). Так что импортная чилийская селитра осталась основным источником азота в Германии. Британия была в аналогичной ситуации. Как и Германия, она была также крупным импортером нитратов и делала все возможное, чтобы извлечь аммиак из угля. Несмотря на усилия по увеличению сельскохозяйственного производства, обе страны опирались на импортную пшеницу.
В своей речи на ежегодной конференции Британской ассоциации по развитию науки, проходившей в 1898 г., английский химик и президент ассоциации Уильям Крукс подчеркнул очевидную актуальность проблемы. Прошло 100 лет после того, как Томас Мальтус предупреждал о том, что «цивилизованные народы подвергаются смертельной опасности оказаться без еды». С тех пор в условиях растущей зависимости Великобритании от импорта пшеницы не было найдено никакой альтернативы, кроме как найти способ увеличить урожайность. «Пшеница требует азота», – заявил Крукс. Но возможности для увеличения использования навоза или бобовых не было, а удобрений, полученных из угля, было недостаточно. Имея в виду чилийскую селитру, он заметил: «Мы тратим капитал Земли, и наши действия не будут одобрены потомками… Азота достаточно в воздухе – если бы только был найден способ, чтобы получить его».
«Фиксация азота имеет жизненно важное значение для прогресса цивилизованного человечества, – отметил Крукс. – Именно химики должны спасти всех, именно в лабораториях голод в конечном счете может быть побежден».
Продуктивный спор
В 1904 г. Фрицу Габеру, тридцатипятилетнему химику-экспериментатору из Высшей технической школы в Карлсруэ, было предложено провести ряд исследований по заданию венской химической компании. Он должен был определить, может ли аммиак быть синтезирован из его составных элементов – водорода и азота. Результаты предыдущих экспериментов были неудачны, и многие думали, что прямой синтез невозможен. Габер и сам был настроен довольно скептически и ответил, что стандартным способом получения аммиака является его добыча из угля, и это самый простой подход. Но он все равно решил попробовать. Его первые эксперименты показали, что азот и водород действительно могут образовывать аммиак при высокой температуре (около 1000 °С, или 1832° по Фаренгейту) в присутствии железа в качестве катализатора. Но доля образовавшегося аммиака была очень мала: между 0,005 и 0,0125 %. Поэтому Габер решил, что ответ на вопрос, возможен ли прямой синтез, положителен, но не имеет практического применения.
И все это так бы и оставалось, если бы не Вальтер Герман Нернст, другой немецкий физикохимик, профессор физической химии в Гёттингене. И хотя он был всего на четыре года старше Габера, Нернст уже был выдающимся ученым, внесшим важный вклад в науку. А кроме этого он изобрел новый вид лампочки на основе керамической нити и электрическое пианино со звукоснимателем в гитарном стиле, хотя ни одно из его изобретений не имело коммерческого успеха. Нернст наиболее известен тем, что в 1906 г. предложил «тепловую теорему» (теперь известную как третий закон термодинамики), которая принесла ему Нобелевскую премию по химии в 1920 г. Проблема была в том, что по прогнозу Нернста доля образовавшегося аммиака составляла 0,0045 %, что было ниже, чем получил Фриц Габер в лаборатории. То есть результат Габера не соответствовал оценке (расчету) Нернста, который и сообщил Габеру об этом несоответствии. Габер повторил свой эксперимент и получил более точный результат: на этот раз доля производимого аммиака составила 0,0048 %. Большинство людей сочли бы это приемлемым и близким значением к прогнозируемому показателю Нернста, но сам он так не считал. Когда Габер представил свои новые результаты на конференции в Гамбурге в 1907 г., Нернст публично оспорил их, предположив, что экспериментальный метод был ошибочным и призвал Габера отозвать как старый, так и новый результат.
Фриц Габер
Габер был очень огорчен этим публичным заявлением более опытного ученого и даже заболел. Он решил, что единственный способ восстановить репутацию – это выполнить новую серию экспериментов, чтобы доказать свою правоту. Во время этих экспериментов он и его помощник Роберт Ле Россиньоль обнаружили, что выход аммиака резко увеличивается, если проводить реакцию при более высоком давлении, но более низкой температуре, чем та, которую они задали в своем первом эксперименте. Они рассчитали, что повышение давления до 200 атмосфер и понижение температуры до 600 °С (1112° по Фаренгейту) должны давать выход аммиака 8 %, а это уже было коммерчески оправданным. Спор с Нернстом показался тривиальным в сравнении с этими результатами и был быстро забыт, а Габер и Ле Россиньоль начали создавать новый аппарат, который, как они надеялись, сможет произвести нужное количество аммиака. В его центре была напорная труба высотой 75 сантиметров и диаметром 13 сантиметров в окружении насосов, манометров и конденсаторов. Габер усовершенствовал свой аппарат, а затем пригласил представителей химической компании BASF, которая к тому времени финансировала его работу.
Решающая демонстрация состоялась 2 июля 1909 г. в присутствии двух сотрудников BASF – Алвина Митташа и Юлиуса Кранца. Утром в процессе демонстрации вылетел один из болтов в реакторе высокого давления, что потребовало ремонта в течение нескольких часов. Но ближе к вечеру аппарат начал работать при 200 атмосферах и около 500 °С, и это привело к выходу аммиака 10 %. Митташ в волнении сжал руку Габера в тот момент, когда появились бесцветные капли жидкого аммиака. К концу дня машина произвела 100 куб. сантиметров аммиака. Ликующий Габер написал в BASF на следующий день: «Вчера мы начали работать с большим аммиачным аппаратом с циркуляцией газа в присутствии доктора Митташа и смогли сохранить производство непрерывным в течение пяти часов. Все это время он работал без сбоев и непрерывно производил жидкий аммиак. Из-за опоздания в несколько часов и так как мы все устали, мы остановили производство, потому что уже ничего нового нельзя было узнать из продолжения эксперимента».
Экспериментальный аппарат Габера
Синтез аммиака в больших масштабах оказался осуществимым. BASF поставила задачу преобразовать работу настольного аппарата Габера в крупномасштабный промышленный процесс под высоким давлением своему химику-технологу Карлу Бошу. Он должен был решить, как генерировать два исходных газа (водород и азот) в больших количествах и по разумной стоимости, найти подходящие катализаторы и, самое сложное, разработать большие стальные сосуды, способные выдерживать огромное давление, требуемое для реакции. Первые два аппарата, построенные Бошем, были примерно в четыре раза больше, чем аппарат Габера. Однако они оказались неудачными. Их трубки высокого давления, необходимые для получения реакции, взорвались примерно через 80 часов работы, хотя и были заключены в железобетон. Бош понял, что водород под высоким давлением восстанавливает углерод в стали, и материал трубок теряет свою прочность и коррозионную стойкость. Его команда также разработала новые виды предохранительных клапанов для работы при высоких давлении и температуре. Были созданы детально продуманные системы теплообмена, способные сократить расход энергии, требуемой для синтеза. Кроме того, были разработаны приспособления, позволившие тестировать большое количество различных материалов-катализаторов. В течение 1910 и 1911 гг. конвертеры Боша постепенно становились больше, хотя все еще производили лишь несколько килограммов аммиака в день. Только в феврале 1912 г. объем дневного производства превысил одну тонну.
Карл Бош
К этому времени Габер и BASF были атакованы соперниками, которые оспаривали патенты Габера на процесс синтеза аммиака. Главным среди них был Вальтер Нернст, чей спор с Габером побудил последнего разработать новый процесс. Некоторые из работ Габера были основаны на более ранних экспериментах Нернста, поэтому BASF предложил Нернсту «отступные» в 10 тыс. марок в год в течение пяти лет в знак признания этого. В ответ Нернст согласился не оспаривать патенты Габера, а все другие претензии к нему были впоследствии отвергнуты судами.
Тем временем все более крупные конвертеры, способные производить от трех до пяти метрических тонн в день, были запущены на новом производстве BASF в городке Оппау. В них были объединены оригинальные методы Габера и инновационные разработки Боша для производства аммиака – азота из воздуха и водорода из угля. Теперь это известно как процесс Габера–Боша. К 1914 г. завод в Оппау был способен производить почти 20 метрических тонн аммиака в день, или 7200 метрических тонн в год, а затем он мог быть переработан в 36 тыс. метрических тонн сульфатных удобрений. Но Первая мировая война, начавшаяся в августе 1914 г., изменила ход событий: большая часть аммиака, производимого на заводе, пошла на производство взрывчатых веществ, а не удобрений. (Германские поставки селитры из Чили были прерваны после серии морских сражений, в которых победу одержали англичане.)
Война высветила два варианта использования достижений химии: с одной стороны, поддерживать жизнь, с другой – разрушать ее. Перед Германией тоже встал вопрос – использовать свой новый источник синтетического аммиака для увеличения производства продуктов питания или для снабжения армии боеприпасами. Некоторые историки даже предположили, что без достижений Габера–Боша селитра в Германии закончилась бы к 1916 г. и война завершилась бы намного раньше. Немецкое производство аммиака резко возросло после 1914 г., но большую часть его поставок использовали для выпуска боеприпасов, так что поддерживать производство продуктов питания оказалось невозможным. Поэтому повсюду ощущалась нехватка продовольствия, которая способствовала упадку морального духа людей, а затем и поражению Германии в 1918 г.
Сам Габер является поразительным воплощением конфликта между конструктивным и разрушительным использованием химии. Во время войны он обратил внимание на разработку химического оружия, в то время как Бош сосредоточился на увеличении производства аммиака. Габер наблюдал первое успешное широкомасштабное применение химического оружия в апреле 1915 г., когда Германия использовала газообразный хлор против французов и канадцев в битве при Ипре, результатом которой стала гибель около 5 тыс. человек. Габер утверждал, что убивать людей с помощью химикатов было не хуже, чем убивать их любым другим оружием. В то же время он полагал, что использование его достижений поможет прекратить войну. Но его жена, Клара Иммервар, которая сама была химиком, категорически отвергла такой подход, причем настолько, что застрелилась из пистолета своего мужа в мае 1915 г. Но уже в 1918 г. Габер получил Нобелевскую премию по химии за новаторскую работу по синтезу аммиака и развитию его потенциала в сельском хозяйстве. Многие ученые выступали против вручения ему этой премии, но Шведская королевская академия наук, присудившая эту награду, оценила разработку Габера как «чрезвычайно важное средство улучшения стандартов сельского хозяйства и благополучия человечества». Это был удивительно точный прогноз, если учитывать влияние, которое оказали удобрения, полученные с использованием процесса Габера в последующие десятилетия. Но факт остается фактом. Человек, который сделал возможным резкое увеличение народонаселения в мире, вспоминается как один из отцов химической войны.
Когда ученые Британии и других стран попытались во время войны воспроизвести процесс Габера–Боша, у них ничего не получилось, потому что важные технические детали в соответствующих патентах были опущены. После войны эти патенты были конфискованы, а работа заводов BASF обстоятельно изучена иностранными инженерами, ведущими строительство аналогичных заводов в Великобритании, Франции и США. В результате в течение 1920-х гг. процесс был не только изучен, но и усовершенствован. Теперь можно было использовать метан из природного газа, а не уголь как источник водорода. К началу 1930-х годов процесс Габера–Боша победил чилийскую селитру и стал доминирующим источником искусственных удобрений. Более того, с 1910 по 1938 г. мировое потребление удобрений утроилось. Используя в течение тысячелетий почвенные микробы, бобовые и навоз, человечество решительно взяло под контроль азотный цикл. Вторая мировая война подтолкнула к строительству еще большего числа аммиачных заводов, что давало возможность удовлетворить спрос на взрывчатые вещества. Это означало, что после окончания войны в 1945 г. еще больше возможностей открывалось для производства удобрений. Таким образом была подготовлена почва для дальнейшего (драматического) увеличения производства, а следовательно, использования искусственных удобрений. Но если в дальнейшем ставка делалась на увеличение производства продовольствия, то необходимо было найти способ выведения новых сортов семян.
Восстание карликов
Наличие искусственных удобрений позволило фермерам вносить гораздо больше азота в почву. Для зерновых, таких как пшеница, кукуруза и рис, это означало большие, более тяжелые семенные головки, что в свою очередь означало более высокие урожаи. Но теперь, когда они больше не были ограничены в азоте, фермеры столкнулись с новой проблемой. Так как использование удобрения привело к увеличению размера и массы семенных головок, вырос также риск того, что растение повалится или, как говорят фермеры, ляжет. Поэтому надо было найти баланс между большим количеством вносимых удобрений (для повышения урожайности) и устойчивостью длинных стеблей, способных поддерживать семенные головки. Очевидным решением был переход на короткие, или карликовые, сорта растений с более короткими стеблями. Кроме устойчивости такие сорта не тратят энергию на рост длинного стебля, поэтому больше энергии могут отдавать семенам. Благодаря этому повышается урожайность зерновых. Различаются два способа ее роста: использование большего количества удобрений или переход на удобрения, более эффективно действующие на полезное зерно, а не на бесполезный стебель.
В течение XIX в. карликовые сорта пшеницы, вероятно, полученные от корейского сорта, развивались в Японии. Они сильно впечатлили Горация Капрона, комиссара по вопросам сельского хозяйства США, посетившего Японию в 1873 г. «Независимо от того, сколько навоза используется… на самых богатых почвах и с самым высоким урожаем, стебли пшеницы никогда не ложатся», – отметил он. В начале XX в. эти сорта японских карликов были скрещены с сортами из других стран. Один из полученных сортов, Норин-10, был гибридом японской пшеницы и двух американских сортов. Он был разработан в Японии на селекционной станции Норин и был передан в Соединенные Штаты после Второй мировой войны. Норин-10 имел необычно короткие, сильные стебли (примерно два фута); он хорошо реагировал на обильное применение азотных удобрений. Но сорт был подвержен болезням, поэтому агрономы разных стран начали скрещивать его с местными сортами. Это привело к появлению новых высокоурожайных сортов пшеницы, пригодных для использования в разных частях света. В промышленно развитых странах, где использование азотных удобрений росло быстро, новые сорта, полученные от Норина-10, дали впечатляющее увеличение урожайности. Одновременно с этим росли темпы распространения новых высокоурожайных сортов кукурузы, причем настолько быстро, что в 1950-х гг. министр сельского хозяйства США жаловался на то, что страна накапливала «обременительные излишки» зерна, хранение которого стоило дорого.
В развивающихся странах для распространения новых сортов-карликов больше, чем кто-либо другой, сделал американский ученый-селекционер Норман Борлоуг. В 1944 г. он отправился в Мексику от Рокфеллеровского фонда, который создал там сельскохозяйственную исследовательскую станцию. Фонд пришел к выводу, что повышение урожайности было наиболее эффективным способом оказания сельскохозяйственной и экономической помощи, а также уменьшения зависимости страны от импорта зерна. Борлоуг отвечал за повышение урожайности пшеницы, и его первой задачей была разработка сорта, устойчивого к болезни, называемой стеблевой ржавчиной. В то время это была большая проблема для Мексики, так как в два приема (между 1939 и 1942 гг.) она буквально выкосила мексиканскую пшеницу. Борлоуг вывел сотни сортов, скрещенных с местными сортами, которые демонстрировали хорошую устойчивость к стеблевой ржавчине, а также обеспечивали высокую урожайность. За несколько лет он вырастил устойчивые сорта, урожайность которых на 20–40 % превышала урожайность традиционных для Мексики сортов.
Норман Борлоуг
Мексика была отличным полигоном для научных исследований. Борлоуг пришел к выводу, что один урожай пшеницы может быть выращен в горной местности летом и еще один – на равнине зимой. Он разработал систему под названием «челночное разведение», которая давала всей стране самые оптимистичные надежды. В частности, она нарушила традиционное правило разводить растения только там, где они будут впоследствии высажены. В результате это ускорило процесс размножения, так как Борлоуг мог производить два поколения растений в год, а не одно. У его схемы была еще одна неожиданная выгода: получающиеся сорта цвели как зимой, так и летом, а это значит, что можно было не волноваться из-за количества часов дневного света между двумя сезонами. Таким образом, потомство этих растений впоследствии может выращиваться в регионах с широким спектром климатических условий.
В 1952 г. Борлоуг узнал о работе, проводимой с Норин-10, и уже в следующем году получил эти семена из Америки. Он начал скрещивать свои новые мексиканские сорта с Норин-10 и с новым сортом, который был создан путем скрещивания Норин-10 с американской пшеницей Бревор. За несколько лет он разработал еще один сорт пшеницы, не чувствительной к продолжительности дня и обладающей хорошей устойчивостью к болезням. При использовании азотных удобрений новый сорт мог удвоить урожайность по сравнению с традиционными мексиканскими сортами. Борлоуг хотел и дальше проводить опыты по улучшению сортов, но любопытные местные фермеры, посещавшие его исследовательскую станцию, брали образцы новых сортов, сеяли их, а потом они быстро распространялись. Свои новые семена Борлоуг выпустил в 1962 г. А уже в следующем году 95 % пшеницы в Мексике были основаны на одном из его новых сортов; ее урожай был в шесть раз больше, чем 19 лет назад, когда он только приехал в страну. Вместо импорта от 200 тыс. до 300 тыс. тонн пшеницы в год, как это было в 1940-х гг., Мексика экспортировала 63 тыс. тонн пшеницы в 1963 г.
После такого успеха в Мексике Борлоуг посчитал, что его новые высокоурожайные сорта карликовой пшеницы смогут прижиться и давать такие же урожаи в других развивающихся странах. В частности, он предложил свою помощь Индии и Пакистану, которые страдали от плохих урожаев, нехватки продовольствия и продовольственной зависимости от иностранных государств. Предложение Борлоуга было спорным, потому что фермеры стали бы выращивать не местные культуры, а пшеницу, так как она дает более высокие урожаи и обладает большей калорийностью. Борлоуг утверждал, что южноазиатские фермеры добьются несравненно больших успехов, если будут выращивать пшеницу высокоурожайных сортов и воспользуются дешевыми азотными удобрениями, а не будут пытаться увеличивать урожайность местных культур. Индийский генетик Монкомбу Самбасиван Сваминатан, занимавший должность советника министра сельского хозяйства, пригласил Борлоуга посетить Индию. Ученый прибыл в Индию в марте 1963 г. и начал продвигать свою мексиканскую пшеницу. Для начала были засеяны небольшие участки, которые в 1964 г. дали впечатляющие результаты. После орошения и внесения азотных удобрений урожайность на этих участках была примерно в пять раз выше, чем там, где были посеяны местные индийские сорта, дававшие обычно около одной тонны зерна с гектара. Сваминатан позже вспоминал, что «когда мелкие фермеры, принимавшие участие в Национальной демонстрационной программе, собрали более пяти [тонн] пшеницы с гектара, это сильно повлияло на умы других фермеров. Появился безудержный спрос на семена».
Еще один впечатляющий урожай в начале 1965 г. побудил индийское правительство заказать 250 тонн семян из Мексики для дальнейших испытаний. Более широкое принятие новых семян сдерживалось политическими и бюрократическими соображениями. Поворотный момент наступил в 1965 г., когда муссон, который обычно бывает с июня по сентябрь, не пришел. Это привело к падению урожая зерновых почти на одну пятую и погрузило Индию в еще большую продовольственную зависимость от иностранных государств. Правительство отправило чиновников в Мексику, чтобы разместить заказ на 8 тыс. тонн новых семян пшеницы. Этого было достаточно, чтобы засеять около 3 % всех площадей, выделенных в стране под пшеницу. Когда корабль с семенами отправился в Бомбей, разразилась война между Индией и Пакистаном, и продовольственный кризис охватил весь регион. А к тому времени, когда семена были выгружены в сентябре, было уже очевидно, что муссона не будет и в этом году.
Сочетание политической нестабильности, роста населения и засухи в Южной Азии породило новую вспышку мальтузианства в конце 1960-х гг. В развивающихся странах население росло в два раза быстрее, чем запасы продовольствия. Знатоки предсказывали неизбежность катастрофы. В своей книге «Голод-1975!», вышедшей в 1967 г., Уильям и Пол Паддоки утверждали, что некоторые страны, в том числе Индия, Египет и Гаити, уже никогда не смогут прокормить себя и потому обречены на голод. В том же году пятая часть урожая пшеницы Соединенных Штатов была отправлена в Индию в качестве экстренной продовольственной помощи. «Битва за то, чтобы накормить все человечество, закончилась», – заявил Пол Эрлих в своем бестселлере «Популяционная бомба», опубликованном в 1968 г. Он предсказал, что «в 1970–1980-х гг. сотни миллионов людей умрут от голода, несмотря на все спасательные программы, которые начались сейчас». Он давал особенно мрачные прогнозы относительно Индии, заявив, что она «не сможет накормить 200 млн человек к 1980 г.».
Как и в случае с предсказаниями Томаса Мальтуса почти два столетия назад, технологии, опровергшие эти мрачные прогнозы, тихо делали свое дело. После введения высокопродуктивных сортов Борлоуга, полученных из Мексики, урожайность пшеницы в Индии увеличилась с 12 млн тонн в 1965 г. почти до 17 млн тонн в 1968 г. и 20 млн в 1970 г. Урожай в 1968 г. был настолько большой, что в некоторых областях закрывали школы, чтобы поместить туда зерно на хранение. В 1972 г. индийский импорт зерна упал почти до нуля и в 1980-е гг. страна даже стала на время его экспортером. Дальнейшее повышение урожайности произошло, когда индийские агрономы скрестили мексиканские сорта с местными для повышения устойчивости к болезням. В результате урожай пшеницы в Индии достиг в 1999 г. 73,5 млн тонн.
Успех экспериментов Борлоуга с высокопродуктивными карликовыми сортами пшеницы вдохновил тем временем исследователей сделать то же самое с рисом. Международный исследовательский институт риса (IRRI), расположенный на Филиппинах и финансируемый Рокфеллеровским фондом и фондом Форда, использовал в 1960 г. челночный подход Борлоуга для ускорения освоения новых сортов. Как и в случае с пшеницей, исследователи взяли карликовые сорта, многие из которых развивались в Японии, и скрестили их с местными сортами, высаженными в других странах. В 1966 г. специалисты IRRI создали новый сорт, названный IR8. В этом случае китайский карликовый сорт (производный от японского сорта) скрестили с индонезийским сортом под названием Пета). В то время традиционные сорта риса давали урожай около одной тонны с гектара. Новый же сорт произвел пять тонн без внесения удобрений и десять тонн с внесением удобрения. Он стал известен как «чудо-рис» и был быстро принят во всей Азии. За IR8 последовал еще один карликовый сорт, который был еще более устойчив к болезням. Кроме того, он быстро созревал, что давало возможность получать во многих регионах два урожая в год.
В пророческой речи, произнесенной в марте 1968 г., Уильям Гауд из Агентства США по международному развитию отметил влияние, какое высокопродуктивные сорта пшеницы начали иметь в Пакистане, Индии и Турции. «Рекордные, беспрецедентные урожаи демонстрируют, что во многих развивающихся странах, особенно в Азии, мы находимся на пороге сельскохозяйственной революции, – сказал он. – Это не насильственная «красная революция», как та, что в России, и при этом это не «белая революция», как та, что свергла иранского шаха. Я называю это «зеленой революцией». Эта новая революция может быть столь же значительной и столь же полезной для человечества, как промышленная революция полтора века назад». Термин «зеленая революция» сразу получил широкое распространение и используется до сих пор.
Влияние «зеленой революции» было очевидно уже к 1970 г., и в том же году Норман Борлоуг был удостоен Нобелевской премии мира. «Больше, чем любой другой человек своего времени, он помог обеспечить хлебом голодающих всего мира», – заявил Нобелевский комитет. Он «превратил пессимизм в оптимизм в драматическом состязании стремительно растущей численности населения с объемами производства продуктов питания». В своем выступлении Борлоуг отметил, что увеличение урожайности было обусловлено не просто развитием сортов-карликов, но и комбинацией новых сортов с азотными удобрениями. «Если высокоурожайные карликовые сорта пшеницы и риса являются катализаторами, которые зажгли «зеленую революцию», то химические удобрения – это топливо, это движение вперед», – сказал он.
В течение трех десятилетий после 1970 г. появились новые высокопродуктивные карликовые сорта пшеницы и риса, быстро вытеснившие традиционные сорта в развивающихся странах. К 2000 г. новые сорта семян пшеницы занимали 86 % посевной площади пшеницы в Азии, 90 % – в Латинской Америке и 66 % – на Ближнем Востоке и в Африке. Точно так же в 2000 г. на новые сорта риса приходилось 74 % посевной площади риса в Азии и 100 % в Китае, крупнейшем производителе риса в мире. Помимо повышения урожайности (при условии внесения удобрения и орошения) для увеличения зернового производства были задействованы другие, косвенные способы. Если, например, первые фермеры перешли на пшеницу и рис с других культур, то фермеры, которые уже выращивали пшеницу и рис, в некоторых случаях переключились на новые сорта и тоже стали собирать более одного урожая в год. И теперь в результате увеличения производства зерновых поставки продовольствия стали расти быстрее, чем население. В итоге с 1970 по 1995 г. население Азии увеличилось на 60 %, а производство зерновых за тот же период более чем удвоилось. В целом азотные удобрения поддержали около 4 млрд человек, рожденных в течение столетия после демонстрации Габером результатов своей работы в 1909 г. К 2008 г. азотные удобрения помогли накормить 48 % населения мира. Сегодня азот Габера–Боша поддерживает более 3 млрд человек, что составляет почти половину человечества. Они являются потомками «зеленой революции».