Что же тут вообще может расти?
История вырождения, которую мы обнаружили на нашем участке, – это лишь маленький пример того, что человечество делает с планетой на протяжении тысячелетий. Как и многие животные до нас – от термитов до четырехтонных наземных ленивцев, – люди полностью изменили земную кору и почву. Картины экологических катастроф часто сопровождаются образами дымящих заводов и бетонных мегаполисов, но города, автомобильные и железные дороги, шахты, электростанции и другие объекты человеческой инфраструктуры занимают менее 3 % пригодной для жизни поверхности планеты. Подавляющее большинство земли, измененной руками человека, отведено не под жилье или производство энергии, а под сельское хозяйство – другими словами, под садоводство. 1000 лет назад люди использовали для земледелия менее 6 % свободных ото льда и пустынь земель Земли. Сегодня около половины пригодных для жизни земель планеты используется для выращивания сельскохозяйственных культур или разведения скота.
Первые земледельцы, вероятно, пускали в ход палки-копалки, мотыги и другие простые инструменты, сделанные из дерева и камня. Еще 171 000 лет назад на территории современной Италии неандертальцы изготавливали с помощью камня и огня длинные палки-копалки. Вероятно, с их помощью они собирали коренья и клубни, измельчали растения и, используя их как дубинку, убивали мелких животных. Гораздо позже, хотя точно не известно, когда именно, люди придумали одну из самых значимых в истории технологических разработок – плуг. Как пишет геоморфолог Дэвид Р. Монтгомери, изобретение плуга не только произвело революцию в человеческой цивилизации, но и «изменило поверхность Земли».
Рало, примитивный плуг, появился по меньшей мере 6000 лет назад в Месопотамии. Такие плуги изготавливались из дерева, их тянули люди или животные, образуя в почве неглубокие борозды, в которые можно было сажать семена. Со временем плуги стали больше и прочнее, в их конструкцию внедряли камни и, в конце концов, металл. 2700 лет назад в Индии, стране с особенно долгой историей металлургии, люди, вероятно, делали плуги с железным сошником – лезвиями, похожими на крылья, прорезающими землю. Гораздо позже широкое распространение получил отвал – изогнутая металлическая пластина, расположенная на сошнике, – который позволял плугу рыхлить верхние слои почвы, закапывая сорняки и остатки прежних сельскохозяйственных культур.
С появлением плуга человечество столкнулось с одной из главных дилемм сельского хозяйства: многократная вспашка участка земли в конечном итоге нарушает его плодородие. В краткосрочной перспективе вспашка почвы дает фермерам множество преимуществ: она разрыхляет почву, препятствует росту сорняков, позволяет вносить навоз и другие удобрения, а также способствует скорейшему прорастанию семян и раннему развитию корневой системы. Однако в долгосрочной перспективе вспашка серьезно нарушает экосистему почвы, лишая ее симбиотических растений, грибов и микробов и увеличивая ее подверженность эрозии под воздействием ветра и воды. Постоянная расчистка и обработка сельскохозяйственных угодий подобна бульдозерной вырубке леса из года в год, в результате чего почва становится слабой и уязвимой. Когда почва лишена растительной защиты, даже небольшой ветер или дождь могут стать катастрофой и разрушить ее структуру. Именно такая уязвимость в сочетании с экстремальной засухой привела к пыльным бурям в США 1930-х годов, которые прозвали «Пыльным котлом».
Фундаментальная конструкция отвального плуга просуществовала тысячелетия, позволив людям по всему миру возделывать ранее не обрабатываемую землю. «Плуг для фермера – то же, что волшебная палочка для колдуна», – писал Томас Джефферсон в 1813 году. В середине XIX века сельскохозяйственная и промышленная революции соединились в образе первых коммерческих плугов с паровым двигателем. Вскоре их заменили тракторы и другие тяжелые машины, оснащенные газовыми двигателями внутреннего сгорания. Механизированное оборудование позволило фермерам осваивать даже более твердые, тяжелые почвы и значительно повысило их общую эффективность, особенно в богатых промышленных странах.
В то же время машины, работающие на ископаемом топливе, ускорили уничтожение плодородной почвы. В среднем сельское хозяйство, выпас скота, вырубка лесов и другие виды нарушений почвенного покрова, вызванные человеком, разрушают почву со скоростью, которая в 10–30 раз быстрее той, с которой она создается. Так, почва, накапливаемая столетиями, исчезает менее чем за десятилетие. Проведенное в 2021 году исследование показало, что около трети сельскохозяйственных угодий «кукурузного пояса» США[37] уже потеряли весь верхний слой почвы. В некоторых регионах Африки и Азии почва исчезает в сотни раз быстрее, чем восстанавливается. Во всем мире около трети почв, на которых ведется традиционное земледелие, имеют срок жизни менее 200 лет. Без обдуманного вмешательства 16 % таких почв исчезнут в течение столетия.
Одно из самых серьезных последствий широкомасштабной эрозии почвы – быстрое истощение запасов азота, необходимого для роста растений. Во многих обществах до XX века фермеры полагались на небольшой набор мощных удобрений. Это копролиты (ископаемый навоз), птичье гуано с островов у побережья Перу и селитра (нитрат натрия), которую добывали в пустыне Атакама в Чили: содержание азота в ней в 30 раз больше, чем в обычном навозе. К концу XIX века считалось, что эти ограниченные и редкие ресурсы были на грани истощения, что вызвало тревогу. Европейские страны, такие как Германия и Великобритания, были особенно обеспокоены, поскольку они уже импортировали значительную часть необходимого им зерна, а пахотные земли быстро заканчивались. В 1898 году Уильям Крукс, президент Британской ассоциации содействия развитию науки, предупредил, что почва, на которой выращивается пшеница по всему миру, «совершенно не справляется с возложенной на нее нагрузкой» и что «всем цивилизованным странам грозит смертельная опасность голода». Уже в 1930 году Крукс предсказал дефицит пшеницы по всей планете – если только кто-то не откроет новый способ доставки азота к посевам.
Все живое нуждается в азоте, ведь это основной компонент генов, белков и ферментов. Хотя азот в изобилии присутствует на Земле и составляет 78 % атмосферы, в газообразном состоянии он практически недоступен для большинства организмов. Па́ры атомов азота в атмосфере соединены одной из самых прочных молекулярных связей. Молния – одно из немногих физических явлений, достаточно мощных, чтобы разорвать эту связь. Поскольку газообразный азот так трудно расщепить и соединить в новые молекулы, он бесполезен для большинства живых существ. Столкнувшись с этой проблемой, Земля создала сложный комплекс взаимосвязанных процессов, благодаря которым ее богатые запасы азота постоянно преобразуются из одной химической формы в другую и циркулируют между живым и неживым миром в воздухе, море и на суше.
Микробы играют важнейшую роль в этом цикле. Бактерии и другие микробы – единственные организмы, у которых в процессе эволюции появились ферменты, способные расщеплять атмосферный азот и превращать его в биологически полезные молекулы, такие как аммиак, нитриты и нитраты. Некоторые из этих так называемых азотфиксирующих микробов обитают симбиотически в корнях гороха, фасоли и других бобовых, в то время как другие живут самостоятельно в почве и воде. Микробы также перерабатывают наполненные азотом останки растений, животных и грибов и возвращают азот в газообразное состояние. Вся жизнь вокруг нас зависит от химических манипуляций этих микроорганизмов с азотом.
Однако в начале XX века человечество открыло новый способ расщепления газообразного азота и синтеза аммиака. Это стало беспрецедентным событием в истории жизни всего живого и радикально изменило химические циклы Земли. В 1907 году немецкие химики Вальтер Нернст и Фриц Габер независимо друг от друга использовали сильный нагрев и давление, чтобы разделить атомы газообразного азота и рекомбинировать их с водородом – в результате этой реакции синтезируется аммиак. Габер и Карл Бош из химической компании BASF, а также ассистент Боша Альвин Митташ адаптировали этот процесс для промышленного производства, в том числе путем внедрения более подходящих катализаторов. К 1913 году завод в Оппау на юго-западе Германии производил 7000 тонн аммиака в год. Через несколько лет еще более крупный завод в Лойне на востоке Германии достиг годового объема производства 146 000 тонн.
Процесс Габера – Боша сегодня считается самым важным промышленным процессом из всех когда-либо разработанных человеком. В Германии синтезированный аммиак поначалу использовали для производства взрывчатки, что отсрочило конец Первой мировой войны[38]. После того как Бош раскрыл детали процесса во время мирных переговоров в Версале, другие страны также начали синтезировать аммиак. С некоторыми изменениями процесс Габера – Боша обеспечил совершенно новый и очень надежный источник азотных удобрений, что помогло предотвратить надвигающийся мировой продовольственный кризис и поддержать массовое увеличение численности населения. В течение ХХ века совокупная урожайность основных зерновых культур в мире выросла в семь раз, а общая численность населения увеличилась с 1,6 до 6 миллиардов человек. По оценкам специалистов, 50 % азота, который содержится в организме любого человека на планете, сегодня поступает в организм благодаря процессу Габера – Боша. Если бы не синтетические азотные удобрения, сегодняшний урожай зерновых культур сократился бы вдвое, а каждый пятый из ныне живущих людей вовсе не родился бы.
Однако эти исторические изменения были связаны не только с синтезом аммиака. В середине XX века фонды Рокфеллера и Форда, а также другие организации финансировали исследования в области селекции, в результате которых были созданы гораздо более урожайные сорта пшеницы, риса, кукурузы и других основных зерновых культур. Некоторые из них созревали быстрее, чем их предшественники, давали несколько урожаев в год или имели более короткие и прочные стебли, несущие колосья с бóльшим числом зерен в колосе. Разработка и распространение этих сортов, а также широкое внедрение синтетических удобр