Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух…

Кин Сэм

Задача казалась очевидной. В воздухе содержится много газообразного азота (N₂), а водород (H₂) можно получить за счет расщепления молекулы воды под действием электричества. Таким образом, для получения аммиака, казалось бы, нужно просто смешать и нагреть два газа: N₂ + 3H₂– > 2NH₃. Voil`a. Но оказалось, что это дело по сложности не уступает клубку задач из «Уловки-22». Для расщепления молекулы азота на атомы требуется затратить невероятно большое количество тепла, но от нагревания расщепляется продукт реакции – неустойчивая молекула аммиака. Габер несколько месяцев ходил кругами, пока наконец не написал в отчете, что получение аммиака из азота и водорода – бессмысленный процесс. [13]

13

«Уловка-22» (Catch-22) –

антивоенный и антибюрократический роман американского писателя Джозефа Хеллера (1961).

Отчет сгинул в небытие – отрицательные результаты не вознаграждаются, – возможно, не без участия известного химика Вальтера Нернста. У Нернста уже было все, чего добивался Габер. Он работал в Берлине – центре всей жизни Германии – и заработал состояние на изобретении электрической лампочки нового типа. Но главное, Нернст приобрел известность в научных кругах, открыв новый закон природы – третье начало термодинамики. Работы Нернста в области термодинамики позволили химикам сделать нечто ранее совершенно невозможное – исследовать любую реакцию (например, превращение азота в аммиак) и оценить выход при разных значениях температуры и давления. Это было значительным шагом вперед, поскольку позволяло действовать не вслепую, а предсказывать оптимальные условия для протекания реакции.

Теперь химикам нужно было подтвердить эти предсказания в лабораторных условиях, и тут-то и возник конфликт. Когда Нернст изучил отчет Габера, он обнаружил, что выход аммиака в исследованной реакции был слишком высоким – на 50 % выше предсказанной им величины.

От этого заявления Габеру стало плохо. Он вообще был легковозбудимым человеком, у него было слабое сердце и случались нервные срывы. А теперь Нернст мог разрушить то единственное, что ему удалось заработать в жизни, – репутацию хорошего экспериментатора. Габер тщательно переделал эксперименты и опубликовал новые данные, которые несколько лучше согласовывались с предсказаниями Нернста. Но цифры все равно оставались высокими, и на конференции в мае 1907 г. Нернст перед всеми отчитал своего более молодого коллегу.

Честно говоря, это был довольно бессмысленный спор. Оба ученых соглашались в том, что промышленное получение аммиака из азота невозможно, и расходились лишь в оценке степени невозможности. Однако Нернст не был великодушным человеком, а Габер, обладавший рыцарскими чертами, не мог стерпеть унижения. Вопреки всему, что он узнал до сих пор, он решил доказать, что получить аммиак из газообразного азота все-таки можно. В случае успеха он не только утер бы Нернсту толстый нос, но и смог бы получить патент и разбогатеть. Но важнее всего, реакция связывания азота сделала бы Габера национальным героем Германии, поскольку давала стране возможность получить то, чего ей не хватало для мирового господства, – надежный источник удобрений.

Аммиак – ключ к получению сельскохозяйственных удобрений. И дело не только в том, что в аммиаке содержится азот, а в том, что в аммиаке азот содержится в той форме, в которой его могут использовать растения. Чтобы понять разницу, нужно знать кое-что о химических связях, удерживающих атомы в молекулах. В большинстве молекул атомы связаны между собой простыми (одинарными, X – Y) или двойными (X = Y) связями. Однако в образовании молекулы газообразного азота задействована тройная связь (N N) – одна из самых прочных и трудно разрушаемых связей в природе. Например, разрушение всех тройных связей всего в одной унции азота приведет к высвобождению энергии, которой хватит, чтобы приподнять на 40 см гантель массой 500 т. Именно прочность этой связи объясняет преобладание азота в современной атмосфере. Как отмечалось в предыдущей главе, в вулканических газах азот присутствует лишь в следовых количествах, значительно уступая по содержанию другим газам. Однако в то время как большинство вулканических газов со временем исчезает (они либо взаимодействуют с другими веществами, либо расщепляются под действием ультрафиолетового излучения), тройная связь между атомами азота препятствует разложению молекулы. Поэтому азот постепенно накапливается (кроме того, некоторое количество N [14] ₂ образуется при расщеплении аммиака из вулканических выбросов). Другими словами, азот занял доминирующее положение в атмосфере по той причине, что пережил все остальные соединения, выделившиеся при извержениях вулканов*.

14

28,3 г.

Важным

следствием этого обстоятельства стало очередное изменение атмосферы Земли. Вспомните, что вторая атмосфера была образована ядовитыми вулканическими газами. Однако примерно 2 млрд лет назад значительная часть этих газов разложилась, накопилось достаточно много азота, и образовалась новая, третья, атмосфера Земли. Для возникновения жизни чрезвычайно важно, что эта насыщенная азотом атмосфера была намного спокойней предыдущей, поскольку азот не атакует биологические молекулы, как это делают другие газы.

Мы живем в море газообразного азота: на наши плечи постоянно давит столб азота массой несколько тонн, поднимающийся от поверхности земли до верхних слоев атмосферы. Но мы никак не можем его использовать. Эта ситуация напоминает смерть от жажды посреди океана.

Но в каком-то смысле газообразный азот слишком спокойный, слишком пассивный. Нашим телам требуется довольно много этого элемента. Каждый белок в организме имеет в своем каркасе атомы азота, и во всех 3 млрд оснований ДНК в каждой из 30 трлн наших клеток содержится несколько атомов азота. Но когда приходит время пополнить клеточные запасы азота, выясняется, что использовать газообразный азот для этой цели невозможно – из-за невероятной прочности тройной связи в его молекуле.

Каким же образом азот из атмосферы проникает в наши тела? Некая сила должна «фиксировать» (связывать) его – расщеплять тройную связь и превращать в более податливую форму. Какое-то количество газообразного азота фиксируется под действием света, в результате чего в воздухе образуются соединения азота с кислородом. Однако в основном фиксация азота происходит за счет бактерий, содержащих специфический фермент, названный нитрогеназой.

Ферменты – это биологические структуры, в присутствии которых протекают необычные реакции. «Деловой центр» молекулы нитрогеназы содержит кластер из атомов железа и серы, а также атомы молибдена. Эти элементы, как крохотные «челюсти жизни», раздвигают тройную связь. В ходе этого процесса затрачивается невероятно большое количество энергии и возникает множество повреждений: при расщеплении каждой тройной связи приносятся в жертву 16 молекул воды. Но в конечном счете нитрогеназа расщепляет связь N [15] N, и пока атомы азота не успели соединиться вновь, фермент присоединяет несколько атомов водорода. В результате (о да!) образуется аммиак, который содержит только простые связи и, следовательно, может достаточно легко превращаться в биологические молекулы, такие как ДНК или белки.

15

«Челюсти жизни» (Jaws of life) – пневматическое устройство, которое раздвигает искореженные при аварии части автомобиля, обеспечивая спасателям доступ к пострадавшим.

Азотфиксирующие бактерии в основном живут на корнях растений, обменивая аммиак на другие питательные вещества – симбиоз в истинном смысле слова. Некоторые азотфиксирующие организмы живут в почве самостоятельно, но растения тоже могут пользоваться продуктами их труда. Растительноядные животные и грибы получают фиксированный азот, поедая растения или продукты их разложения. Таким же образом азот получают хищники, находящиеся на вершине пищевой цепи: они поедают растительноядных животных, питающихся растениями. Даже хищные растения, такие как венерина мухоловка, ловят насекомых, главным образом, чтобы раздобыть азот. Иными словами, практически весь азот в составе живых организмов прошел переработку этими бактериями. Без них на Земле не существовало бы ни одного растения или животного. Ни одного. И для большинства экосистем количество азота в почве определяет максимальное количество живых организмов, которое эта почва способна прокормить.

За тысячелетнюю историю сельского хозяйства крестьяне придумали несколько способов обойти этот предел. Они стали выращивать бобовые растения, на корнях которых обитает множество азотфиксирующих бактерий. Кроме того, в почву стали вносить мочевину и навоз, содержащие азот в связанной форме. Некоторые хитрые народы догадались усиливать эти природные удобрения, компостируя их с кровью или гниющими отходами. Компостные кучи походили на горячие гигантские буханки черного хлеба, и по специфическому запаху крестьяне определяли, когда смесь готова для употребления.