Без кислорода, углекислого газа, света, воды
растению не обойтись. Растение берет из окружающей среды также и
минеральные соли. Многие химические элементы таблицы Д. И. Менделеева
входят в состав живого вещества растения, но особое место среди них
занимает азот - важный строительный материал для аминокислот, белков,
нуклеиновых кислот и других соединений. Без него жизнь растительного
организма была бы невозможна. При недостатке азота в почве уменьшается
содержание зеленых пигментов, бледнеют листья, замедляется рост
растения. А недостаток бывает часто ощутимый. Ведь в почве азота
содержится всего от 0,02 до 0,5 процента и то лишь благодаря
деятельности микроорганизмов некоторых растений и разложению
органических веществ. И это в то время, когда миллионы тонн азота в
атмосфере "давят" на поверхность Земли: над каждым гектаром почвы,
образно говоря, висит 80 тысяч тонн относительно инертного газа! В чем
же дело? А дело в том, что в воздухе азот находится в молекулярном
состоянии, то есть в бездействии. И потому вполне оправдывает свое
название: в переводе с греческого азот значит "безжизненный". Элементом
жизни он становится только в химических соединениях - легкорастворимых
азотнокислых и аммиачных солях. Однако связанного, даже в простые
окислы, азота нет в воздухе. Бывает, что эти соединения образуются в
небольшом количестве при вспышках молний. В почве растворимых солей
азота тоже мало, потому что они легко вымываются. Получается
парадоксальная картина: растения, буквально купающиеся в азоте,
одновременно голодают из-за его нехватки. А без азота невозможен синтез
белков и, следовательно, жизнь!
Каким же путем свободный азот попадает в почву в виде связанных
соединений? Основные его поставщики - некоторые виды свободноживущих
бактерий, среди которых, например, есть азотобактер, фиксирующая азот в
кислородных условиях, или клебзилла, осуществляющая этот процесс только
без кислорода. А бактерии рода ризобиум могут связывать безжизненный
газ из воздуха лишь в симбиозе с определенными высшими растениями, в
основном с бобовыми. Между прочим, бобовые растения не испытывают
нехватки азота благодаря тем самым бактериям ризобиум. Их деятельность
известна с древнейших времен. Уже тогда было описано благоприятное
влияние бобовых растений - сои, земляных орехов, бобов, гороха, клевера
- на плодородие почвы. Объясняется это способностью бактерий ризобиум
образовывать клубеньки на корнях бобовых. Клубеньки представляют собой
расширенные клетки, наполненные бактериями. Каждый вид бобовых связан с
определенными бактериями. Так, бактерии, образующие клубеньки на корнях
сои, не образуют их на люцерне. Это надо учитывать при искусственном
размножении азотфиксирующих бактерии для повышения плодородия полей.
В Бразилии был зафиксирован интересный факт. Среди зерновых,
выращиваемых на бедной азотом почве, некоторые растения были выше
остальных. На их корнях обнаружили особые бактерии. Это натолкнуло на
мысль о том, что не только бобовые могут обходиться без удобрений, но и
другие растения, в частности зерновые.
В воде поставщиками связанного азота служат синезеленые
водоросли (их
теперь называют цианобактериями). Однако и на суше они выполняют эту
функцию: вместе с азотфиксирующими бактериями повышают плодородие
рисовых полей, заливаемых водой. Могут связывать азот и лишайники -
симбиоз гриба и водоросли. Лишайники играют большую роль в
экологическом равновесии, так как они первыми поселяются в местах,
бедных питательными веществами, и накапливают азот прямо из воздуха.
Химическая реакция фиксации азота живыми клетками во многом сходна с
промышленным способом получения аммиака.
Многим хорошо известна химическая реакция:
N2+ЗН2 ----> 2NН3
+ теплота.
<-----
Чтобы получить аммиак ( NН3 ), надо в молекуле
азота ( N2 ) разорвать
тройную связь и затем к атому азота ( N ) присоединить три атома
водорода. В синтезе аммиака участвует газообразный водород.
Для большинства азотфиксирующих организмов источником водорода будут
органические соединения, например глюкоза, образующаяся при
фотосинтезе. Главное сходство всех систем связывания атмосферного азота
- потребность в большом количестве энергии: в промышленности - в
электроэнергии, а у живых организмов - в энергии в виде АТФ за счет
расщепления углеводов.
Все азотфиксирующие организмы содержат важный фермент - нитрогеназу,
без которого они не способны биологически связывать азот. Структура
нитрогеназы почти одинакова у всех видов бактерий. Она состоит из двух
белков, нескольких атомов молибдена и железа. Нитрогеназа
восстанавливает N2 до иона аммония ( NH4+
).
Избыток NH4+
подавляет
синтез фермента. Поэтому у бобовых, получивших большие дозы азотных
удобрений, отсутствуют на корнях клубеньки. Особенность нитрогеназы
заключается в том, что она чувствительна к кислороду. В присутствии
кислорода белковая часть фермента разрушается и соответственно
полностью теряется его активность. Эта чувствительность мешает работе
всей азотфиксирующей системы и затрудняет исследования ферментов.
Необходимо конструировать особые приборы и экспериментировать с
ферментом в бескислородных условиях.
В природе азотфиксирующие бактерии и водоросли по-разному
приспособились защищать свой главный фермент от кислорода. У анаэробных
бактерий этой проблемы не существует. Обитая в глубоких слоях почвы,
они могут жить только в бескислородных условиях. Цианобактерии имеют
специализированные толстые клетки, которые содержат особое вещество,
препятствующее проникновению кислорода. Сходная защита возникла у
аэробных (живущих в кислородных условиях) бактерий, у которых кислород
при поступлении в клетку восстанавливается до воды.
Бобовые растения вместе с симбиотическими бактериями также выработали
интересную защитную систему от кислорода, улавливаемого прежде, чем он
достигнет клетки. Его "подстерегает" особый белок - леггемоглобин,
синтезируемый в корневых клубеньках. Подобно гемоглобину животных, этот
белок способен связывать кислород и отдавать его при необходимости.
Возможно, такая высокая чувствительность нитрогеназы к кислороду, а
также потребность в большом количестве энергии для ее работы является
причиной того, что в природе не так уж много организмов, способных
осуществлять биологическую фиксацию азота.
Азот, усвоенный свободноживущими и клубеньковыми микроорганизмами,
постепенно накапливается в почве. Его количество может колебаться от 60
до 300 килограммов на гектар. Накопленный таким путем азот не только
дешев, но и безвреден. Он присутствует в виде нитрат-ионов ( NО3-
)
и
ионов аммония ( NH4+ ).
Корни растений легко
поглощают аммиачный азот
( NH4+ ) и другие его
формы - нитраты и нитриты ( NО3-
и NО2- ). Эти формы
азота после поглощения корнями растений
восстанавливаются до аммиака,
который связывается кетокислотами. Затем образуются различные
аминокислоты. Происходит своеобразное обезвреживание аммиака в
растительных клетках. Следовательно, поступившие формы азота в корнях
быстро расходуются на синтез аминокислот.
Интенсивное сельскохозяйственное производство ХХ века требует много
минеральных удобрений, особенно азотных. Биологическая фиксация азота
микроорганизмами сегодня не может полностью удовлетворить потребность в
азоте современных сортов растении. Минеральные удобрения восполняют
этот пробел. Но растение усваивает только половину внесенных удобрений,
другая - недоступна ему из-за трудной растворимости и становится
ненужной в почве.
Наиболее эффективны для получения больших урожаев нитратные удобрения.
Внесение удобрений - дело тонкое, требующее знаний особенностей почвы и
биологии развития растения. В земледелии целесообразно использовать
сочетание технического азота (минеральные удобрения) и биологического
азота (органические удобрения). На это в свое время указывал выдающийся
советский агрохимик академик Д. Н. Прянишников.
Сегодня ученые всего мира ищут биологические
способы повышения
плодородия почв. Один из них - поиск новых клубеньковых бактерий и
бобовых растений, "работающих" с высокой продуктивностью, которые будут
эффективно, экономично и безвредно обогащать почву связанным азотом. А
для этого надо, чтобы корни растений выделяли богатые углеродом
органические соединения, которыми питались бы бактерии. Те, в свою
очередь, могли бы синтезировать соединения азота. Но это не предел
совершенствования способов повышения урожая. Еще более смелая мечта -
создание новых сельскохозяйственных растений, способных к
самостоятельной биологической фиксации азота и совсем не нуждающихся в
азотных удобрениях!
