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!