Видное место в трудах Тимирязева по агрономии занимает выяснение роли азота в жизни растений и его источников. Азот, как известно, является одним из наиболее важных для организма химических элементов, он достигает 16—18% от веса главной составной части протоплазмы — белковых веществ. Как указывает один из крупнейших мировых ученых в области агрохимии, ученик Тимирязева — академик Д. Н. Прянишников, история земледелия «свидетельствует о том, что главным условием, определяющим среднюю высоту урожая в разные эпохи, была степень обеспеченности сельскохозяйственных растений азотом».
Тимирязев опровергает Либиха, отрицавшего необходимость внесения в почву азотных удобрений на том основании, что растение окружено в избытке азотом. Доказав, что свободный атмосферный азот непосредственно растением не усваивается, он подчеркивает, что высота урожаев чаще всего определяется содержанием в почве именно усвояемых растением форм связанного азота.
В специальной лекции, прочитанной в 1890 г., Тимирязев рассматривает вопрос об источниках азота растений. Растение соприкасается с различными формами азота: со свободным газообразным азотом, составляющим 79% атмосферы, с азотом сложных органических веществ, с азотом солей азотной кислоты и аммиачных соединений. В увлекательной форме рисует Тимирязев историю последовательного развития наших знаний о том, какие из этих разнообразных форм азота являются подлинными источниками азота растений. Раньше всего было установлено, что растение легко усваивает азот солей азотной кислоты. В дальнейшем исследования Д. Н. Прянишникова неоспоримо доказали, что азот аммиачных соединений усваивается растениями не хуже, а в определенных условиях даже лучше, чем азот солей азотной кислоты.
Большие затруднения возникли в вопросе о способности растений усваивать свободный азот атмосферы. Этот вопрос не случайно давно уже приковывал к себе внимание ученых и практиков сельского хозяйства. Подсчитано, что столб воздуха над каждым квадратным метром земной поверхности содержит около 8 тонн свободного азота. При условии использования атмосферного азота его хватило бы растениям на миллион лет.
Тимирязев открывает перед читателем картину самоотверженного и упорного труда целого ряда ученых по изучению этого вопроса: Буссенго, М. С. Воронина, С. Н. Виноградского, Гельригеля, Пражмовского, К. А. Тимирязева, П. С. Коссовича и др. Особое внимание ученых привлекла роль бобовых растений в усвоении азота. Путь их исканий был сложен и противоречив. Если в отношении зерновых и других культур было сравнительно легко установлено, что они не могут усваивать свободный азот атмосферы, то в отношении бобовых растений данные были весьма противоречивыми. «С одной стороны, вековая практика, подкрепляемая химическими анализами Буссенго и Лооза и Гильберта, невольно приводила к заключению, что роль бобовых растений в плодосменном хозяйстве объясняется тем, что для них доступен источник азота, недоступный для злаков, и что этот источник — свободный азот атмосферы. С другой стороны, точные физиологические опыты доказывали еще более очевидным образом, что этого источника азота для растения как бы не существует». Несколько десятилетий было потрачено на попытку примирить эти противоречия.
Между тем в 1866 г. русский ученый М. С. Воронин обратил внимание на клубеньки (желвачки), образующиеся обычно
на корнях бобовых растений. Он показал, что эти клубеньки представляют собой болезненные образования, вызванные заражением корней определенными бактериями. Против этого воззрения ополчились немецкий профессор Франк и его ученики Брунгорст и Тчирх, рассматривавшие клубеньки как нормальные физиологические образования клеточной плазмы — запасы белковых питательных веществ. Позднее они вынуждены были отказаться от своих неверных воззрений, что не помешало им с бесцеремонной развязностью дать свое название микроорганизму, открытому до них.
Исходя из открытия Воронина, а также из высказываний Бертло и Пастера о наличии в почве микроорганизмов, связывающих свободный азот, Гельригель предположил, что бактерии, населяющие желвачки бобовых растений, также обладают этим свойством, что и обусловливает способность бобовых усваивать азот атмосферы. Проведенные им опыты давали известное подтверждение этим предположениям. Бобовые растения даже при выращивании их в сосуде со стерилизованным песком росли и развивались нормально, если к ним добавлялось несколько кубических сантиметров настоя, полученного взбалтыванием воды с кусочком почвы, взятой на поле с бобовыми культурами.
Однако окончательное доказательство того, что здесь усваивался азот атмосферы и именно при помощи населяющих клубеньки бактерий, было дано лишь польским микробиологом Пражмовским. «... задача Пражмовского, — как указывал Тимирязев, — была гораздо сложнее и тоньше задачи Гельригеля. Последний только желал доказать и доказал, что оба процесса [образование желвачков и усвоение бобовыми свободного азота. — Г. П.] зависят от присутствия в почве чего-то, что должно быть микроорганизмом, так как уничтожается нагреванием, стерилизацией почвы или ее настоя. Пражмовский, как бактериолог, пожелал увидеть это нечто, убедиться, что это — бактерия, проследить ее участь в растении до образования желвачков и доказать, что именно эта бактерия, а не что иное способствует усвоению азота».
Пражмовский показал, что заражение бобовых бактериями происходит через корневые волоски или поверхностные клетки молодых частей корня. Однако установить, как проникают бактерии через оболочку клеточки, он не смог. Большое вникание изучению этого и других вопросов, связанных с выяснением роли бобовых в усвоении азота атмосферы, уделяет в своих экспериментальных исследованиях сам Тимирязев. «... Исследуя, — пишет Тимирязев, — первые моменты заражения одного бобового растения (язвенника — Anthyllis vulneraria), я мог наблюдать целые колонии бактерий (так называемые Zoogloea) на наружной поверхности корневых волосков. В некоторых случаях они встречались почти на каждом кончике волоска в виде кисточки, следовательно, заражение идет весьма энергично».
В настоящее время картина заражения корней бобовых клубеньковыми бактериями хорошо изучена. Новые данные блестяще подтвердили наблюдения Тимирязева над заражением корней язвенника. К сожалению, в нашей специальной литературе по сельскохозяйственной микробиологии далеко не всегда отдают должное исследованиям Тимирязева по вопросам усвоения атмосферного азота, в частности, его экспериментальным работам по изучению жизнедеятельности клубеньковых бактерий. Так, даже такой крупный специалист по этому вопросу, как проф. М. В. Федоров, руководитель кафедры микробиологии в Сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева, в своем учебнике «Микробиология» ни словом не упоминает о работах Тимирязева в этой области. Тимирязев не только сам занимался изучением клубеньковых бактерий, но и направлял внимание своих учеников к этому вопросу. Под его руководством студент Московского университета П. С. Коссович (впоследствии известный русский агрохимик и почвовед) произвел чрезвычайно важные исследования о происхождении азота бобовых растений.
В 1890 г. Коссович своими опытами дал подтверждение усвоения азота бобовыми, за что был удостоен золотой медали Московского университета. Через два года он добился новых успехов. «Весьма тщательными опытами... Коссовичу удалось доказать, что когда из почвы будет устранен азот (почвенный воздух заменяется искусственною смесью кислорода и водорода), то растение (горох) не развивается. Следовательно, для усвоения азота необходимо, чтобы он находился именно в почве». Тимирязев подчеркивает, что опыты Коссовича дали прекрасное опровержение домыслов немецкого ученого Франка, будто заражение бобовых бактериями не ограничивается одними желвачками, а распространяется далее, сообщая всему растению, включая и листья, способность усваивать азот.
Результаты исследований Коссовича были опубликованы в его статье «Через корни или надземные части поступает в мотыльковые растения свободный азот, усвояемый ими», напечатанной в «Известиях Петровской сельскохозяйственной академии» в 1892 г. Под влиянием Тимирязева и другой его ученик — Д. Н. Прянишников начинает заниматься изучением роли азота в жизни растений. Это дало направление всей последующей научной деятельности Прянишникова, подытоженной им в монографии «Азот в жизни растений и земледелии СССР» (1945).
Для полного понимания усвоения азота бобовыми нужно было еще установить, где и когда именно клубеньковые бактерии усваивают азот — тогда ли, когда находятся в свободном состоянии в почве или когда уже проникли внутрь растения. С целью изучения этого вопроса Тимирязев ставит летом 1892 г. лично 40 опытов, методика проведения и результаты которых были изложены им в декабре 1892 г. в реферате «Газовый обмен в корневых желвачках бобовых растений», опубликованном в трудах Петербургского общества естествоиспытателей (XXIII, отд. бот., протоколы № 36—37 за 1893 г.). «Опыты, — пишет Тимирязев, — производились как над желвачками, отделенными от корней (что достигается без их повреждения), так и над корнями, покрытыми желвачками, и ни в одном случае нельзя было показать поглощения азота из атмосферы». Тимирязев делает предположение, что бактерии усваивают азот во время пребывания их в почве. Однако он не считает еще это предположение вполне обоснованным. В дальнейшем наукой было установлено, что усвоение молекулярного азота клубеньковыми бактериями происходит прежде всего внутри клубенька. М. П. Корсакова и Г. В. Лопатина (Микробиология, III, стр. 204, 1934) показали, что фиксация азота клубеньковыми бактериями вне корня бобового является весьма маловероятной. Участие Тимирязева в разработке вопроса об усвоении азота бобовыми не ограничивается теми экспериментами, которые ставил он сам и его ученики. Он стремился дать общебиологическое объяснение характера отношений, складывающихся между бактериями и растениями. Указав, что бактерии, проникнув в бобовое растение, быстро размножаются только пока они обособлены от тканей самого растения специальными оболочками, что после разрушения этих оболочек бактерии, войдя в соприкосновение с растительной плазмой, подвергаются ожирению и теряют свою активность, Тимирязев пишет: «Таким образом, в явлениях развития и разрушения желвачков на корнях бобовых растений мы имеем нечто совершенно своеобразное. Это не паразитизм, в котором бывает одна жертва, один эксплоататор. Это и не симбиоз,
т. е. не мирное сожительство, ассоциация двух организмов, связанных обоюдною пользой. Это какая-то своеобразная борьба, из которой обе стороны выходят поочередно победителями, обе стороны извлекают свою долю пользы. Бактерии, просуществовав некоторое время в растении и пользуясь его пищею, возвращаются обратно в почву и, конечно, в большем числе, чем сколько их проникло в корни, — следовательно, с точки зрения сохранения вида процесс этот не может не быть для них выгоден. Но они оставляют за собою еще более многочисленные трупы своих отяжелевших товарищей, которые идут на питание одолевающего их растения».
