Когда мы говорим о возникновении и основании агрономической химии, как самостоятельной дисциплины, то, естественно, связываем это с классическим трудом Буссенго об источниках азота для растений, опубликованным в 1837 г., с выходом в свет в 1840 г. знаменитой книги Либиха «Химия в приложении к земледелию и физиологии». Однако с тех пор прошло больше столетия, за которое не только получили дальнейшее развитие в работах многочисленных исследователей принципы, установленные Буссенго и Либихом, но и были установлены новые принципы, развиты новые обобщающие идеи фундаментального значения, которыми мы обязаны академику Прянишникову и его школе. Вот почему можно с полным правом утверждать, что творцами современной нам агрохимии, наметившими основные вехи развития этой науки на протяжении столетия ее существования, являются Буссенго, Либих и Прянишников.
Среди других достижений в области агрохимии Прянишникову принадлежит разрешение двух кардинальных вопросов: 1) проблемы использования аммиачных удобрений и 2) проблемы использования фосфоритов в качестве фосфорнокислых удобрений.
Понять значение первой проблемы легче всего, если провести историческую параллель в использовании нитратных и аммиачных удобрений и в тех теоретических воззрениях, на которых базировалось их применение. Огромные залежи селитры в пустынях Чили и Боливии, за обладание которыми возникла даже война между этими странами; первые этапы промышленного изготовления кальциевой селитры путем окисления азота воздуха в электрическом поле высокого напряжения за счет энергии «белого угля» — водопадов Норвегии, — таковы были реальные источники применения нитратных удобрений. Сравнительные исследования в действии нитратов и аммиачных соединений в водных куль турах, показавшие преимущество первых и даже, вредное для растений влияние аммиачных соединений; выявление и расшифровка мощного процесса нитрификации, протекающего в естественных условиях в почве, в результате чего аммиачные соединения окисляются в нитратные и в таком виде потребляются растениями, — такова была теоретическая основа преимущественного использования азотнокислых удобрений.
Однако открытие знаменитого химика Габера в период империалистической войны 1914—1918 гг. указавшего способ изготовления синтетического аммиака, коренным образом изменили направление азотной промышленности всего мира и вплотную поставило вопрос об использовании аммиачных удобрений, тем более, что вскоре экспорт чилийской селитры в Европу в огромно выросшем мировом балансе азотистых удобрений стал занимать весьма скромное место. Вот этот вопрос как раз уже и получил разрешение в исследованиях Прянишникова, доказавшего, что аммиак при известных условиях растениями потребляется весьма легко и что аммиачные удобрения могут быть применены в самом широком масштабе. Таким образом, были утверждены основы широкого и рационального применения именно тех удобрений, которые сейчас вырабатывает азотная промышленность Советского Союза и других стран.
Не менее блестяще была разрешена Прянишниковым проблема использования фосфоритов, которыми особенно богата наша страна. Общие запасы фосфоритов в Советском Союзе исчисляются миллиардами тонн, не считая богатых месторождений Кара-Тау и Хибинских апатитов. Фосфориты или фосфоритная мука в качестве удобрения применялись очень мало, а в Германии пришли к выводу, что пора перестать считать фосфориты удобрением, так как они представляют лишь сырой материал для приготовления фосфорнокислых удобрений. Всесторонне исследуя этот вопрос, Прянишников в целой серии классических опытов показал, что существует целый ряд растений, способных разлагать фосфориты своими корневыми выделениями, что зачастую в самой почве имеются условия, при которых происходит растворение фосфоритов и, что одновременное внесение аммиачных соединений, в частности физиологически кислого сернокислого аммония, существенно изменяет условия использования фосфоритов, делая их доступными для растений.
В целом исследования Прянишникова показали, что в почве при определенных условиях воспроизводится такой же химический процесс превращения нерастворимой формы фосфора в растворимую, что и на суперфосфатных заводах, и как вывод из всего этого заключение, имевшее огромное практическое значение: «Поле для использования фосфоритной муки у нас чрезвычайно обширно: мы можем с успехом значительно увеличить ее применение в ближайшие годы и тем самым существенно повысить приходную статью общего баланса фосфора в нашем земледелии» (Д. Н. Прянишников, Агрохимия, стр. 334).
Разрешение этих важнейших проблем агрохимии, имеющих первостепенное практическое значение, основывалось на многочисленных детальных исследованиях химии растений, химии почвы и взаимоотношений растений с почвой. Знакомясь с этими исследованиями, чрезвычайно трудно уловить, где кончается агрономическая химия и где начинается физиология растений. Прянишников сам, сознавая чрезвычайную близость этих дисциплин, дает ясную и четкую картину их соотношений в следующей формулировке: «Главной задачей сельского хозяйства является массовое использование солнечной энергии в целях производства органического вещества, причем аппарат для этого использования не механизмы, а организмы, и прежде всего хлорофиллоносное растение... знакомство со свойствами растения... дается нам физиологией растений... Но этих знаний еще недостаточно для земледельца; нужно еще изучить свойства окружающей среды, чтобы знать, в каких отношениях она отвечает условиям наилучшего развития растений и в каких не отвечает; эти знания мы объединяем под рубриками почвоведения и метеорологии... Только зная потребности растений и свойства среды, мы можем отыскать приемы воздействия на среду (преимущественно почву) и на самое растение... в целях повышения урожая. Изучением этих приемов занимается земледелие... Агрономическая химия не есть нечто параллельное с физиологией растений, почвоведением, земледелием, но она идет какбы в поперечном направлении, проникая внутрь этих дисциплин и охватывая в каждой из них все то, что подлежит исследованию химическими методами; это части того же научного материала, объединенные по иному принципу, в особую дисциплину» (Прянишников, Агрохимия, стр. 11—12).
Такая близость агрохимии и физиологии приводит к тому, что, как пишет Прянишников, еще в 1906 г. в своей статье «К истории развития основных воззрений агрономии за истекшее столетие» (1804—1906 гг.)»: «...агрохимические лаборатории принимали участие в изучении физиологических процессов, вовсе не связанных столь близко ни учением об удобрении, ни с другими практическими задачами, «о> требовавшие также применения химического метода. В качестве примера упомянем о работах по дыханию (установление большей кривой дыхания).., по ассимиляции.., по прорастанию».
Сам основатель агрохимии — Буссенго дал классические исследования в области химизма фотосинтеза, когда была установлена окончательная основная формула фотосинтетического процесса и в области азотистого питания, где были установлены основные источники азота для растений. Подобно Буссенго, Прянишников провел исследования и дал разрешение одной из главнейших проблем физиологии растений, проблемы круговорота и превращения азотистых и в числе их белковых веществ в растении. Эти исследования принесли Прянишникову мировую славу и дают полное право считать его также классиком физиологии растений.
В наш век характерным для естествознания является специализация в области отдельных ее разделов, вызванная самим развитием и углублением знаний. Однако перед выдающимися представите, лями научной мысли стираются грани отдельных наук, и они находят равноценное признание в области различных дисциплин.
Являясь непосредственным учеником великого русского ученого-физиолога К. А. Тимирязева как по Московскому университету, так и по Петровской академии, Прянишников отразил в своих научных работах и в своей деятельности лучшие традиции этого корифея науки.
Тимирязев, отдавший всю жизнь изучению космического процесса синтеза органического вещества в листьях за счет энергии солнечных лучей, доказал приложимость законов фотохимии к процессу фотосинтеза и раскрыл картину приспособления растений к улавливанию наиболее активных лучей солнечного спектра для ассимиляции углерода. Тем самым Тимирязев способствовал расшифровке цепи реакции, которая лежит в основе круговорота углерода - важнейшего элемента, входящего в состав всех органических соединений. Прянишников взялся за решение не менее капитальной задачи изучения круговорота и превращения, другого важнейшего органического элемента — азота, который входит в состав всех белковых веществ, являющихся главной составной частью протоплазмы и представляющих собой, таким образам, материальную основу всякого жизненного процесса.
Посмотрим, как же была решена эта задача Прянишниковым. Его исследования в этой области могут быть разделены на 2 основных раздела: 1) изучение вопроса о том, в какой форме азот воспринимается растением и 2) какие последующие превращения претерпевает азот на пути синтеза и распада белковых веществ, то есть каков общий цикл круговорота азота в растении.
Вопрос об источниках азота для растений получил различную трактовку в работах Либиха и Буссенго. Либих в своей теории минерального почвенного питания растений основную роль отводил фосфору, калию и кальцию. Источником азота для растений он принимал углекислый аммиак воздуха, считая, что количество аммиака в воздухе достаточно для питания растений, иначе говоря, переоценивал его количество. Буссенго, наоборот, оценивал удобрения в первую очередь с точки зрения содержания в них азота. Опыты Лооза, проведенные в Англии, разрешили это противоречие в пользу Буссенго. Долгое время считалось, что азот воспринимается растением в форме аммиака, пока Буссенго не показал, что и аммиак и нитраты одинаково пригодны в качестве азотистых удобрений. Параллельно, Буссенго в классических опытах доказал, что молекулярный азот воздуха растениями не воспринимается, хотя само растение и купается в океане азота.
Этим кончается первый этап в развитии наших знаний об источниках азота для растений. В дальнейшем этот взгляд сменился утверждением, что только окисленные соединения — нитраты пригодны для питания растений. Это утверждение возникло в силу существенных фактов, установленных дальнейшими исследованиями: 1) после того, как был разработан метод водных культур, стали сравнивать эффект действия нитратов и хлористого и сернокислого аммония и установили, что под влиянием нитратов рост растений идет исключительно благоприятно, тогда как аммиачные соединения вьь зывали у растений болезненные явления, что приписывалось вредному влиянию аммиака, 2) открытие, что процесс нитрификации является микробиологическим процессом и установление роли нитрифицирующих бактерии, что привело к заключению, что аммиачные удобрения только тогда начинают оказывать действие, когда в почве они окисляются в нитраты под влиянием нитрификационных бактерий. Таким образом, на втором этапе стали отрицать значение аммиачных соединений для питания растений. Это противоречие во взглядах на источники азота для растений побудило Прянишникова к исследованию этого вопроса. Первые его работы относятся к концу прошлого столетия. В них изучался обмен азотистых соединений при прорастании семян. В процессе прорастания идет распад сложных органических соединений, в том числе белковых веществ на более простые соединения, а затем из этих простых соединений вновь синтезируюются белковые вещества. Промежуточным продуктом распада белковых веществ, как это выяснили Буссенго и Шульце, является амид аспарагиновой или аминоянтарной кислоты — аспарагин. В опытах и анализах Прянишникова было установлено, что аспарагин является вторичным продуктом синтеза из аммиака, образующегося при распаде белковых веществ. В дальнейших опытах 1913—1914 гг. Прянишников, проращивая семена растений в растворах аммонийных солей, установил, что в таких семенах количество аспарагина растет за счет поступающего аммиака из растворов. При этом оказалось, что такое явление наблюдается только у семян, богатых безазотистыми соединениями, например у семян злаковых растений. В семенах бобовых растений накопление аспарагина не происходило за отсутствием в них необходимых углеродных цепей, но начиналось, если вместе с аммиаком семена получали извне углеводы. Таким образом, оказалось, что для синтеза азотистых органических соединений семена могут использовать как аммиак, образующийся при распаде запасных белков семени, так и аммиак, поступающий извне. Когда же проводилось сравнение действия нитрата (например кальциевой селитры) и аммиачной соли, то накопление азота органических соединений происходило быстрее в случае аммиачной соли.
Особенно ярко факт более быстрого использования аммиачного азота был констатирован в опытах с зелеными ассимулирующими растениями, где в качестве источника азота применялся азотнокислый аммоний, где можно было легко сравнить, какой из ионов этой соли быстрее воспринимается растениями — аммиак NH3 или нитратный NО3. Результаты показали, что, если реакция среды не слишком далека от нейтральной, то аммиак воспринимается быстрее и что, вопреки прежним убеждениям, эта соль является физиологически кислой. Совокупность всех опытов привела Прянишникова к установлению общего правила, что аммиак потребляется растениями в процессах синтеза быстрее, чем азотная кислота. Но это правило соблюдается лишь при определенных условиях и есть факторы, ограничивающие его применение. Распознание этих факторов было делом рук Прянишникова и его сотрудников. В специальных опытах было выяснено значение реакции среды, наличия других катионов, избытка самих азотистых солей, а также обеспеченности растения углеводами.
Даже это краткое изложение результатов опытов показывает, какому тщательному, детальному и всестороннему анализу был подвергнут вопрос о питательном значении для растений нитратов и аммиачных соединений, то есть как раз тех веществ почвы, которые представляют собой наиболее богатый источник азота в почве. В свете этих опытов получили разъяснения и прежние неудачи с применением аммиачных соединений в водных культурах. Болезненные явления, наблюдаемые при аммиачном питании, получались в действительности не н результате влияния аммиака, а в силу повышающейся кислотности внешнего раствора в связи с поглощением аммонийного иона и накоплением в растворе кислотного остатка.
Какой же общий вывод из этих исследований? Предоставим слово самому Дмитрию Николаевичу. «В итоге мы можем сделать такое заключение: если неправильно было мнение об абсолютном преимуществе нитратного питания перед аммиачным, точно так же неправильно было бы сделать и обратный общий вывод об абсолютном преимуществе аммиачного питания перед нитратным, так как в зависимости от условий (внутренних и внешних) результат будет различен и оптимальные комбинации этих условий для аммиака и нитратов не совпадают... Если и физиолог будет прав, признавая принципиальную равноправность аммиачного и нитратного питания, то агроном будет тоже прав, если скажет, что ему легче было бы работать с нитратами. Однако он должен иметь в виду, что химическая промышленность в настоящее время идет в основном по пути получения синтетического аммиака и что производство аммиачных солей требует меньших затрат, чем производство азота нитратного.» (Д. Н. Прянишников, Агрохимия, стр. 97—98).
Таковы итоги исследования Прянишникова, составившие третий и последний этап в развитии учения об источниках азота для растений. Как пишет он сам в сочинении «Азот в жизни растений и земледелии СССР», диалектическая триада по пучила свое завершение: тезис — признание аммиачных солей, как питательных веществ для растений, антитезис — отрицание их значения, новое признание на основе синтеза всех наших знаний в этой области.
Переходим ко второму разделу физиологических работ Дмитрия Николаевича, к исследованиям по превращению азотистых и белковых веществ. Этот раздел работ хронологически и по своей органической связи тесно переплетается с темой первых исследований, однако центр тяжести здесь перенесен с вопросов поступления в растения различных форм азотистых соединений на изучение обмена азотистых веществ уже непосредственно в самом растении.
В агрохимической лаборатории Шульце Прянишниковым была начата работа, которая, будучи продолжена им в Москве, вылилась в магистерскую диссертацию «О распадении белковых веществ при прорастания», защищал он ее в 1896 г., в Московском университете. В этой работе Прянишников опроверг воззрение Пфеффера на аспарагин, как на транспортную форму белковых веществ, за счет которого допускалась возможность синтеза белковых веществ в темноте, и экспериментально обосновал мысль о том, что аспарагин является аналогом мочевины, накопляющейся в крови животных, и служит для связывания аммиака, накопление которого в свободном состоянии приводило бы к отравлению организма. После работ Прянишникова картина этой аналогии представляется в следующем виде. И у животных, и у растительных организмов глубокий распад белков приводит к образованию аммиака. Животный организм не способен к обратному синтезу аминокислот и белка из аммиака и безазотистых соединений, поэтому он связывает аммиак в виде мочевины с тем, чтобы удалить его из своего тела в виде ненужного отброса. Растительный организм обладает большой синтетической способностью, он «бережет» азот и связывает аммиак в виде аспарагина, который сохраняется в теле растения и, будучи безвредным и легко передвигающимся по различным органам растения, служит снова основным материалом для синтеза аминокислот и белков, отщепляя аммиак. Таким образом, аспарагин является первым продуктом синтеза и выполняет роль связывающего звена между распадом и синтезом, непрерывно протекающими в растительной клетке.
Эта работа Прянишникова подверглась резкой критике со стороны признанного авторитета в физиологии растений Пфеффера, но последующая проверка показала, что Пфеффер был неправ. С другой стороны, К. А. Тимирязев, бывший официальным оппонентом при защите этой диссертации, заявил, что «данная Прянишниковым картина прорастания должна войти в учебник», что действительно впо следствии произошло.
Дальнейшая разработка вопросов азотного обмена привела к появлению докторской диссертации на тему «Белковые вещества и их распадение в связи с дыханием и ассимиляцией» (1900 г.) и целого ряда последующих статей. В этих работах Прянишников дает общую схему превращения азотистых соединений, которая в настоящее время получила всеобщее признание. Поступающий в растение нитратный азот (соли азотной кислоты) быстро, уже в корнях, начинает восстанавливаться в аммиак; этот аммиак или аммиак, непосредственно поступающий в растение при питании аммиачными солями, в растении не накопляется, а, соединяясь с углеводами и продуктами их окисления (кетонокислотами, оксикислотами), превращается в аминокислоты и амиды, среди которых особенно много образуется аспарагина (и глютамина). Азот аспарагина, точнее его аминная группа, идет на образование новых разнообразных аминокислот, причем имеет место их переаминирование. Аминокислоты в свою очередь связываются и образуются белки. Так заканчивается синтез белков. При распаде, гидролизе белков образуются аминокислоты, которые при дальнейшем расщеплении дают аммиак и безазотистые соединения. Так заканчивается распад белков. Аммиак связывается в аспарагин, который дает аминогруппы на образование аминокислот с дальнейшим образованием белков, замыкается цикл превращения азотистых веществ. Если здесь, таким образом, аспарагин играет роль связующего звена между синтезом и распадом белковых веществ, то аммиак является и начальным материалом для их синтеза и конечным продуктом их распада. Вот почему Прянишников дал красочную характеристику аммиака в таком выражении: «аммиак есть альфа и омега азотистого обмена веществ в растениях».
Мы видим, что классические исследования Прянишникова принесли разгадку и пролили свет на одну из самых сложных сторон в жизни растений — круговорот азота в растении, превращение белковых веществ, составляющих основу всякого жизненного процесса; приоткрыли завесу на путь, по которому пошли последующие исследователи, изучающие эту важнейшую главу физиологии растений. Нельзя говорить об академике Прянишникове, как об ученом и не сказать о нем, как о человеке, как о гражданине. В своем открытом приветственном письме к Клименту Аркадьевичу Тимирязеву, в день его семидесятилетия (1913 г.), Прянишников пишет: «Позвольте же выразить Вам, глубокоуважаемый Климент Аркадьевич, еще раз нашу искреннюю признательность за этот всегда сопутствующий Вам возвышенный энтузиазм, который вызывает подъем лучших чувств в слушателях Ваших и читателях, за ту отзывчивость, с которой Вы постоянно выступали в защиту того, что считали правым, и за ту горячность, за тот гнев, с которым нападали Вы на все, что считали противоречащим или пользе общественной, — как вы ее понимали, или стремлению к научной истине — за все это в сегодняшний день родина должна высказать Вам горячую двойную благодарность («спасибо за все: и за гнев и за ласку!») и столь же горячо пожелать Вам побольше светлых дней в будущем!»
Читая эти строки Прянишникова к своему учителю сегодня, хочется направить всю силу чувств этих слов, всю их искренность и правдивость к самому ученику, ибо каждое из них в полной мере отражает и личность самого автора. Исключительно преданный интересам науки, Дмитрий Николаевич на всем своем жизненном пути не отклоняется от намеченных задач, как бы ни были они трудны, а своим обаянием привлекает многих талантливых учеников, сделавшихся впоследствии самостоятельными научными работниками. Глубоко принципиальный, он всегда стоит за передовые идеи и поддерживает новые прогрессивные начинания; вместе с тем горячо выступает против того, что может повредить развитию отечественной науки, задержать признание передовых идей. Патриот своей родины, он постоянно поддерживает тесную связь с насущными практическими вопросами земледелия, а в годы Отечественной войны приложил все свои знания и силы к укреплению сельского хозяйства нашей страны, ведя широкую пропаганду за усиление продукции биологического азота взамен идущего на нужды войны азота промышленности. Перед нами большая жизнь большого человека. Пожелаем же ему побольше светлых дней в будущем!
