Текст книги "Дело в химии. Как все устроено?"

Откуда растения берут энергию

До того как начать рассуждать о пестицидах, гербицидах или удобрениях, следует рассказать о фундаментальном процессе растительного мира: фотосинтезе.

В первом рассказе мы уже узнали, что для поддержания здоровья надо есть самую разную пищу, неорганическую, к которой относятся минеральные соли, и органическую, такую как сахара и белки.

Точно так же в питании нуждаются и растения, но, в отличие от животных, они способны сами синтезировать все органические молекулы, в которых нуждаются для жизни, из самых простых веществ. Нам нужно съесть сложную молекулу, которую мы «сжигаем» внутри организма, чтобы получить энергию для наших нужд; растения поступают наоборот, они из химических базовых веществ, таких как вода, углекислый газ и минеральные соли, могут создать самостоятельно сахара и другие жизненно важные молекулы.

Организмы, которые способны автономно синтезировать органические соединения, необходимые для их выживания, называются автотрофами и играют важнейшую роль в экосистеме. Они превращают молекулы, которые для нас и других животных являются лишь отходами, такие как окись углерода, в более сложные соединения, богатые энергией и питающие нас.

Утверждение, к которому мы будем постоянно возвращаться в этой книге, гласит, что из ничего нельзя получить энергию. Клетки нашего организма, чтобы исполнять свои функции, нуждаются в энергии, и мы даем им эту энергию с пищей – например, поедая вкусный бифштекс. Однако откуда берется энергия в самом бифштексе? Она образуется из химических веществ, любовно синтезированных бедной коровкой в течение всей ее жизни. А откуда же коровка взяла энергию, чтобы синтезировать эти составляющие? Она ее получила, питаясь травкой, ее драгоценными углеводами. А травка откуда же добыла энергию, чтобы создать пищу для коровки? Она получила энергию от солнца, поглотив свет, производимый нашей матерью-звездой. Это восхитительное свойство растений: превращать энергию света в химическую, единственный вид энергии, который могут использовать наши клетки в процессе метаболизма.

Способность превращения энергии света в химическую лежит в основе знаменитого процесса фотосинтеза.

Чтобы представить этот процесс в виде химической формулы, мы должны написать что-то вроде:

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

На первый взгляд это выражение может показаться очень сложной формулой, но на самом деле оно простое и логичное. В левой части формулы находятся реагенты, то есть химические вещества до реакции, а справа – продукты реакции. Числа, которые находятся перед химическими обозначениями (коэффициенты) означают количество молекул определенного вещества, вступающих в реакцию.

Среди реагентов мы видим две разных молекулы: CO₂ – это формула всем известного углекислого газа, его молекула образована из одного атома углерода и двух кислорода, а H₂O уж точно прекрасно знакома всякому.

А среди продуктов реакции обнаруживается молекула кислорода (O₂), вместе с другой, которая кажется весьма громоздкой из-за того, что в ней целых шесть атомов углерода, двенадцать водорода и шесть кислорода. На самом деле это глюкоза, основная молекула метаболизма всех живых существ, от бактерии до слона.

И говоря простыми словами, эта формула хочет нам сказать:

Шесть молекул углекислого газа реагируют с шестью молекулами воды, чтобы образовать одну молекулу глюкозы и шесть молекул кислорода.

Обратите внимание на очень важный момент: химическое уравнение описывает ситуации на входе и на выходе, но ничего не сообщает о том, как идет сам процесс. Это практически, как написать:

Масляные краски + холст → звездная ночь

Как холст сам не превратится в картину, даже если вы положите краски сверху, так и в банке с углекислым газом ничего не произойдет, если вы просто нальете туда воды (к сожалению). Реакция не только не происходит сама по себе, спонтанно – то есть нужен кто-то, создающий необходимую для события энергию, – но и требует какой-то особой машинерии, заставляющей углекислый газ и воду образовать именно глюкозу, а не метанол, этанол или еще какую-нибудь органическую молекулу. Короче: для того чтобы создать «Звездную ночь», нужен не просто художник, который умеет держать кисть и рисовать, но нужен непременно Ван Гог.

Только растения (в компании с небольшим количеством микроорганизмов), благодаря миллионам лет эволюции, умудрились изобрести «стратагему», способную задействовать эффективным образом фотосинтез. Сердцем удивительного молекулярного устройства стал хлорофилл, пигмент, благодаря которому растения окрашены в зеленый цвет. В компании с другими пигментами, присутствующими в меньшей концентрации, хлорофилл поглощает солнечный свет и превращает его в энергию, которая питает сложную последовательность реакций, в результате которых образуется глюкоза и другие важные для здоровья растений реакции.

Хлорофилл зеленый не случайно. Мы видим его зеленым, потому что он поглощает видимый свет в красно-оранжевом (самый активный в фотосинтезе) и сине-фиолетовом (используется для других процессов – цветение и синтез белка) спектрах. Представьте себе, если в радуге пропадут красная, оранжевая, синяя и фиолетовая полосы: что останется? Зеленая и капелька желтой, естественно. С удивительным миром красок мы познакомимся в рассказе 4 и вместе узнаем, почему одни молекулы поглощают свет, а другие – нет.

Растения весьма чувствительны к цвету световых лучей, их освещающих, настолько, что если некое растение освещать зеленым, оно начнет ускоренно расти ввысь, забросив другие физиологические процессы. Почему? Все просто: если растение освещается зеленоватым светом, то воспринимает это как соревнование с другими растениями, затеняющими его. И реагирует так, будто оказалось в тени более высокого растения, поэтому меняет собственный метаболизм так, чтобы вырасти как можно выше и добраться до света. Если сделать освещение синим или красным, можно вызвать иные процессы в растениях: в зависимости от спектра света, который оно получает, растение может реагировать и вести себя очень по-разному, активизируя или прекращая синтез определенных молекул.

Это побуждает нас задуматься над очень важным выводом: растение – живое существо. Возможно, это ни для кого не новость, а обычная банальность, но это та банальность, о которой мы не очень часто задумываемся. «Быть овощем», «стать овощем» – кто из нас не использовал эти выражения, говоря о состоянии комы или серьезных неврологических нарушениях? Конечно, у растений нет центральной нервной системы и мозга, и у них нет болевых рецепторов. Нет смысла, конечно, говорить о боли, страхе или сознании. Тем не менее растения представляют собой очень сложные организмы, реагирующие на стимулы, как и другие живые существа, хотя не ходят и не покрикивают.

Растение Mimosa pudica (мимоза стыдливая) обладает способностью складывать листочки, когда ее трогают. Достаточно легко ее коснуться, чтобы она сложила свои листья. Если, конечно, не успокоить ее хлороформом или иным анестетиком (это вовсе не шутка). Многие растения обладают более коварными защитными механизмами. Некоторые в ответ на опасность начинают выделять токсичные вещества, например, при нападении гусениц или тли, которые собираются их сожрать. Мы углубимся в эту тему чуть далее, а пока маленькое предупреждение: значительная часть пестицидов, которые мы съедаем, производится… самими растениями.

Другой весьма любопытный факт из жизни растений. Точно так же, как и организм животного, организм растения передает сигналы посредством электрических импульсов, в точности как наши нейроны. В 2014 году группа ученых из Университета Лозанны продемонстрировала, как Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля), весьма распространенное растение, не представляющее никакого сельскохозяйственного интереса, но активно используемое в исследованиях по растительной физиологии, реагирует электрическими сигналами на присутствие паразитов, хотя сам механизм, регулирующий это поведение, еще до конца не ясен.

По ту сторону света

Мы увидели, как растения могут с помощью фотосинтеза синтезировать глюкозу, которая служит «топливом» для снабжения клеток энергией. Тем не менее растениям нужно еще и вытягивать из земли другие питательные вещества, необходимые для выживания, в частности воду и минеральные соли.

Если бы мы провели анализ листа салата, то обнаружили бы, что он содержит все девяносто природных элементов периодической таблицы, включая золото, вольфрам, ртуть, даже уран, хотя большинство из них, по мнению ученых, не играют никакой роли в биологии.

Элементов, необходимых для жизни растения, на самом деле совсем немного, всего шестнадцать. Некоторые из них – так называемые макроэлементы – необходимы в бо́льших количествах, в то время как других, микроэлементов, достаточно совсем чуть-чуть. Чтобы вы могли примерно понять масштабы, я приведу типичное соотношение между содержанием азота (макроэлемент) и молибдена (микроэлемент) – оно равно 10000:1. То есть если растение содержит 1,5 % азота, то молибдена в нем 0,000001 %. Тем не менее, несмотря на столь микроскопические количества, молибден входит в состав некоторых ферментов, необходимых растениям для синтеза белков и метаболизма азота.

Самыми важными макроэлементами служат углерод и кислород (получаемые растениями из углекислого газа, СО₂), а вода используется для получения водорода. Эта информация не должна вас удивлять: эти три элемента лежат в основе фундаментальной структуры органических молекул. Если же обратить внимание на минеральные элементы, которые растения берут из земли, то окажется, что важнее всего для них азот и калий, а затем фосфор, сера, кальций и магний.

На почвах, которые не содержат необходимого количества одного из этих элементов, невозможно ничего вырастить. Именно в связи с этим уже в середине XIX века знаменитый химик Юстус фон Либих сформулировал закон минимума, согласно которому рост растения ограничен не только общим объемом питательных веществ, но и наличием в питательной среде одного основного минерала, который находится в относительно малом запасе. Другими словами, если почва изобилует азотом, но в ней нет калия, на ней не получится создать растительное разнообразие. Если попытаться найти подходящее сравнение, то это как если бы вы хотели приготовить пасту карбонара из десяти килограммов макаронных изделий, пяти килограммов ветчины и одного яйца. Максимальное количество порций будет ограничено этим единственным яйцом.

Ко всему вышесказанному надо добавить и другой фундаментальный фактор – избыток определенных элементов может быть не менее вреден, чем их отсутствие. Порой даже более. Возьмем в качестве примера всем известный натрий. Те, кто увлекался историей Древнего Рима, могут вспомнить знаменитый эпизод. Римляне после завоевания Карфагена посыпали все поля карфагенян солью, чтобы сделать их бесплодными. А верующие вспомнят, как пророк Иеремия обратился к людям, слишком привязанным к материальным ценностям: «Он будет как вереск в пустыне и не увидит, когда придет доброе, и поселится в местах знойных в степи, на земле бесплодной (в земле солончаков), необитаемой» (Иеремия 17, 5–8).

С исторической точки зрения возможно, что разбрасывание соли (хлористого натрия) было, скорее, символическим жестом, учитывая то, что для порчи полей потребовалось бы столь огромное количество соли, что не ясно, как ее можно было бы доставить.

Это должно позволить понять, как на самом деле сложно соблюсти баланс минеральных солей, чтобы оптимизировать урожай.

Урожайность почвы зависит не только от питательных веществ, но и от множества других факторов, таких как ее органический состав, обилие микроорганизмов, физической «структуры». По этой причине термин «удобрение» относится не только к веществам, используемым для обогащения почвы питательными веществами, но и к составам, которые изменяют ее pH или физические свойства. Здесь мы сосредоточимся на питательных удобрениях[6]6
  ФАО, Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН, издает множество бесплатных, высококачественных пособий по различным вопросам сельского хозяйства.


[Закрыть].

В древние времена первые поселенцы селились там, где почвы были плодородными от природы, поскольку рядом протекали реки. Подумаем, к примеру, чем был Нил для древних египтян. Египтяне даже называли свою страну Кемет, Черная земля, имея в виду слои ила, которые оставлял Нил после сезонных разливов. Они понимали, что ил – черная земля, богатая минеральными солями, которую Нил разносил своим течением, – был для них благословением. Египтяне создали систему каналов, чтобы во время половодья вода распределялась как можно равномернее, а потом, спадая, не уносила плодородный слой, который бы в то же время не пересыхал на африканском солнце.

Уже самые ранние цивилизации заметили, что постоянное использование одного и того же поля для посевов – не самая удачная идея, что почвам необходим «отдых», чтобы восстановить плодородие. Зарастание дикой травой позволяло почве подпитаться органическими веществами, привлечь животных, удобрявших ее своим пометом, богатым органикой, микроорганизмами и минеральными солями.

Наиболее распространенной была двупольная система севооборота, в которой поля засевались по очереди через год – одно засаживалось, а второе отдыхало. Но уже в Средние века люди поняли, что эта система не идеальна, ее использование не позволяло повысить урожайность кардинально. Начало применяться трехполье, оно было намного эффективнее: первое поле засевалось зимой озимыми культурами – пшеницей или рожью, летом – яровыми – ячменем или овсом; второе поле – бобовыми (чечевица, горох), а третье поле оставалось под паром. Этот подход был гораздо эффективнее двуполья, по двум причинам: во-первых, ежегодно засеивались две трети полей, а не половина, как при двупольном севообороте. А во-вторых, что очень важно, использовалось удивительное свойство бобовых: в сельском хозяйстве они помогают насытить почву, истощенную зерновыми, азотом.

В корнях бобовых живет на самом деле бактерия, Rhizobium leguminosarum, умеющая связывать азот из атмосферы, – она превращает газообразный азот в усваиваемую растениями форму – ион нитрата (NO₃ ^—) или ион аммония (NH₄ ⁺). Азот – один из самых важных питательных элементов для растений, поскольку он входит в состав хлорофилла и растительного белка и вовлечен практически во все фазы жизни растения: рост, созревание, производство листвы. Хотя газообразный азот служит основным компонентом атмосферы – до 78 % воздуха, которым мы дышим, состоит из молекулярного азота, – растения не способны поглощать его непосредственно и сразу использовать. Для них единственной возможностью получить его – является всасывание из почвы, корнями, ионов аммония или нитрата. Вспомните, как мы уже говорили в предыдущей главке, что химические свойства чистых элементов могут сильно отличаться от свойств их соединений? Ну вот, тому яркий пример.

Абсолютно бесцветная, лишенная запаха и вкуса молекула азота очень стабильна, и ее очень трудно заставить вступить в реакцию с другими веществами. Химики на своем профессиональном языке говорят, что молекула азота инертна. Представьте, что, когда мы, химики, работаем с очень опасными веществами, которые при контакте с кислородом или водяным паром в атмосфере могут взорваться или воспламениться, мы используем азот, чтобы работать в инертной атмосфере, – для этого из лаборатории выкачивают воздух и заполняют ее азотом.

А вот аммиак (NH₃) и азотная кислота (HNO₃), наоборот, – вещества, вступающие в реакцию при первой же возможности. На самом деле эти молекулы даже слишком активны: я надеюсь, что и без этой книги вы сможете себе представить, что будет, если полить цветочки азотной кислотой.

Не вдаваясь особо в детали, достаточно знать, что аммиак и азотная кислота легко превращаются в производные, ионы нитрата и аммония, которые нам уже раньше попадались, – они безвредны и легко абсорбируются.

И вот тут начинает действовать фундаментальное правило связывающих азот микроорганизмов, которые, благодаря сложным, но удивительным «молекулярным лабораториям», то есть комплексу ферментов, так называемой нитрогеназе, способны управлять превращением атмосферного азота в молекулы, о которых мы говорили выше.

Большая часть работы по связыванию азота выполняется симбионтами, микроорганизмами, которые не могут существовать в одиночестве и развиваются только в присутствии других организмов, с которыми «сотрудничают», чтобы выжить. Такова и Rhizobium leguminosarum, бактерия, которая стала первым открытым биологами бактерией, связывающей азот. Она живет в симбиозе с бобовыми, образуя характерные узелки у них на корнях. Rhizobium снабжает растение азотом, а растение платит ей, помогая синтезировать углеводы. И все довольны: бактерия получает углеводы, растение – азот, а крестьянин – почву, которая после урожая становится еще более плодородной и богатой азотом.

До возникновения сельскохозяйственной химии способов повысить урожайность было всего два: использование помета животных в качестве удобрения и севооборот с посадкой бобовых, как мы только что убедились. Но постоянный рост народонаселения требовал постоянного повышения урожайности полей, и постепенно оказалось, что конский навоз и ежегодное чередование посевов уже не годятся.

До открытия Юстусом фон Либихом в 1840 году необходимости азота для роста сельхозкультур интерес к его соединениям ограничивался военными нуждами, то есть селитрой, одним из компонентов пороха? и скромными потребностями в аммиаке и азотной кислоте. Только после важного открытия сельскохозяйственный мир заинтересовался возможностями использования производных азота для повышения урожайности.

По сравнению с использованием навоза или чередования культур, это могло бы позволить не только увеличить урожайность, но и добиться большей защиты от неурожая.

Сегодня удобрения стали относительно дешевыми, но в конце XIX века методы эффективного синтезирования азотсодержащих молекул еще не существовали, и единственной возможностью оставалась добыча нитрата натрия (NaNO₃) из природных месторождений. Во второй половине XIX века и первой половине века ХХ эти месторождения были столь ценным ресурсом, что нитрат натрия называли «белым золотом». В Чили, – главном экспортере этого минерала, – экспорт нитрата натрия приносил 60–80 % всех экспортных доходов. Шахты «чилийской селитры» – так назывался нитрат натрия в те времена – были столь ценны, что из-за них между Чили и Боливией с Перу происходили даже вооруженные столкновения, получившие название Тихоокеанская война, которая продолжалась с 1879-го по 1884 год.

Прошло не так уж много времени, и люди осознали, что спрос на удобрения стал столь высок, что никакие шахты не смогли бы удовлетворить спрос: нужна была альтернатива.

Как аммиак спас (и разрушил) мир

Когда мы сегодня приходим в супермаркет, то обнаруживаем готовые к употреблению растворы аммиака в отделе чистящих средств. Он экономичен и эффективен, прост в употреблении, и мы так привыкли к нему, что практически перестали его замечать. Это как соляная кислота, отбеливатель-хлорка или спирт: древние, всем известные вещества, которыми пользовались еще наши бабушки и прабабушки, часть повседневности.

Но для химика аммиак (NH₃) – это молекула, ставшая символом важнейшего переворота современности, чуть ли не главная молекула ХХ века. Промышленный синтез аммиака лег в основу всей современной химии, он же позволил более чем семи миллиардам человек выжить на бледно-голубой точке (перефразируя Карла Сагана[7]7
  Pale Blue Dot (англ. бледно-голубая точка) – название, предложенное американским астрономом, астрофизиком и выдающимся популяризатором науки для фотографии нашей планеты на фоне космоса, сделанной космическим зондом «Вояджер-1» с рекордного расстояния (прим. пер.).


[Закрыть]).

Реакция, о которой идет речь, относительно проста:

N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃

Эта химическая формула сообщает, что одна молекула азота реагирует с тремя молекулами водорода, в результате образуются две молекулы аммиака. Прежде всего попробуем понять, откуда взялись эти коэффициенты, то есть почему одна молекула азота реагирует именно с тремя молекулами водорода, а не, скажем, с двумя или четырьмя.

В самом начале главы мы уже сформулировали фундаментальное правило: «Энергия не создается из ничего и никуда не исчезает». То же самое верно и для материи. Мы можем связать три атома между собой, изменить их расположение, но не можем заставить их исчезнуть или создать их из ничего. Этот закон называется законом Лавуазье, в честь французского химика Антуана Лорана Лавуазье, отца современной химии – первооткрывателя кислорода и водорода, ученого, доказавшего важность такого лабораторного инструмента, как весы, первого исследователя физиологии дыхания. Лавуазье гильотинировали по решению французского революционного трибунала под лозунгом «Республика не нуждается в ученых».

Закон гласит, что атомы, находящиеся в левой части уравнения реакции, должны быть и в правой ее части, в тех же количествах. Если мы запишем уравнение реакции как N₂ + H₂ → NH₃, она утратит смысл: слева у нас будут два атома водорода и два азота, а справа – один азота и целых три водорода. Чтобы сбалансировать уравнение, нужно напрячь наш разум. Можно представить ее чем-то вроде судоку, головоломки из воскресной газеты: задача состоит в том, чтобы, умножая каждую молекулу на некий коэффициент, добиться равного количества атомов справа и слева. Если вы хотите развлечься, можете попробовать проверить, уравновешено ли уравнение образования глюкозы с помощью реакции фотосинтеза, приведенная в самом начале главы.

Таким образом, реакция, которую мы рассматриваем, кажется, на первый взгляд, достаточно простой. Смешиваем водород с азотом, немного нагреваем, и пожалуйте – аммиак. Само собой, все совсем не так просто. По сравнению с синтезом глюкозы из CO₂ и воды, конечно, все более определенно. Если азот и водород реагируют друг с другом – у них практически нет иного выбора, как превратиться в аммиак. Но проблема в этом самом «если» – как их заставить реагировать. Вплоть до середины XIX века аммиак получали вовсе не соединением водорода и азота, а из селитры, добываемой в Чили. Технологии массового производства просто не существовало.

Революция случилась между 1905-м и 1910 годами, когда два немецких химика, Фриц Габер и Карл Бош, создали один из самых знаменитых промышленных химических процессов: процесс синтеза аммиака из элементов Габера – Боша. История этого процесса заслуживает отдельного внимания, поскольку являет собой один из ярчайших примеров того, как один и тот же человек может служить и добру, и злу, и как одно и то же научное открытие может быть использовано для спасения человечества и его же уничтожения.

Фриц Габер[8]8
  Если история Фрица Габера вас заинтересовала, я могу посоветовать прочесть статью A brief biography of Fritz Haber/Краткая биография Фрица Габера Бретислава Фридриха (Bretislav Friedrich), размещенную на сайте Института им. Фрица Габера Общества Макса Планка в Берлине (Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft; https://www.fhi-berlin.mpg.de/history/Brief_Bio_Haber.pdf).


[Закрыть] родился в Пруссии в декабре 1868 года, в богатой семье еврейского происхождения, построившей состояние на торговле красителями и фармацевтическими препаратами. История его юности и его страсти к химии поражает современностью: мальчик смог развивать страсть к науке, вероятно, связанную с отцовским бизнесом, благодаря помощи дяди, снабжавшего его реактивами и предоставлявшего помещение. Когда Фриц закончил гимназию, отец хотел привлечь его к семейному делу, но вынужден был сдаться перед настойчивостью сына, жаждавшего продолжить учебу. Юноша продолжил обучение в Берлине под руководством Германа фон Гельмгольца и Августа фон Гофмана. Последний, считающийся одним из отцов современной органической химии, стал руководителем докторской диссертации, защищенной Габером с блеском. Прожив несколько лет в Пруссии, работая над небольшими проектами, Габер наконец поступил на работу в Цюрихский федеральный политехнический институт, потом переехал в Йену и, наконец, оказался в Карлсруэ, где проработал семнадцать лет и получил звание ординарного профессора.

Исследования синтеза аммиака он начал в 1903 году, но поначалу результаты были разочаровывающими. Обнаружилось, что даже при температуре 1000 °C выход реакции составлял не более 0,0044 %. То есть результат был практически… нулевым. Это не было совсем уж неожиданностью: уже было известно, что из-за целого ряда термодинамических причин теоретический результат этой реакции – то есть максимальное количество продукта, которое можно получить в лучшем случае, – уменьшается с ростом температуры. С другой стороны, при температуре окружающей среды реакция идет слишком медленно для получения какого-либо практического результата. Столкнувшись с этими трудностями, Габер оставил исследования аммиака, чтобы вернуться к ним несколько лет спустя из-за научного спора с Вальтером Нернстом, отцом современной электрохимии. В 1908 году, к своей огромной радости, Габер смог получить вожделенный результат: процесс пошел при температуре около 600 °C и давлении 200 атмосфер, благодаря использованию катализатора на основе осмия, и дал приемлемый результат. Карл Бош, химик, сотрудник BASF[9]9
  Badische Anilin– und Soda-Fabrik, в переводе с немецкого – «Баденский анилиновый и содовый завод», крупнейший в мире немецкий химический концерн, основан в 1865 году (прим. пер.).


[Закрыть] (по сей день остается крупнейшим химическим предприятием в мире), смог оптимизировать процесс так, чтобы он стал доступным в промышленном масштабе. Бош использовал новый катализатор на основе железа, относительно недорогой и более эффективный по сравнению с осмием.

Сегодня слово «катализатор» уже стало словом обыденного языка, но все-таки требует пояснения: катализатор – это вещество, которое, даже присутствуя в микроскопических количествах, ускоряет химическую реакцию. Представьте себе шарик, находящийся в равновесии на вершине горы: в этом случае катализатором послужит некая сила, которая подтолкнет шарик, чтобы он скатился со склона. Катализатор – это «посредник», он не оказывает влияния ни на исходную точку, ни на точку прибытия, он просто ускоряет процесс движения. И его роль далеко не банальна, ведь без катализатора многие реакции стали бы столь медленными, что просто бы никогда не закончились. Кроме того, существуют конкурирующие между собой реакции: из двух реагентов А и В могут путем разных реакций получиться как вещество С, так и вещество D, и так далее, но именно катализатор делает одну реакцию быстрее другой, и она становится победителем относительно других. Замечательными примерами катализаторов служат ферменты в нашем организме, способствующие химическим реакциям, постоянно происходящим в наших клетках, и управляющие ими. В случае отсутствия или поломки того или иного фермента, последствия, как правило, плачевны.

В промышленном производстве правильный катализатор служит залогом успеха и определяет экономическую выгоду.

Именно поэтому процесс Габера – Боша произвел революцию – впервые в истории он сделал производство аммиака (и других производных азота) в широких масштабах экономически успешным, устранив зависимость от запасов полезных ископаемых.

Этот успех позволил Габеру стать одним из ведущих ученых прошлого века. Благодаря открытию он возглавил новый Институт физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма и плодотворно сотрудничал с самыми известными академическими учеными своего времени, в том числе и с Альбертом Эйнштейном, с которым они стали друзьями. Все это случилось в период 1912–1913 годов, когда мировая война уже была на пороге.

В Первую мировую войну нитратные запасы стали стратегическими не только потому, что служили удобрениями, но и потому, что они легли в основу производства боеприпасов. Когда Великобритания начала блокаду Германии на море и военный флот Великобритании схлестнулся с флотом Германской империи, поставки селитры из Чили были приостановлены, и немцы вынуждены были обратиться за помощью к новым технологиям, созданным Габером и Бошем, чтобы произвести аммиак, а из него необходимые нитраты.

К несчастью, патриотизм Габера заставил его пожертвовать наукой и химией в пользу войны. Габер самым решительным образом поддержал Германию в химической войне и, пользуясь своим влиянием, убедил военачальников провести первые «испытания» прямо на поле боя, полагая, что использование столь ужасного оружия сможет привести к быстрому окончанию войны и спасет многие жизни. В результате 22 апреля 1915 года неподалеку от бельгийского города Ипр из 5700 баллонов было выпущено 167 тонн газообразного хлора. Тысяча людей погибли мучительной, страшной смертью. Испытание нового оружия повторилось еще через несколько дней, и последствия были еще более трагическими: четыре тысячи мертвых, десять тысяч раненых.

«Успех» этой операции принес Габеру звание капитана, но отнял у него жену. Клара Иммервар, тоже блестящий химик, была в ужасе от поведения Фрица, которое она называла «научным извращением» и считала «признаком варварства, искажением смысла работы, призванной раскрывать секреты жизни»[10]10
  Эта фраза была приписана Кларе Моррисом Гораном (Morris Goran) в книге The Story of Fritz Haber, University of Oklahoma Press (1967).


[Закрыть].

Когда Фриц вернулся домой и праздновал успех при Ипре, Клара покончила с собой, выстрелив себе в грудь из пистолета мужа, умирающую мать обнаружил их тринадцатилетний сын Герман. (В 1945 году Герман тоже покончит с собой.)

Знавший о случившемся Габер отправился тем не менее на следующий день на Восточный фронт, чтобы продолжить испытания химического оружия.

Габер продолжил свои исследования, приведшие его к открытию еще двух печально известных молекул: фосгена и иприта (горчичного газа). И вновь женился в 1917 году. Конец войны он встретил в Швейцарии, спасаясь от суда за жестокое умерщвление 92 тысяч солдат, погибших от созданного им химического оружия, и нанесение поражений более чем миллиону человек. Вопреки его исходным убеждениям, химическое оружие не сократило войну ни на один день.

Как часто случается в подобных случаях, вскорости все было забыто, и Габер не только вернулся к своей прежней работе, как будто ничего не случилось, но и получил Нобелевскую премию за исследования синтеза аммиака. Мотивация вручения премии именно ему основывалась на важности его изобретения для сельского хозяйства, хотя оно и использовалось в военных целях во время Первой мировой войны.

Габер возобновил свои академические исследования и сконцентрировался на работе института, в котором трудились многие ученые с мировым именем, обеспечившие славу химии и науке.

Параллельно он продолжил тайные исследования химического оружия под эгидой немецкого правительства до тех пор, пока в 1933 году ему не пришлось покинуть рейх не только по причине еврейского происхождения, но и вследствие внезапного акта мужества – он отказался выполнить приказ нацистов и уволить коллег-евреев. Фриц Габер умер в 1934 году в Базеле, и был похоронен там же вместе с первой женой Кларой.

Благодаря процессу, носящему его имя, сегодня в мире ежегодно производятся 180 миллионов тонн аммиака, 88 % которых используются для производства удобрений. Население планеты смогло вырасти с 1,6 миллиардов человек в 1900 году до 7 миллиардов сегодня в том числе и благодаря развитию сельского хозяйства, ставшему возможным в результате доступности и дешевизны азотных удобрений.