Пленка на поверхности суши

Пленка на поверхности суши

Дмитрий Рузаев

Призыв к возрождению отечественной науки стал неотъемлемым элементом современной политической риторики. Как и положено риторическому призыву, он не подлежит буквальному воплощению в жизнь хотя бы потому, что несет в себе ряд совершенно противоположных смыслов. Для одних научных дисциплин (по большей части гуманитарных) «возрождение» должно означать «все перечеркнуть и начать с белого листа». Для других, в которых отечественные школы в той или иной степени вовлечены в мировую кооперацию, под возрождением подразумевается главным образом поиск спонсоров, заинтересованных в участии российских специалистов в дорогостоящих экспериментах, то есть, в конечном счете, обеспечение сносных условий для существования наших ученых.

Есть, однако, целый ряд направлений, где эвфемизм «возрождение» не применим ни в каком толковании. Это научные дисциплины, в которых российские ученые всегда занимали и занимают лидирующие позиции, и остальному миру остается только на них равняться. Такие направления не вписываются в концепцию всеобщего кризиса и почти не упоминаются политиками и СМИ, и потому зачастую мы имеем о них весьма смутное представление.

Одно из них – изучение химического состава почвы. Образовавшаяся в дореволюционной России мощная научная школа почвоведения на протяжении почти столетия прочно удерживает лидирующие позиции в мире. Характерно, что многие западные исследователи специально изучали русский язык, а русские слова – chernozem, podzol, gley – стали международными научными терминами. Более того, именно сейчас в почвоведении накоплена критическая масса открытий, которые могут привести к локальной научно-технологической революции.

Русская наука

Почвоведение – наука молодая, как отдельная научная дисциплина сформировалась в конце XIX века. Создателем первой комплексной теории стал петербургский профессор Василий Докучаев, подробно описавший процесс образования почв и предложивший их базовую научную классификацию. Он же составил первую мировую почвенную карту. После этого «русская наука» была экспортирована на Запад.

Почвенный покров – это тонкая пленка на поверхности суши, ее толщина обычно не превышает одного-полутора метров. Докучаев первым определил почву как особое природное тело, сформировавшееся в результате воздействия климата и живых организмов на поверхностные слои горных пород. До него, несмотря на то что история земледелия насчитывает многие тысячелетия, на почву смотрели просто как на «прикладной объект хозяйствования» и не более того.

Среди многочисленных учеников Докучаева был и Владимир Вернадский, также оказавший большое влияние на развитие современного почвоведения. По словам директора Института почвоведения МГУ РАН и президента Докучаевского общества Глеба Добровольского, «Вернадскому принадлежит определение почвы как 'биокосного тела'. То есть почва совмещает в себе мир минеральных тел и мир живых существ. Вернадский показал, что большая часть химических и физических процессов, происходящих в почве, обусловлена населяющими ее организмами, более того, в ней сосредоточены девяносто процентов всех видов живых существ».

Работы Вернадского дали новый импульс исследованию одной из самых загадочных составных частей почвы, гумуса (собственно «почва» в переводе с латинского) – сложного органического образования, возникшего из останков живых организмов. Это странное химическое вещество впервые было выделено немецким естествоиспытателем Ахартом в конце XVIII века и определялось им как горючая органическая материя, получаемая из торфа. В следующем столетии химики «выжали» из него все, что смогли, особенно «упорствовал» швед Берцелиус, выделяя из гумуса вещество за веществом и давая им десятки наименований. Но и ему в итоге пришлось признать, что полное химическое описание этой запутанной смеси уму не подвластно.

Ко второй половине ХХ века был накоплен огромный экспериментальный материал, причем обнаружилось множество интересных вещей. Выяснилось, что гумус – важнейший фактор плодородия почвы, т. к. вещества, входящие в его состав, могут ускорять прорастание семян, а в качестве пищевой добавки повышать продуктивность животных. Они стимулируют иммунную систему живых организмов и предохраняют растения от пагубного воздействия загрязняющих веществ, попадающих в почву.

Естественно, эти результаты вызвали бум в области производства органических удобрений. Однако эффект от их применения далеко не всегда соответствовал рекламным заявлениям. Дело в том, что гумус не только чрезвычайно изменчив, но и неоднороден по составу, и потому разные его образцы по-разному действуют на растения. Прогресс в создании «гуминовых удобрений» с прогнозируемыми свойствами застопорился, поскольку точных количественных методов для определения их состава наука до недавних пор не знала.

Стохастический гумус

Серьезный прорыв в научном понимании гумуса наметился лишь в последней четверти XX века. Причем в 70...80-е годы к исследованиям в этой области стали проявлять повышенный интерес и «чистые химики». Однако поводом для этого послужили не запросы сельского хозяйства, а экологические проблемы. При изучении загрязнения почвы и воды оказалось необходимым учитывать влияние соединений гумуса, которые очищают среду, активно взаимодействуя с загрязняющими веществами. Гумус в почве и, особенно, в воде – основной природный фактор, связывающий тяжелые металлы, углеводороды и пестициды.

Впрочем, «чистые химики» исследовали главным образом растворимые части гумуса в природных водах – граница между химией и почвоведением проходила по береговой линии. Главным признаком, позволяющим провести предварительную классификацию гумусовых соединений, был выбран их элементный состав. Важный вклад на этом этапе внесла канадская школа Мориса Шницера, который применил практически все известные химические методы для анализа гумусовых соединений, а также школа Вольфганга Цихмана (Геттингенский университет), в 1980 году написавшего фундаментальную монографию о гумусе.

Однако наиболее заметную роль в быстром продвижении этих исследований в конце прошлого века сыграла советская школа почвоведения. Опубликованная в 1990 году итоговая монография заслуженного профессора МГУ Дмитрия Орлова стала своеобразной «новой гумусовой библией».

Немалая часть открытий в химии гумусовых соединений, совершенных в последнее десятилетие, сделана доктором химических наук Ириной Перминовой с коллегами (химический факультет МГУ). Руководимая ею группа, объединяющая химиков, биологов и почвоведов МГУ, – один из самых молодых научных коллективов в России (все участники не старше сорока лет).

В 80-е годы Ирина Перминова, работая в Московском институте глобального климата и экологии, готовила доклад для межправительственной комиссии по глобальному изменению климата (IPCC). Тогда же она пришла к выводу, что в исследованиях глобальных климатических изменений роль важнейшего показателя может играть концентрация в океанических водах гумуса – основного поглотителя углерода, регулирующего циркуляцию углекислого газа в атмосфере.

По словам г-жи Перминовой, в последние годы сделан важнейший шаг от элементного анализа гумусовых макромолекул к фрагментному. То есть эта область знаний достигла того состояния, в котором химия белков находилась в 50-е годы, когда аминокислоты были уже выделены, но закономерности их последовательного расположения в молекуле ДНК почти неизвестны. Такое отставание от белковой химии объясняется принципиальным отличием гумусовых веществ от остальной органики: белки, как и почти все изученные органические соединения, имеют детерминированный характер, а гумус по сути своей – стохастическое образование, то есть всегда имеется лишь некоторая вероятность того, что будет реализована конкретная молекулярная структура.

Ученые установили, что гумус представляет собой ансамбли гигантских нерегулярных молекул, с которыми прежде химикам практически не приходилось иметь дело. Тем не менее новые методы работы с веществами стохастического характера уже обеспечили настоящий прорыв в понимании химии гумуса. По мнению профессора Орлова, работы Ирины Перминовой позволили наконец решить задачу классификации гумусовых кислот по происхождению и фракционному составу. «В нашем коллективе, – говорит г-жа Перминова, – получены количественные описания взаимодействия гуминовых веществ с металлами, тяжелыми углеводородами, гербицидами и гидрофобными соединениями. Это позволяет достоверно прогнозировать опасность загрязнения вод и почв. Мы хотим теперь охватить все гумусовые вещества от угля до вод комплексным исследованием».

Искусственная почва

Естественно, далеко не все работы группы Ирины Перминовой проводятся в Москве, где парк научных приборов практически не обновлялся с 1984 года. Международную кооперацию в изучении гумуса координирует Международное общество по изучению гумусовых веществ (IHSS) со штаб-квартирой в Денвере (штат Колорадо, США). В Германии с 1995 года действует национальная программа «Изучение гумусовых веществ природных вод», объединившая более 30 исследовательских организаций. Результаты их работы попадают в аналитический центр Университета Карлсруэ, руководит которым профессор Фриц Фриммель, президент IHSS.

В рамках двустороннего российско-германского проекта (от финансирования которого наше Министерство промышленности, науки и технологий, впрочем, быстро устранилось) исследования проводятся в Институте экологической химии (Мюнхен), часть экспериментов ставится также в Университете Карлсруэ у профессора Фриммеля и в Институте высокомолекулярных соединений (Санкт-Петербург). Планирование же исследований и моделирование экспериментов происходят в Москве.

В 1998 году заработал новый научный проект, в котором московская группа участвует совместно с упомянутыми выше организациями и Иерусалимским университетом. Его цель – изучение детоксицирующих свойств гумуса. В процессе выполнения проекта возникло еще одно перспективное направление – изучение физиологического воздействия гумуса.

Целительное свойства гумусовых веществ известны давно (например, лечебные грязи), но эффект слабо изучен. Ирина Перминова уверена, что необходимо выделить те фракции гумуса, которые этот эффект обеспечивают. Следующим же шагом должно стать изучение молекулярных механизмов действия гумусовых веществ. Сегодня уже разработаны «гуминовые удобрения», повышающие иммунитет растений и восполняющие недостаток отдельных микроэлементов, получены пищевые добавки для животных, действие которых можно сравнить с действием витаминов. На подходе – разработка лекарств на основе гумусовых соединений.

Ученики Ирины Перминовой изучают взаимодействие комплексов гумусовых кислот с минеральными веществами и влияние их на растения, то есть начинают моделировать почву на химическом уровне в лабораторных условиях. Перспективой этого направления может стать «сельскохозяйственный конвейер без почвы» на основе искусственной питательной среды для растений, более совершенный, чем применяемая гидропоника.

Все эти разработки требуют не только привлечения новых специалистов, но и инвестиций. Поэтому бизнес-стратегия г-жи Перминовой предполагает параллельно с ведущимися перспективными разработками продвигать на рынок результаты прежних, завершенных исследований. Обсуждается проект с Московским институтом горючих ископаемых по использованию окисленных углей для извлечения биологически активных гуминовых соединений, идет совместная работа с Минским институтом торфа. Ведутся переговоры с одним из крупнейших производителей удобрений на гумусовой основе, немецкой фирмой Humintech, которая заинтересована в соединениях гумуса с металлами – экологически безопасных удобрениях для подкормки растений железом и другими микроэлементами.

Несмотря на, казалось бы, яркий пример конкурентоспособности российской науки, это направление не только не включено в список приоритетных, но даже сама тема «химия окружающей среды» была вычеркнута около года назад из реестра официально утвержденных научных специальностей. И даже защищать по ней диссертации стало невозможно.