Азотфиксация

Здравствуйте, уважаемые читатели блога репетитора  биологии по Скайпу biorepet-ufa.ru.

Знаете ли вы что такое азотфиксация?

Вчера мы говорили о фотосинтезе — процессе, обеспечивающем все живое на Земле такими органическими веществами как углеводы.

Углеводы?! И все!  Только «угле-воды»? А это ведь всего три элемента-органогена, необходимые для жизни: С, О, и Н…

Прозорливый ум вправе спросить меня, репетитора по биологии,  а откуда же берется на планете для жизни четвертый элемент-органоген азот N?

Без азота ведь не обеспечишь клетки ни белками, ни нуклеиновыми кислотами — этими биополимерными молекулами, составляющими основу жизни. Немного терпения и мы скоро все узнаем.

Значит, наряду с фотосинтезом на нашей планете должен существовать не менее глобальный процесс, связанный с появлением азота N в живых системах. Да, должен существовать. И он существует! Это биологическая азотфиксация.

                                                         Азот и жизнь

Пожалуй нет в биологической науке большего парадокса, чем ее отношение к азоту. Давно известно, что в большом количестве  азот на Земле находится лишь в воздухе в виде молекулярного азота  N₂. В атмосферном воздухе азота содержится около 80%.

Впервые азот в воздухе был обнаружен еще в XVIII веке французским химиком Лавуазье. Поместив мышь (не компьютерную — живую) под герметичный стеклянный колпак, через 20 мин он констатировал ее смерть. Как  по вашему назвал  Лавуазье газ под колоколом, «убившем» по его мнению бедное животное?

Все вроде бы правильно — «а-зот». «А» — отрицание, «зоо» — жизнь. Веществом «против жизни», то есть азот — вещество, убивающее жизнь. Но мы то понимаем, что мышь просто задохнулась, так как под колпаком кончился кислород для дыхания.

Но, как говорится, с легкой руки Лавуазье азот — этот непременный компонент всего живого и по сей день фактически произносится как «убийца жизни». Но на этом, поверьте мне, репетитору  по биологии, терминологическая казуистика с азотом не заканчивается.

Уже в XX веке было показано, что действительно азот может быть пагубен для жизни. Но, конечно, не инертный молекулярный азот воздуха, а нитратный азот NO₃, вносимый человеком в почву в виде удобрений под растения в избыточном количестве.

Избыточные нитраты в растениях могут превращаться в нитриты NO₂. А нитриты — это действительно сильный яд… Так ли уж был не прав Лавуазье?

                                         Так что же такое азотфиксация

Азотфиксация — это  процесс связывания молекулярного азота атмосферы N₂ некоторыми бактериями-азотфиксаторами, живущими в почве (на фото клетки бактерии азотобактер). Таким образом, весь связанный почвенный азот, а значит и азот всей биомассы ныне живущих  существ на Земле — это результат их многомиллионолетней деятельности.

Представляете, никто другой кроме почвенных бактерий не способен питаться азотом воздуха, несмотря на то, что все живое на Земле буквально купается в нем. Это связано с тем, что молекулярный азот имеет прочную тройную ковалентную связь, которая оказалась «по зубам» лишь бактериям, имеющим в своих  клетках специальный фермент — нитрогеназу.

Сколько «копий было сломано», пока выяснили этот факт. Приписывали возможность к азотфиксации и грибам (один из разделов моей кандидатской диссертации), и растениям, и даже животным.

Очень уж не верилось,  как же так, азот в виде белковой пищи необходим всему живому в огромных количествах. А где его взять? Только в атмосфере его много, а в почве в связанной форме доступной для питания растений его, как говорится,  «с гулькин нос».

              А «изобретенный велосипед» оказался со ржавчиной

Как восполнить дефицит белковой пищи? Изобрел человек тогда процесс производства азотных удобрений. А из чего их создавать, где азота больше всего на планете? Конечно из воздуха… Но, что это за процесс? Человек научился связывать молекулярный азот с водородом для производства аммиака NH₃ по реакции Габера (изобретенной еще в начале  XX века).

Осуществление этого процесса требует затрат огромного количества энергии для поддержания давления в реакционной смеси в 500-1000 атм. и температуры 500 градусов.  Габер, великий Габер, заслуженно получивший за свое изобретение Нобелевскую премию,  знал бы он, что через 50 лет будет описан процесс азотфиксации, осуществляемый непосредственно в природе бактериями…

Оказалось, что азотфиксирующие бактерии, имеющие специальный фермент нитрогеназу, осуществляют ту же реакцию образования аммиака из молекулярного азота и водорода, но при обычных земных условиях, при  давлении  1 атм. и температуре 15-25 градусов.

Это наглядный пример, показывающий насколько рациональна жизнь, насколько биохимические клеточные реакции совершеннее химического катализа.

Связь двух глобальных биосферных процессов фотосинтеза и азотфиксации

Не случайно я вчерашнюю тему по фотосинтезу объединяю с темой азотфиксации, потому что эти два процесса в природе тесно сопряжены.

Оказалось, что частью своих продуктов фотосинтеза,  растения делятся с бактериями-азотфиксаторами, поселяющимися в их корневой зоне. За счет энергии углеводов (а получается за счет солнечной энергии) бактерии связывают азот воздуха и  кормят им растения (ассоциативная азотфиксация).

Таким образом, растительные белки и нуклеиновые кислоты имеют в своем составе N, полученный бактериями из воздуха.

Всё — круговорот замкнулся. Фотосинтез поставляет в экосистемы углеводы (а это значит С,О и Н), а бактерии азотфиксаторы, особенно активно работающие вблизи растений, доставляют еще и N.

Кроме такой ассоциативной азотфиксации в природе существует и более тесная симбиотическая азотфиксация.

Такой способ существования характерен для бобовых растений и некоторых древесных пород растений. У них азотфиксирующие бактерии поселяются не только вблизи корней, но способны проникать в корни, образуя клубеньки (на фото клубеньки с бактериями на корнях сои).

Именно в клубеньках достигается наибольшая сопряженность процессов азотфиксации и фотосинтеза — углеводы растений не растрачиваются куда попало, а все доходят до адресата,  клубеньковых бактерий.

                                    А что в будущем

К сожалению, в своей практической деятельности человек до конца еще не может использовать весь природный потенциал, заложенный в механизме естественной азотфиксации. Здесь, отчасти,  и косность мышления, и верность традициям (надо же продолжать нефтегазодобывающим монополиям вбухивать энергетические ресурсы в работу химических комбинатов по производству азотных удобрений, что бы не разориться).

Поэтому человек продолжает плодить по всей  Земле заводы-монстры по производству азотных удобрений. Заводы, загрязняющие всё вокруг себя и требующие огромных энергетических затрат невосполнимых природных ресурсов. Но думается, что будущее за энергосберегающими и не наносящими вреда окружающей среде технологиями.

Мне, как репетитору по биологии, бывшему заведующему группой биологическоЙ азотфиксации Института биологии БНЦ УрО АН СССР,

очень хочется верить, что может быть кому то из вас посчастливится найти способ использовать в бОльших масштабах природный процесс биологической азотфиксации и научить человечество как избавиться от гигантских заводов-поработителей.

Ваше будущее — в ваших руках, не правда ли?!

  **************************************

У кого есть вопросы по  статье к репетитору  биологии по Скайпу,   замечания, пожелания — прошу в комментарии.