Чем бобовые отличаются от большинства других растений, какие галлы оказались не виноваты в появлении клубеньков на корнях гороха, кто разобрался в этом вопросе и за что принял вирусы его научный соперник, рассказывает рубрика «История науки».

Сверхспособности бобовых и итальянская галломания

К середине девятнадцатого века было понятно, что без удобрений долго существовать поля не могут. В истощающуюся почву приходилось вносить содержащую калий золу и азотные удобрения. Но одна группа растений – бобовые – выбивалась из общего правила. Тогда как пшеница и другие растения потребляли азот из почвы (по-немецки их за это называли Stickstofffreser, «поглощающие азот»), бобовые почему-то наоборот обогащали почву этим элементом (за что получили немецкое название Stickstoffsammler – «накапливающие азот»).

У бобовых есть свои особенности, но это никого не удивляло: в конце концов, это могло быть просто отличительным признаком группы. Например, странные вздутия на корнях. В научном сообществе эти вздутия, которые называют клубеньками, первым заметил и даже зарисовал в 1679 году талантливый анатом Марчелло Мальпиги.

Этот ученый не только написал двухтомник по анатомии растений, который не устаревал еще сотню лет, но и обнаружил выделительные сосуды (названные в его честь мальпигиевыми) и трахеи у насекомых, вкусовые сосочки языка человека и много чего еще. Правда (возможно, потому, что любовь к насекомым придала ему некоторого энтомоцентризма) правильно охарактеризовать клубеньки бобовых Марчелло не сумел. Он решил, что эти наросты – галлы.

Здесь, конечно, он подразумевал не народ, покоренный римлянами, а вздутия на листьях, которые образуются из-за насекомых, откладывают личинок внутрь. Учитывая разнообразие галлов, принять за них клубеньки было нетрудно.

Химия для фермеров и культура в песке

Разобраться с непонятными клубеньками и азотными сверхспособностями смог немецкий агрохимик Герман Хелльригель. Он родился в семье саксонского фермера в 1831 году, но обычным фермером он не стал, а отправился грызть гранит науки сначала в школу в Гримма, а затем в сельскохозяйственную академию в Тарандте (где, кстати, Фридрихом Августом I открыл один из старейших в мире факультетов лесоводства).

Там молодой Хелльригель стал ассистентом в лаборатории профессора сельскохозяйственной химии и сельскохозяйственной техники Юлиуса-Адольфа Штекхардта (Stöckhardt), создателя первой в Саксонии лаборатории агрохимии и сельскохозяйственных опытных станций. Фармацевт по образованию, Штекгардт тем не менее всецело ушел в агрохимические исследования, давал фермерам консультации и даже читал для них открытые лекции по химии, раздавая бесплатно образцы почвы, семян и кормов. Он написал много статей в журнале Zeitschrift für deutsche Landwirthe («Журнал для германских фермеров»), а потом, когда его ассистент уехал, и вовсе стал депутатом саксонского парламента.

От своего научного руководителя Герман и «унаследовал» интерес к азотным удобрениям: здесь профессор не соглашался с великим химиком Юстусом Либихом, который считал, что поскольку в воздухе и так уже 78% азота, добавлять растению этот элемент в виде удобрений бессмысленно. Действительно, кажется странной невозможность получать элемент, которого вокруг так много. Однако позже выяснилось, что почти все растения не умеют усваивать азот из воздуха, и Штекгардт оказался прав.

Работая с Штекгардтом, Хелльригель защитил докторскую диссертацию в Лейпцигском университете в 1854 году и показал такие успехи, что через три года получил собственную опытную станцию в городе Даме, где проработал до 1873 года, занимаясь физиологией растений. Особенно его интересовало, как растения получают необходимые им химические соединения, поэтому он пробовал выращивать культуры в песке, через который протекает вода с разными питательными веществами. Он кропотливо изучил, как количество воды, тепла и разных удобрений влияет на урожайность многих сельскохозяйственных растений и изложил свои результаты в 800-страничном труде «Вклад в принципы естественных наук в сельском хозяйстве со специальным фокусом на агрохимическом методе песчаной культуры».

Нужен как воздух

В 1873 году Герман переехал в Анхальт и стал преподавателем и советником местного правительства по сельскохозяйственным вопросам, а в 1882 году создал собственную опытную станцию в Бернбурге, которую возглавлял до конца жизни. Там он продолжил свои изыскания и занялся бобовыми и свеклой вместе с ассистентом Германом Вильфартом, который когда-то защитил диссертацию по сульфобензамидам, поработал в химическом производстве, разочаровался и ушел в сельское хозяйство.

Роль клубеньков в азотфиксации (добывании азота из атмосферы) Хелльригель установил в 1886 году, а опубликовал работу два года спустя. В восьмидесятых ученые уже начали понимать, что клубеньки как-то связаны с накоплением азота, но одни считали их просто хранилищем этого элемента, а другие утверждали, что это место симбиоза корня и грибов.

Но Хелльригель понял, что дело в чем-то, содержащемся в почве и передающемся растениям. Также он предположил, что если это бактерии, то они должны погибнуть от нагревания. Бобовые растения были неспособны выжить в стерильных почвах, где не было бактерий, независимо от того, какие удобрения и в каких количествах им добавляли. Но когда к ним подсыпали сырой почвы, то наступало благоприятное «заражение», и растения начинали получать азот привычным для них способом. Выводы Хелльригеля были настолько важными для агрономов, что его доклад на конференции в 1886 году стал сенсацией и сорвал шквал аплодисментов.

Правда, за лавры этого открытия с ним может посоперничать голландец Мартин Бейеринк. Он «зашел» с другой стороны этого симбиоза – бактериальной, так как был известным микробиологом и стоял у самых истоков экологической микробиологии вместе со знаменитым русским ученым Сергеем Виноградским. Они впервые показали, как важна роль микроорганизмов в формировании плодородного слоя почвы.

Разные источники путаются и спорят, кто же, Бейеринк или Хелльригель, должен считаться первым, поскольку работали они практически одновременно. Дело было так: Хелльригель понял, что клубеньки – это и есть место, где происходит азотфиксация, а Бейеринк выделил и изучил занимающихся ею бактерий рода Rhizobium в 1888 году.

Что было потом

А что же стало с Хелльригелем? Герман не ограничился только изучением бобовых. Он много сделал для возрождения в Германии промышленного производства сахара из сахарной свеклы, которое сравняли с землей французы еще при Наполеоне, а потом «добили» англичане, не желавшие терять монополию (подробнее об этой истории мы уже рассказывали в статье о «сахарной войне» Наполеона). Родившийся через десять лет после смерти Франца Ахарда, основавшего первый в Германии сахарный завод, Хелльригель возглавил отделение по исследованиям сахарной свеклы и открыл собственный синдикат.

После смерти Хелльригеля в 1895 году дело его не было забыто: Герман Вильфарт пошел по его стопам и занялся изучением гнили, поражавшей сахарную свеклу, а также вопрос, сколько калийных удобрений нужно для разных культур, в работах цитируя и с почтением вспоминая своего учителя.