Становление основ агрохимии и физиологии растений в эпоху Возрождения

Современные технологии минерального питания и расчета доз удобрений строятся на базовых законах химии и физиологии растений. Эти принципы не появились сами по себе — их фундамент закладывался в эпоху Возрождения, когда наука сменила церковные догмы на эксперимент и практику. Понимание того, как растение взаимодействует с почвой, водой и воздухом, позволило перейти от слепого копирования древних приемов к управляемому формированию урожая.

От опыта к первым законам физиологии растений

В XIV–XV веках развитие мануфактур и товарного производства в Европе заставило сельское хозяйство искать пути повышения продуктивности. Толчком к развитию аграрной науки стало изобретение книгопечатания в середине XV века. С 1466 по 1515 год в Европе были напечатаны сочинения древних писателей, философов и агрономов. Это вернуло в практику забытые знания о почвах и дало старт изучению водного питания растений.

В этот период ботаника впервые выделилась в самостоятельную биологическую дисциплину. Выдающийся итальянский ученый и живописец (1452–1519) сделал опыт главным инструментом познания. Он детально описал листорасположение, гелиотропизм, геотропизм, а также выявил корневое давление и движение растительных соков. Именно он впервые заговорил о круговороте веществ и начал изучать влияние воздуха, воды и минеральной части почвы на жизнь растений.

Вслед за ним другой итальянский естествоиспытатель (1519–1603) сделал попытку дать точную морфологическую и физиологическую характеристику растениям. Он предположил, что питательные вещества притягиваются корешками из почвы подобно тому, как железо притягивается к магниту. По его мнению, соки движутся вверх по стеблю под действием «жизненной теплоты» и нагревания солнцем, а сам корень впитывает влагу подобно фонарному фитилю, опущенному в керосин.

• Начало печати научных трудов — 1466 г.
• Открытие корневого давления — XV–XVI вв.
• Теория минерального питания растений — 1563 г.

Теория минерального питания и закон возврата элементов

Скрупулезно накопленные знания о физиологии растений тесно переплелись с практической агрохимией. Долгое время земледельцы применяли удобрения интуитивно, без понимания причин их эффективности. В большинстве книг по сельскому хозяйству XVI столетия в решении этого вопроса не было сделано ни шагу вперед по сравнению с древнеримскими авторами.

Ситуацию изменил французский естествоиспытатель (1510–1589), который в 1563 году опубликовал «Научный трактат о различных почвах (солях) и сельском хозяйстве». Он впервые сформулировал взгляд на почву как на источник минеральных веществ, необходимых для питания культур. Он доказал, что растения извлекают соли из земли, постепенно обедняя ее, из-за чего урожаи начинают падать.

Для сохранения плодородия ученый рекомендовал регулярно возвращать в почву элементы питания. Одним из приемов было сжигание соломы и возврат полученной золы, которая содержит поглощенные из почвы соли. Также рекомендовалось добавлять к навозу и другим органическим удобрениям растворимые соли и мергель. Без такой компенсации или без периода отдыха (парования) почва теряет минеральные вещества, приносимые дождями и росами.

Понимание того, как именно питаются растения, складывалось из противоречивых гипотез. В 1629 году был заложен классический опыт, который надолго утвердил ошибочную водную теорию питания. В кадку с тщательно взвешенной почвой посадили черенок ивы и регулярно поливали его дождевой водой. Результаты этого пятилетнего эксперимента показали колоссальный прирост массы растения при минимальном изменении веса земли.

• Масса почвы в начале опыта — 91 кг
• Масса черенка ивы — 2,25 кг
• Срок проведения опыта — 5 лет
• Прирост массы ивы — 74,4 кг
• Уменьшение массы почвы — всего 56,7 г

На основании этих данных исследователи сделали вывод, что для жизни растений достаточно одной лишь воды, которая якобы уплотняется и превращается в органическое вещество. Ошибка заключалась в том, что в то время наука еще не знала о воздушном питании растений и усвоении углекислого газа. Также отсутствовали методы учета зольных элементов, которые саженец поглощал из почвы в крайне малых, но жизненно важных количествах.

Несостоятельность водной гипотезы доказали в ходе более точных тестов в период с 1665 по 1728 год. Ученые усомнились в том, что вода способна полностью заменить почвенное питание, и сравнили развитие ростков мяты в различных средах. Результаты взвешивания зеленой массы наглядно показали зависимость развития растений от состава воды и наличия в ней органических примесей.

Этот эксперимент доказал, что основным строительным материалом для растительного организма служит «землистое вещество», а не чистая вода. Бо́льшая часть влаги, поступающей через корни, не задерживается в тканях, а испаряется через поры листьев в атмосферу. Таким образом, ученые впервые разделили физиологическую роль воды как транспортной среды и почвы как источника питания.

Открытие «соли плодородия» и первые представления о круговороте азота

Параллельно с изучением водного и почвенного баланса велся поиск конкретных действующих веществ, отвечающих за урожайность. В 1650 году было впервые высказано предположение о существовании особой «соли плодородия». В трактате 1656 года исследователи прямо назвали селитру основой роста всех растений. Под «душой» селитры (в исторических источниках — nitrum) фактически понимался нитрат-анион, а описание его свойств предвосхитило открытие круговорота азота в природе.

В те годы предполагалось, что активное начало селитры поднимается из глубины земли в воздух, а затем возвращается обратно вместе с росой и осадками. Действительно, современные анализы подтверждают наличие следов азотной кислоты в атмосферной влаге. И хотя авторы гипотезы оперировали терминами вроде «душа селитры», они верно нащупали механизм круговорота азота.