Дмитрий Прянишников: создатель агрохимии и «биограф азота»

Сегодня академику Дмитрию Николаевичу Прянишникову, основоположнику советской научной школы в агрохимии, исполнилось бы 159 лет. Этот русский учёный вошёл в историю растениеводства как автор учения об азотистом обмене в растениях, теоретик и практик минерального питания сельскохозяйственных культур, организатор географических опытов с удобрениями и инициатор развития производства минеральных удобрений. Мы подготовили для вас рассказ о жизни и научной деятельности Дмитрия Николаевича. 

Современное растениеводство сложно представить без использования минеральных удобрений — как универсальных, так и специализированных, для определенных видов растений или типов почв. Но так было не всегда. Ещё столетие назад применение удобрений напоминало русскую рулетку — внесение одного и того же вещества могло как принести пользу, так и причинить вред, и учёные не всегда находили этому объяснение. Вывести применение удобрений на новый уровень смог выдающийся российский и советский ученый Дмитрий Николаевич Прянишников — создатель агрохимии и «биограф азота».

Дмитрий Николаевич родился в 1865 году в слободе Кяхта Забайкальской области, в семье почётного гражданина, местного купца, и дочери сосланного солдата. В 1883 году он окончил Иркутскую гимназию, а в 1887 году — физико-математический факультет Московского университета.

В вузе талантливый студент много времени проводил в химической лаборатории и на него обратил внимание специалист по органической химии, профессор В. В. Марковников. Преподаватель предложил молодому учёному остаться при кафедре органической химии после окончания университета. Однако Прянишникова интересовали не только лабораторные исследования, но и практическое применение научных разработок, поэтому после завершения учёбы он поступил на третий курс Петровской земледельческой и лесной академии, которую окончил в 1889 году. Затем Прянишников работал в академии преподавателем.

В 1889 году студент Прянишников проходил производственную практику при Боринском сахарном заводе в Липецкой области. Там он участвовал в полевых опытах по применению минеральных удобрений при выращивании сахарной свёклы. Результаты исследований показали, что при внесении азотных, фосфорных и калийных удобрений в правильной пропорции урожай свёклы увеличивается в 2,5 раза.

В том же году Прянишников опубликовал в «Известиях Петровской Академии» статью «Опыты с минеральными удобрениями под сахарную свекловицу». Эту работу можно считать знаменательной сразу по двух причинам. Во-первых, это первая публикация учёного, а, во-вторых, статья была посвящена применению минеральных удобрений — именно эта тема стала центральной в последующей научной работе исследователя.

В 1892 году Петровская академия командировала Прянишникова за границу на два года. Там он изучал опыт своих коллег из Гёттингена, Цюриха и Парижа, побывал в лучших агрохимических лабораториях, в частности, в лаборатории профессора Э. Шульце, специалиста по азотистому обмену в растениях.

Во время этой командировки Прянишников начал проводить исследования в области превращений белка и других азотистых веществ в растениях и продолжил исследования после возвращения в Москву в 1894 году. Результатом проделанной работы стала публикация «О распадении белковых веществ при прорастании», которая увидела свет в 1895 году. А годом позже молодой учёный защитил одноименную магистерскую диссертацию.

С 1894 года Дмитрий Николаевич читал первый в России курс химии растений в Московском университете, а с 1895 года и до конца жизни был заведующим кафедрой агрохимии в Московском сельскохозяйственном институте. В 1900 году защитил докторскую диссертацию «Белковые вещества и их распадение в связи с дыханием и ассимиляцией». В 1907–1917 годах был основателем, а затем директором Высших женских сельскохозяйственных курсов.

Интерес Прянишникова к теме азотистого обмена в растениях был во многом обусловлен тем, что его коллеги демонстрировали абсолютно разные взгляды на источники азота для растений. Так, Ю. Либих считал, что аммиака, который содержится в воздухе, вполне достаточно для растений, а основу минерального почвенного питания должны составлять фосфор, калий и кальций. Ж. Буссенго, наоборот, утверждал, что удобрения нужно оценивать, прежде всего, с точки зрения содержания в них азота. Опыты Дж. Лооза доказали правоту Ж. Буссенго.

Первые же исследования Прянишникова в области азотистого обмена стали причиной научной полемики. При прорастании растений происходит распад сложных органических соединений (в том числе белков) на более простые, а затем из этих простых соединений снова синтезируются белки. Промежуточным продуктом распада белков является аспарагин. В то время он считался первичным продуктом распада. Физиолог растений В. Пфеффер признавал аспарагин транспортной формой азотистых веществ в растениях, но Дмитрий Николаевич выдвинул совершенно новую теорию, согласно которой аспарагин является вторичным продуктом распада белка — он синтезируется из аммиака, образующегося при распаде белка.

Прянишников утверждал, что распад белков приводит к образованию аммиака как у животных, так и у растений. Но животный организм не способен снова синтезировать белки и аминокислоты из аммиака и безазотистых соединений, поэтому он связывает аммиак в виде мочевины и выводит наружу. А растение связывает аммиак в виде аспарагина, который может долго сохраняться в организме без какого-либо вреда и затем использоваться для синтеза аминокислот и белков.

Профессор Пфеффер резко раскритиковал работы Прянишникова, но последующие эксперименты показали, что Дмитрий Николаевич был прав. В 1920 году преемник Пфеффера, профессор Руланд, признал правоту Прянишникова. Дальнейший вклад учёного в изучение азотного обмена растений позволил считать его одним из основателей советской биохимии.

На рубеже XIX и XX веков учёные считали, что культурные растения могут питаться только нитратным азотом, потому что:

• нитратный азот усваивается растениями лучше, чем аммонийный,
• использование нитрата натрия дает хорошие результаты,
• содержащиеся в почве нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в нитраты.

Прянишников выступил против устоявшегося мнения, предположив, что если растение способно обезвреживать тот аммиак, который высвобождается при распаде белка, то оно может обезвреживать и тот аммиак, который поступает из внешней среды (растение способно переводить его в безвредный аспарагин, а затем использовать для синтеза белка и аминокислот).

Чтобы доказать свою правоту, Дмитрий Николаевич провел эксперименты с молодыми растениями, для которых источником азота служила аммиачная селитра. Учёный заметил, что кислотность раствора, окружающего корни, быстро повысилась. При растворении аммиачной селитры в воде могут образовываться только аммиак и азотная кислота, и Прянишников сделал вывод, что растение поглощает аммиак быстрее, чем азотную кислоту (последняя накапливается, подкисляя раствор). Таким образом, выяснилось, что растения потребляют азот в форме аммиака более активно, чем в форме нитратов. Этот эксперимент также помог понять, почему применение аммиачных соединений в водных культурах раньше давало негативные результаты. Растения начинали болеть не из-за воздействия аммиака, а из-за повышения кислотности внешнего раствора.

Прянишников установил, что для процесса образования азотосодержащих соединений растения могут использовать только аммиачный азот, но не нитратный. Чтобы азот вступил в реакцию биосинтеза, он должен сначала превратиться в аммиак, а такое превращение требует большого количества энергии, поэтому аммиачный азот является более экономичным источником азота, чем нитратный.

Дмитрий Николаевич считал азотнокислый аммоний удобрением будущего, так как азот в нём содержится в высокой концентрации (до 35%) и одновременно в двух формах — восстановленной и окисленной, а это даёт растениям возможность выбирать более подходящую им форму. При этом учёный уточнял, что аммиачные удобрения дают желаемый эффект только на нейтральных почвах, для кислых почв больше походят нитратные удобрения.

Дмитрий Николаевич писал:

— В итоге мы можем сделать такое заключение: если неправильно было мнение об абсолютном преимуществе нитратного питания перед аммиачным, точно так же неправильно было бы сделать и обратный общий вывод об абсолютном преимуществе аммиачного питания перед нитратным, так как в зависимости от условий (внутренних и внешних) результат будет различен и оптимальные комбинации этих условий для аммиака и нитратов не совпадают… Если и физиолог будет прав, признавая принципиальную равноправность аммиачного и нитратного питания, то агроном будет тоже прав, если скажет, что ему легче было бы работать с нитратами. Однако он должен иметь в виду, что химическая промышленность в настоящее время идёт в основном по пути получения синтетического аммиака и что производство аммиачных солей требует меньших затрат, чем производство азота нитратного.

В настоящее время аммиачные и нитратные формы азотных соединений считаются равнозначными для основных сельскохозяйственных культур. При этом аммонийные удобрения меньше вымываются из почвы и стоят дешевле нитратных.

В 1900–1915 годах Дмитрий Николаевич активно исследовал механизмы воздействия на растения фосфора, калия и других важных элементов питания. В то время к фосфоритной муке было очень противоречивое отношение — в одних случаях её использование приносило очень хорошие результаты, а в других не давало никакого эффекта. И учёные не могли найти этому объяснения, пока за дело не взялся Прянишников. Он провел серию опытов и выяснил, что результат применения фосфорных удобрений зависит от совокупности факторов: свойств растения (способности культуры усваивать фосфорную кислоту), типа почвы (способности растворять фосфорит) и особенностей самого удобрения.

Учёный также выяснил, что фосфор лучше усваивается, если вносится вместе с аммиачными удобрениями — кислотность аммиачных соединений растворяет фосфорит. Разработанный Прянишниковым метод производства удобрений, содержащих одновременно азот и фосфор, стал широко применяться в промышленности с 1950-х годов.

Дмитрий Николаевич уделял внимание и проблеме калийных удобрений. До открытия соликамских залежей калийных солей в 1926 году единственным источником калийных удобрений были очень дорогие страсфурские соли. С 1901 года Дмитрий Николаевич изучал возможности использования в растениеводстве древесной золы и нерастворимых в воде минералов, содержащих калий (глауканита, полевошпатных пород, лейцита, слюды). После исследований учёный дал рекомендации по использованию калийных удобрений в разных почвенно-климатических зонах.

В 1919 году Прянишников основал и в последующие десять лет возглавлял агрохимический отдел Научного института по удобрениям. Вместе с коллегами он изучал особенности усвоения удобрений различными видами растений на разных почвах и разрабатывал технологии производства удобрений из природного сырья.

Дмитрий Николаевич описал принципы периодического питания растений (методы текучих и стерильных культур, изолированного питания растений) и методику определения сроков, когда то или иное питательное вещество больше всего нужно растению. Он изучал влияние разных форм азотных, калиевых и фосфорных удобрений на белковый, углеводный и липидный обмен на разных этапах развития растения. Работал над вопросами гипсования солонцов и известкования кислых почв.

Основное внимание учёного было обращено на вопросы производства и использования минеральных удобрений, но он отдавал должное и органическим ресурсам, которые считал незаменимыми в регионах с бедными песчаными почвами. Прянишников активно выступал за расширение площадей посевов клевера, люцерны и люпина, потому что эти растения усваивают азот из атмосферы и повышают плодородность почв. Прекрасным ресурсом считал навоз, богатый азотом, фосфором и калием, дешёвый, повышающий поглотительную способность почвы и распространенный по всей сельскохозяйственной территории страны.

Дмитрий Николаевич так сформулировал главную задачу агрохимии:

— Изучение круговорота веществ в земледелии и выявление тех мер воздействия на химические процессы, протекающие в почве и растении, которые могут повышать урожай или изменять его состав.

В 1920-х годах Прянишников был членом Госплана РСФСР и СССР, работал в Комитете по химизации народного хозяйства, в 1931 году основал Всесоюзный институт по удобрениям, агротехнике и агропочвоведению, в котором работал до конца жизни.

В 1930-е годы разгорелось активное противостояние между школами Прянишникова и В. Р. Вильямса, сторонника травопольной системы. Вильямс был убежден, что главным условием получения высоких урожаев является поддержание правильной структуры почвы. По его мнению, для восстановления плодородности почвы, которая истощилась после выращивания сельскохозяйственных культур, нужно засевать поля клевером в смеси с тимофеевкой, житняком и другими злаковыми травами в течение 2–3 лет подряд. При этом он предлагал отказаться от применения минеральных удобрений и некоторых орудий труда (бороны, катка, культиватора), которые якобы нарушают правильную структуру почвы.

Прянишников настаивал на необходимости использования минеральных удобрений для получения быстрого и стабильного результата, которого невозможно достичь без «химии». Кроме того, он считал, что поля в период отдыха следует засевать не смесью трав, а только клевером, потому что он насыщает почву азотом, а другие травы поглощают этот азот, снижая эффективность использования клевера. Чтобы уменьшить потребность почвы в отдыхе, Дмитрий Николаевич предлагал вводить пропашные севообороты, при которых одни культуры на полях сменяют другие, не допускаются повторные и бессменные посевы одного и того же вида растений.

Научное противостояние двух исследователей перетекло в политическую плоскость, власти оказались на стороне Вильямса. Многих соратников Прянишникова объявили «врагами народа» и репрессировали, а самого Дмитрия Николаевича в СМИ называли «пособником вредителей». Несмотря на это, учёный последовательно отстаивал свою позицию и защищал товарищей, попавших в беду.

После начала Великой Отечественной войны Прянишникова эвакуировали в Среднюю Азию. Там было много земель, которые ранее не обрабатывались, и задача учёного состояла в том, чтобы обследовать эти земли и подготовить их к использованию под посевы зерновых и технических культур. Благодаря Дмитрию Николаевичу сельскохозяйственные угодья региона расширились на 13 миллионов гектаров.

Кроме того, Прянишников изучил состав почв, которые использовались для выращивания хлопчатника, и обнаружил огромный дефицит азота, обусловленный тем, что поля перестали хотя бы иногда засеваться хлебами. Дмитрий Николаевич предложил ежегодно сажать хлеба на 25-30% площадей полей. Схема севооборота, предложенная учёным, позволила увеличить урожаи хлопчатника в два раза, создать собственную зерновую базу Средней Азии и акклиматизировать новую для этого региона культуру — сахарную свёклу.

В 1945 году Прянишникову было присвоено звание Героя Социалистического Труда. В этом же году вышла его наиболее значимая монография «Азот в жизни растений и в земледелии СССР». Умер выдающийся учёный в 1948 году.

С именем Дмитрия Николаевича связан почти 60-летний период развития науки о питании растений и использовании удобрений. Ему принадлежит известная фраза «Аммиак — альфа и омега обменных веществ в растении». И ещё одна: «Избытком удобрений невозможно заменить недостаток знаний». Прянишников находил оригинальные способы разрешения научных вопросов, а выводы всегда подтверждал опытным путём. Учёный по праву считается «биографом азота» и творцом агрохимии.

Больше историй о знаменитых учёных:

Гений, новатор, ботаник: Климент Тимирязев и значение его открытий для науки о растениях

Григорий Демидов — создатель первого ботанического сада на Урале

Теодор Динер: как учёный «поймал» неуловимый вирус картофеля