АЗОТ В РАСТЕНИЯХ. «Азот более драгоце­нен с общебиологической точки зрения, чем самые редкие из благородных металлов»,— писал крупный советский микробиолог В. Л. Омелянский; без азота не могут синтезироваться белковые вещества, а без белковых веществ не может строиться и протоплазма живой клетки.

Основная масса А. сосредоточена в атмосфере, где над каждым квадратным метром земной поверхности содержится ок. 8 то А. Над каждым гектаром почвы в атмосфере находится ок. 80 тыс. то А., к-рые в со­стоянии обеспечить азотное питание растений более чем на миллион лет. Несмотря на это, растения чаще всего испытывают недостаток именно в азотистой пище, потому что они не способны использовать молекулярный азот непосредственно. Нек-рые микро­организмы и синезелёныо водоросли используют этот источник А. в качестве азотистой пищи, по и это возможно только в определённых условиях и в огра­ниченном масштабе.

Кроме А. в атмосфере, значительные запасы А. содержатся в почпо в форме различных органиче­ских и минеральных соединений. Только в пахотном слое 1 га почвы (30-см слой) содержится ок. 6 то А. в подзолах и более 18 то в чернозёмах. Этого запаса хватило бы, по меньшей мере, на 100—200 лет, т. к. для формирования урожая требуется всего 80—100 кг А. на 1 га. Между тем, па подзолах нельзя получить хорошего урожая и в течение 10 лет, если по вносить азотные удобрения. Объясняется это том, что растения могут непосредственно использовать лишь неорганические соединения А., в первую очередь азотнокислые и аммиачные соли; содержание кото­рых в почве не превышает 1% от общего запаса А. в ной.

Так как в водных культурах растениями лучше используются соли азотной кислоты (особенно каль­циевые), то в течение долгого времени считалось, что они являются единственной азотистой пищей для растений. Даже в тех случаях, когда устанавлива­лось, что аммиачные соли так же хорошо усваива­ются растением (особенно в почвенных .культурах), пытались доказывать, что в почве всегда происхо­дит процесс нитрификации и аммиачные соли окисляются в азотную кислоту. Однако опыты в стерильных культурах бесспорно показали, что расте­ния могут и непосредственно пользоваться аммиач­ными со."ями, если их концентрация невелика. Толь­ко при высоких концентрациях аммиачные соли вред­но отзываются на развитии растений, т. к. высокие дозы аммиака ядовиты. Кроме того, при использо­вании для питания растений аммиачного азота из аммонийных солей тех или иных кислот в растворе накапливается соответствующая минеральная кис­лота, сильно подкисляющая субстрат; иначе говоря, аммонийные соли физиологически кислы. Исключе­ние из этого правила состанляют только азотноки­слые и фосфорнокислые соли аммония, из к-рых, в подходящих условиях, одинаково быстро могут потребляться как аммиачный, так и кислотный ионы. Однако физиологич. кислотность большинства ам­миачных солей не является препятствием для их использования в качестве источников А. в почвенных условиях. Обширные исследования русских учёных, вначале П. С. Коссовича (1898), а затем главным образом акад. Д. Н. Прянишникова и его учеников (И. С. Шулов, Г. Г. Петров и др.), начатые еще в конце 19 в. и подытоженные Прянишниковым в 1923, 1925, показали, что при различных внешних условиях отношение растений к аммиачным и нитратным солям резко меняется, и при создании надлежащих усло­вий аммиачные соли могут использоваться расте­нием с не меньшей эффективностью, чем азотноки­слые. И даже, наоборот, как пишет Д. Н. Пря­нишников, н р и од нов ременном п рисутствии в раство ре тех и других аммиак «обычно быстрее поглощается и потребляется в процессах синтеза, чем нитраты.— Но как неправильно было прежнее мнение об аб­солютном преимуществе нитратного питания перед аммиаком, точно так же неправильно было бы из вышесказанного делать 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» (Прянишников Д. Н., Азот в жизни растений и в земледелии СССР, 1945, стр. 131). Так как растения легче переносят изменение реакции в щелочную сторону, чем в кислую, то на почвах, бедных основаниями, хлористый или серно­кислый аммоний действует значительно хуже, чем селитра. В этих случаях, особенно при повторном применении указанных солей , известкование почвы становится совершенно неизбежным. Здесь более пригодными были бы соединения аммония с азотной, фосфорной и угольной кислотами. Но даже и в этих случаях аммиачные соли всё же вытесняют часть кальция из почвенного поглощающего комплекса, в то время как кальциевая селитра, наоборот, способ­ствует пополнению поглощающего комплекса каль­цием. Кроме аммиачных и азотнокислых солей ча­стично доступны растению ещё азотистокислые соли. Другие источники минеральных соединений А. прак­тически недоступны растениям, так же как практи­чески недоступны им (кроме паразитов, сапрофитов и нек-рых водорослей) и органические азотистые вещества (белковые вещества растительных и жи­вотных остатков, гумус и др.), в составе которых находится основная масса почвенного А. Анализы показывают, что на долю органич. азотистых ве­ществ приходится почти 99% всего запаса А. в почве. Хотя опыты состерильными культурами растений ясно установили, что нек-рые органич. азотистые вещества (аминокислоты) также могут усваиваться зелёными растениями, но этот процесс идёт столь медленно, что эти вещества не могут играть значительной роли в азотном питании растений. А. этих соединений, так же как и почвенного перегноя, усваивается растениями только после минерализации его почвенными бактери­ями, разлагающими эти соединения с образованием аммиака. Все эти особенности азотного питания расте­ний позволяют понять, почему при наличии в почве и в воздухе огромных запасов А. растения часто не обеспечены необходимым минимумом его и дают пло­хие урожаи из-за недостатка именно азотистой пищи.

Конечными продуктами усвоения А. растениями являются белковые вещества, входящие в состав протоплазмы и ядра в качестве структурных частей, а также отлагающиеся, при известных условиях, в качестве запасных питательных веществ. Так как белковая молекула очень сложна, то её синтез осу­ществляется через промежуточное образование ами­нокислот. Химизм их синтеза в настоящее время может считаться окончательно установленным. Име­ются твёрдые основания предполагать, что аммиак вступает во взаимодействие с кетогруппой соответ­ствующих органических кислот, возникающих в ходе окисления углеродистых соединений, в частности углеводов. По этой схеме (В. Л. Кретович) образо­вание аланина, напр., можно представить себе через пировиноградную кислоту следующим образом:

СЫз- СО • COOII+NII3+2H—>CH3-CIINHsCOOH + HsO •

Аналогичное образование аспарагиновой кислоты должно идти через щавелевоуксусную кислоту кислоту:

ноос СН.СО COOII+NII„+ + 211—>НООС CHiCHNHiCOOH+H.O.

Так, повидимому, возникают многие аминокислоты.

Синтез аминокислот может быть связан с переами-нированием и использованием аминогруппы (—NH2) из аспарагиновой или же глютаминовой кислоты (А. Е. Враунштейн). При этом радикал аспарагиновой кислоты вновь превращается в щавелевоуксусную кислоту и, присоединяя аммиак, может снова дать аспарагиновую кислоту. «Благодаря легкости образо­вания аспарагиновой и глютаминовой кислот,— замечает по этому поводу Д. Н. Прянишников (1945),— из соответствующих кетонокислот и их способности к переаминярованию, можно сказать, что дикарбоновые моноаминокислоты являются как бы большими воротами на пути, ведущем к синтезу других аминокислот, а следовательно и белков» (там ж е, стр. 63—64). Из этих данных следует, что превращения аммиака в растениях связаны с непосредственным использованием его на синтез ами­нокислот и белковых веществ.

Однако имеются некоторые обстоятельства, ме­няющие ход этого процесса. Аммиак ядовит для ра­стений, и поэтому он пе может транспортироваться по растению в неизменном виде. Как показали исследования Д. Н. Прянишникова, В. С. Бутке-вича и ряда других, аммиак сначала переводится в растениях в органическую форму аспарагина или глютамина и только после этого транспортируется в то части растения, где осундествляется синтез аминоки­слот белковых веществ. Совершенно естественно что необходимостьпредварительнойпереработкиаммиака несколько затрудняет питание растений аммиачными солями, так как для образования аспарагина и глюта­мина требуется, кроме аммиака, ещё и углеродистый радикал, возникающий при окислении углеводов. По­этому наличие углеводов в растениях является од­ним из существенных условий лёгкого использова­ния ими аммиачных солей, в то время как для исполь­зования азотнокислых солей это условие необя­зательно. Хотя и по отношению к нитратам рядом работ было показано, что они предварительно восстанавливаются до нитритов, а затем и до аммиака (через промежуточную стадию гидроксиламина), од­нако транспорт нитратов по растению возможен и в неизменном виде. Так, напр., в темноте нитраты могут накапливаться даже в листьях. Только на свету они быстро исчезают, и А., содержащийся в них, легко переходит в белковую форму. Из этого следует, что процесс усвоения нитратов тесно свя­зан с фотосинтезом, точнее — с продукцией угле­водов в результате фотосинтеза. Работами И. Г. Дикусар и других твёрдо установлено, что восста­

новлепие нитратов до аммиака и синтез амидов про­исходят еще в корнях ассимилирующих нитраты растений, если они снабжены достаточным количе­ством углеводов. При нехватке же углеводов (напр. при слишком обильном притоке нитратов в корень или же ослаблении фотосинтеза) значительная часть нитратов (до 50% и более) восстанавливается в над­земных органах растения, богатых углеводами, в частности в листьях. Этим, вероятно, и обусловли­вается общеизвестный факт, что нитраты легче вос­станавливаются па свету параллельно с восстанов­лением углекислоты в процессе фотосинтеза, хотя окончательное решение вопроса, является ли свет прямым участником этого процесса или его роль только косвенная, связанная с образованием угле­водов, требует ещё дальнейших исследований.

Питание растений А., естественно, но ограничи­вается поступлением и переработкой минеральных азотистых веществ в структурные элементы про­топлазмы и ядра. Значительная часть ассимилиро­ванного А. может отлагаться в растении в форме за­пасных питательных веществ, гл. обр. запасных бел­ков; кроме того, А. входит в состав алкалоидов, ши­роко распространённых у многих, гл. обр. двудоль­ных растений. Химич. природа запасных белков мало отличается от химич. природы структурных бел­ковых веществ. При гидролизе их также получаются аланин, лейцин, пролин фенилаланин, тирозин, ас-парагиновая кислота, глютаминовая кислота, ар­гинин, лизин, гистидин и ряд других аминокислот. В наибольших количествах представлены глютами­новая кислота (до 40% от веса белка) и аргинин (до 15% от веса белка).

Гидролиз белка осуществляется формептами—про-теазами; возникающие при этом аминокислоты могут далее диффундировать из клетки в клетку и исполь­зуются как исходные продукты синтеза структур­ных белков, обычно более сложных, чем запасные белки, и представленных в протоплазме клетки дву­мя комплексами: липоидно-протеиповым, входящим в состав цитоплазмы, и нуклеопротеииовым ком­плексом, входящим в состав ядерного вещества клет­ки. В ходе этих процессов ряд аминокислот может расщепляться вплоть до образования аммиака, к-рый и обезвреживается опять-таки превращением в ас-парагин или глютамин. Таким образом, аспарагин и глютамин могут образоваться как за счёт пер­вичного проникновения аммиака в растение, так и за счёт его вторичного образования при гидро­лизе и превращении запасных белков. Это и по­служило в своё время основанием для известного тезиса Д. Н. Прянишникова, что «аммиак есть альфа и омега в обмене азотистых веществ у растений» (там ж е, стр. 43). Возникающий в этих случаях аспарагин вновь ги-дролизуется в соответствующих частях растений и используется далее для построения белковых ве­ществ растущих клеток. Хотя такого рода пре­вращения аминокислот и имеют место в растении, однако из внешнего субстрата высшие растения используют только минеральные азотистые веще­ства и не способны воспринимать органические азотистые вещества в силу почти полной непрони­цаемости корневых клеток для последних. Этим ра­стения отличаются от животных организмов и мно­гих микроорганизмов, способных использовать ор­ганические азотистые вещества. Исключение из этого правила составляют только растения-полуиаразиты, паразиты и сапрофиты. У полупаразитов листовая поверхность хорошо развита, а корни — очень сла­бо, по они снабжены присосками, к-рые проникают в организм растения-хозяина, и т. о. растония-полу-паразиты получают минеральную и азотистую пищу (многие норичниковые, омела и др.). Кроме того, нок-рые растения, в частности относимые к группе насекомоядных, могут получать органические азо­тистые вещества за счёт использования белка на­секомых, улавливаемых ими при помощи специаль­ных, у пек-рых очень специализированных приспо­соблений (напр.,росянка, жирянка, венерина мухо­ловка, Nepenthes и др.). Выделяя кислый сок, содержащий пепсин, они отчасти, вероятно при содей­ствии бактерий, переваривают белки захваченных на­секомых до пептонов; последние всасываются тканью листа и подвергаются дальнейшим превращениям с конечным превращением в белковые вещества тела насекомоядного растения. Такой способ пополнения недостатка в органической азотистой пище связан с тем, что все эти растения живут в местах, со­держащих мало доступного им азота. Среди выс­ших растений имеются также полные паразиты, которые и азотистую и углеродистую пищу добы­вают только от растения-хозяина (например повили­ка, заразиха и др.). Такие растения-паразиты теряют свою способность синтезировать углеродистые со­единения путём фотосинтеза. У повилики, напр., от­сутствуют и органы фотосинтеза — зелёные листья. В общем же подавляющее большинство зелёных растений использует только нитраты и аммиачные соли. Поэтому с точки зрения общего круговорота А. в природе огромное значение имеет деятельность пск-рых почвенных бактерий, способных связывать молекулярный азот атмосферы и переводить его в белковые соединения своего тела. Способность бакте­рий фиксировать свободный азот впервые была установлена в 1893 русским микробиологом С. Н. Ви-ноградским у свободно живущего в почве микроба, названного им Clostridium Pasteurianum. За 30 лет перед этим М. С. Ворониным было обнаружено, что клубеньки на корнях бобовых содержат бактерии, к-рые, как было впоследствии показано, также спо­собны усваивать газообразный азот.

К свободно живущим в почве азотфиксирующим бактериям относится также азотобактер.

Хотя можно считать твёрдо установленным факт фиксации этими бактериями А. из атмосферы, од­нако механизм фиксации до сих пор еще остаёт­ся недостаточно выясненным. Многочисленные ги­потезы, высказанные различными исследователями для объяснения механизма этого процесса, можно объединить в три группы: 1) гипотезы, основанные па гидролизе А., 2) гипотезы, основанные на вос­становлении А. (С. П. Костычев и С. П. Виноград-ский), и 3) гипотезы, основанные на непосредствен­ном взаимодействии между катализатором азотфик-сации и А. (М. В. Фёдоров).

Как бы ни осуществлялся первый этап свя-зывавия инертного молекулярного А. бактерия­ми, самая возможность осуществления ими этого процесса имеет важнейшее значение в балансе свя­занных соединений А. в природе вообще и в с.-х. про­изводстве в частности. На каждом гектаре почвы, за­селённой свободно живущими азотфиксаторами, свя­зывается ежегодно от 20 до 50 кг атмосферного А.; на каждом гектаре почвы, запятой бобовыми растения­ми, имеющими па корнях клубеньки, связывается от 100 до 400 кг А. атмосферы в год. Часть последнего (ок. 30%) остаётся в виде пожнивных остатков в почве, и поэтому посевы бобовых представляют осо­бый интерес для с.-х. производства. Вобовые расте­ния могут фиксировать атмосферный А. только в том случае, если они имеют на корнях клубеньки, в к-рых находятся активные клубеньковые бактерии. Последние попадают в корень бобового через корневой волосок и проникают во внутренние покровы корня в форме т. н. инфекционной нити. При проникнове­нии бактерий клетки корня сначала усиленно делят­ся, давая массу мелких клеток, а затем начинают укрупняться, в результате чего и получается урод­ливый нарост, или клубенёк.

В первое время после заражения рост растений не­сколько тормозится, т. к. в это время бактерии су­ществуют за счёт питательных веществ растения, а затем заражённые растения оправляются и начинают развиваться лучше незаражённых. В это время между растением и бактериями устанавливается симбиоти-ческое сожительство. Бактерии получают от расте­ния углеродистую пищу (сахар) и минеральные со­единения, а взамен предоставляют ему азотистые ве­щества. Так как более 75% всего фиксированного бактериями А. переходит из клубенька в растение, то нужно предполагать, что транспорт азотистых веществ идёт за счёт продуктов первоначального синтеза, а не засчётпроцессовпротоолизабактериаль-ных клеток, как это считают до сих пор нек-рые исследователи.

Клубеньковые бактерии, впервые обнаруженные М. С. Ворониным, были выделены в чистую куль­туру Бейеринком и получили название Bacterium radicicola. Они очень специфичны и могут зара­жать корневую систему только определённых бобо­вых растений. Поэтому при введении в культуру новых бобовых растений или же высеве их на почву, где давно уже данная культура пе произрастала, не­обходимо семена заражать соответствующей клу­беньковой бактерией. Для этой цели применяется особое бактериальное «удобрение» (нитрагин), со­держащее данную культуру бактерий на стериль­ной почве.

Помимо клубеньковых бактерий, азотобактера и Clostridium Pasteurianuni, несомненной азотфик-сирующей способностью обладают и нек-рые сине-зелёные водоросли. Довольно долго вопрос о способ­ности этих организмов фиксировать А. атмосферы был спорным, гл. обр. из-за трудности получения чистой культуры этих водорослей и малых количеств фиксируемого ими А., но в последние годы азотфик-сирующая активность была бесспорно доказана у Nostoc muscorum при помощи радиоактивного «мече­ного» азота (N16).

 Культивируя водоросли в замкну­том сосуде, содержавшем воздух, обогащённый «мече­ным» азотом, удалось найти часть этого «меченого» А. в составе клеток водоросли и этим доказать их азотфиксирующую способность. Роль этих организ­мов в обогащении почвенного слоя А., особенно на залитых водою рисовых полях, а также в различных водоёмах в период их цветения, весьма значительна.

Так как растения усваивают преимущественно ми­неральные азотистые вещества, то весь А. отмерших растений и животных оставался бы для них недоступ­ным и выходил из круговорота этого элемента на зем­ной поверхности, если бы на ней отсутствовали сапро­фитные микроорганизмы, разлагающие органические азотистые соединения с образованием и, при извест­ных условиях, с накоплением аммиака. Этот процесс получил название аммонификации  и имеет важ­ное значение в мобилизации органического А. Воз­никающие при этом аммиачные соли частью усваи­ваются растениями, а частью подвергаются далее окислению под влиянием специфической группы нитрифицирующих бактерий ипревращаются в азотно­кислые соли. Нитрифицирующие бактерии были впервые открыты С. П. Виноградским в 1890. Он уста­новил, что процесс нитрификации протекает в две фазы под влиянием двух микробов. Один из них (Nitrosomonas) окисляет аммиак до нитритов, дру­гой (Nitrobacter) окисляет нитриты до нитратов. Этот процесс получил название нитрификации (см.). Он не менее важен, чем аммонификация, т. к. при этом получаются легко доступные растению соедине­ния. Но при плохой аэрации и наличии в почве растворимых органических веществ нитраты могут подвергнуться восстановлению с образованием моле­кулярного А. Этот процесс вызывается жизнеде­ятельностью денитрифицирующих бактерий и полу­чил название денитрификации (см.). Благодаря этому процессу часть доступного растениям А. те­ряется, и это могло бы привести к уменьшению ко­личества доступного растениям А., если бы в почве но жили азотфиксирующио бактерии (клубенько­вые бактерии, азотобактер и др.), способные усваи­вать атмосферный А. и переводить его в связанные азотистые соединения. Благодаря азотфиксации про­исходит не только компенсация потерь азота за счёт процесса вые открыты С. П. Виноградским в 1890. Он уста­новил, что процесс нитрификации протекает в две фазы под влиянием двух микробов. Один из них (Nitrosomonas) окисляет аммиак до нитритов, дру­гой (Nitrobacter) окисляет нитриты до нитратов. Этот процесс получил название нитрификации (см.). Он не менее важен, чем аммонификация, т. к. при этом получаются легко доступные растению соедине­ния. Но при плохой аэрации и наличии в почве растворимых органических веществ нитраты могут подвергнуться восстановлению с образованием моле­кулярного А. Этот процесс вызывается жизнеде­ятельностью денитрифицирующих бактерий и полу­чил название денитрификации. Благодаря этому процессу часть доступного растениям А. те­ряется, и это могло бы привести к уменьшению ко­личества доступного растениям А., если бы в почве но жили азотфиксирующио бактерии (клубенько­вые бактерии, азотобактер и др.), способные усваи­вать атмосферный А. и переводить его в связанные азотистые соединения. Благодаря азотфиксации про­исходит не только компенсация потерь азота за счёт процесса денитрификации, но, при известных усло­виях (в частности, при богатстве почвы безазотисты­ми органич. веществами) и значительное обогащение почвы связанным А. Создание этих условий в почве позволяет с.-х. производству вовлекать в круговорот связанных соединений А. дополнительные количе­ства молекулярного А. атмосферы, что имеет важней­шее значение и должно постоянно учитываться.

Совокупность всех фактов, добытых эксперимен­тальным путём, свидетельствует о том, что основные достижения в исследовании значения и многообраз­ных путей превращения азота в растениях свя­заны с именами русских и советских учёных. Мно­гие исследователи за пределами нашей страны при изучении указанной проблемы исходят из прин­ципов, установленных нашими соотечественниками.

Лит.: Б у т к е в и ч B.C., Регрессивный метаморфоз бел­ковых веществ в высших растениях, М., 1904 (Из­вестия Моск. с.-х. ин-та, кн. 1); П е т р о в Г. Г., Усвоение азота высшим растением на свету и в темноте, М., 1917; Прянишников Д. П., Аммиак, как альфа и омега обмена азотистых веществ в растении, в кн.: Сбор­ник статей, посвященный Клименту Аркадьевичу Тими­рязеву его учениками в оз именование семидесятого дня его рождения, под ред. Ф. Н. Крашенинникова, М.. 1916; его ж е, К вопросу о сравнительном использовании аммиака и нитратов высшими растениями, «Журнал Рус­ского ботанического общества», 1923, т. 8; его ш е, Азот в жизни растений и в земледелии СССР, М.— д.; 1945; Фёдоров М. н., Биологическая фиксация азота атмосферы, М., 1948.