Земля Иллинойса

Если кому-либо понадобится отыскать город, который в плане проблемы загрязнений представлял бы собой противоположность Лос-Анджелесу, то лучше всего выбрать Декейтер (штат Иллинойс) — тихий город с населением 100000 человек, лежащий в открытой сельскохозяйственной местности, примерно в 120 милях от Сент-Луиса ближайшего большого города. Здесь есть несколько промышлеиных предприятий, но ни одно из них пе служит сколь-нибудь серьезным источником загрязнений. Казалось бы, это одно из тех редкостных мест, которых не коснулся кризис окружающей среды.

Тем не менее Декейтер стоит теперь перед проблемой загрязнения, столь же серьезной в плане потенциальной опасности для человека и столь же далеко выходящей за пределы Соединенных Штатов по своему значению, как и проблема загрязнения воздуха в Лос-Анджелесе. Ничто не говорило об опасности, грозящей окружающей среде, в Декейтере до тех пор, пока несколько Лет местный департамент здравоохранения не получил пробу воды для обычного анализа на содержание нитратов. Департамент обеспечивал этими анализами главным образом близлежащие фермерские хозяйства.

Уже довольно давно известно, что содержание нитратов в мелких колодцах на фермах Среднего Запада часто превышает нормы, установленные медицинскими властями. Сами по себе нитраты, по-видимому, сравнительно безвредны для человека. Однако под действием некоторых видов кишечных бактерий, особенно активных в организмах детей, нитраты могут перейти в нитриты. Последние — вещества ядовитые, поскольку, соединяясь с гемоглобином крови, они переводят его в форму метгемоглобина, что препятствует транспорту кислорода по кровеносной системе. У ребенка, пораженного этой болезнью, появляется синюшность; при этом возникает серьезная опасность удушья и даже смерти. Это явление было впервые обнаружено врачами в штате Миссури несколько лет назад. С тех пор медицинские работники уделяют ему непрестанное внимание, предостерегая фермеров от использования новых источников, если содержание в них нитратов превышает допустимый уровень — 45 частей на миллион. Проблема эта стоит перед всем миром. Детская метгемоглобинемия как следствие повышенного содержания нитратов отмечена во Франции, Германии, Чехословакии, Израиле.

Департамент здравоохранения установил, что в пробе воды из Декейтера содержание нитратов несколько превышало допустимый предел, что в общем-то не было неожиданностью, поскольку загрязненные нитратами колодцы — довольно частое явление в этом районе. Однако на этот раз проба была взята не из колодца, а из источника городского водоснабжения.

Город получает воду из озера Декейтер, в месте впадения реки Сангамон, и проверка показала, что и в воде из озера, и в воде из реки содержание нитратов составляет около 45 частей на миллион. Это было весной. Летом эти величины значительно уменьшились, но опять поднялись зимой, так что в последующие весенние месяцы они снова достигли опасного уровня. В последующем этот цикл повторялся, и перед городом встала серьезная и трудная проблема сохранения здоровья населения.

Я узнал обо всем этом из телефонных разговоров с доктором Лео Михлем из департамента здравоохранения. В то время я читал курс по проблемам окружающей среды; среди них фигурировала и проблема нитратного загрязнения, которая тогда имела значение для рек Среднего Запада. Поскольку студенты тех дней были довольно активными сторонниками вмешательства науки в общественные дела, неудивительно, что один студент, которому случилось оказаться в Иллинойсе, позвонил в Декейтерскую газету и сообщил о ситуации с водой. После того как эти факты были подтверждены департамент том здравоохранения, газета опубликовала сообщение о том, что городской источник водоснабжения в недавние весенние месяцы был чрезвычайно загрязнен нитратами и что причиной этого могли быть удобрения, используемые на окрестных фермах.

Газетная заметка взбудоражила многих людей. Интенсивное использование неорганических азотных удобрений стало главной опорой фермеров в районе Декейтера, как и во многих других частях мира. С 1945 года стоимость необходимых для американских фермеров ресурсов — земли, рабочей силы, техники и горючего — сильно возросла относительно прибыли, получаемой от урожая. С другой стороны, относительная стоимость удобрений уменьшилась довольно значительно. В результате использование азотных удобрений приносит фермеру наибольшую экономическую прибыль на затраченный доллар. Если, исходя из соображений общественного здоровья, сократить применение этих удобрений, то это может поставить фермеров перед лицом экономического краха.

Чтобы осознать, насколько остро этот конфликт затрагивает иллинойсских фермеров, нужно знать состояние почв в этом районе. Иллинойс расположен в Большом зерновом поясе США, где зерновые, активные потребители почвенного азота, являются основной культурой. Однако с развитием сельского хозяйства содержание в почве азота, этого естественного удобрения, сильно уменьшилось. Корневые системы растений в естественных условиях впитывают азот главным образом в виде нитратов, которые постоянно образуются из азота, имеющегося в составе гумуса, очень сложного по составу органического вещества темно-коричневого цвета. Этот азот связывается в почве бактериями, которые постоянно переводят органический азот гумуса в неорганические нитраты. В естественных условиях довольно большой запас гумусного азота в почве поддерживается за счет органических остатков растений и отходов жизнедеятельности животных. Органический почвенный азот накапливается также за счет поступления азота непосредственно из воздуха и усвоения его некоторыми видами почвенных бактерий. Если почва интенсивно засевается и растения удаляются с земельного участка и распродаются на стороне в большем количестве, чем их потребляют животные на месте, как это и происходит на большинстве иллинойсских ферм, запасы гумусного азота неизбежно уменьшаются. В этих случаях урожайность может быть значительно увеличена путем добавления в почву искусственного неорганического азота. В Иллинойсе годовое потребление неорганического азота в виде удобрений увеличилось с 10 000 тонн в 1945 году до 600 000 тонн в год в 1966 году.

В связи с таким ростом использования азотных удобрений урожайность зерновых культур заметно поднялась. С 1945 по 1948 год, когда азот применялся очень мало, средняя урожайность зерновых культур составляла примерно 36 центнеров с гектара; в 1958 году, когда было использовано около 100000 тонн азотных удобрений, средняя урожайность зерновых достигла около 50 центнеров с гектара. Это значит, что увеличение количества вносимых в почву удобрений примерно на 100000 тонн в год приводит к росту урожайности примерно на 14 центнеров с гектара. В 1965 году 500 000 топа азота, внесенного в почву, позволили довести среднюю урожайность примерно до 60 центнеров с гектара, то есть рост потребления удобрений на 400000 тонн дал дополнительно 10 центнеров с гектара. Очевидно здесь действует закон уменьшения прибылей: по мере интенсификации сельскохозяйственного производства нужно во все возрастающей степени увеличивать количество азотных удобрений, чтобы обеспечить определенный прирост урожайности.

В этих цифрах кроется причина затруднений, вставших перед Декейтером.

Местные фермеры считают, что, получая урожай всего 55 центнеров с гектара, они тем самым едва возмещают свои расходы. Чтобы обеспечить получение прибыли, урожайность должна превышать этот уровень, а при существующих условиях это может быть достигнуто только за счет внесения азотных удобрений в таком количестве, при котором они перестают быть эффективными.

Фермеров мало заботит эта неэффективность, так как удобрения очень дешевы. Однако поскольку несколько килограммов азота на каждом гектаре не усваиваются растениями, то они должны куда-то деваться. Судьба этого «остатка» азота была выяснена Водохозяйственной службой штата Иллинойс, данные которой показали, что между 1950 и 1965 годами, когда использование азотных удобрений возросло в пять раз, наблюдалось значительное увеличение уровня нитратного загрязнения рек, орошающих иллинойсские земли. Это было достаточным основанием для того, чтобы предположить, что интенсивное применение азотных удобрений является основной причиной опасного повышения уровня нитратов в источнике водоснабжения Декейтера.

Это обстоятельство поставило граждан Декейтера в очень трудное положение. Было ясно, что опасность, угрожающую источнику водоснабжения города, нужно ликвидировать; но если бы это было достигнуто за счет уменьшения использования азотных удобрений на окрестных фермах, экономический ущерб потерпели бы не только фермеры, но и сам Декейтер, поскольку экономика города в сильной степени зависит от фермерских хозяйств.

Действительно, вокруг моего доклада о связи между удобрениями и уровнем нитратов в реках Среднего Запада на ежегодном собрании Американской ассоциации развития науки (ААРН) разгорелись споры. Через две недели после этого симпозиума вице-президент Национального института продовольственных растений, являющегося Ассоциацией но торговле удобрениями в США, направил письмо, содержащее копию моего доклада в ААРН, экспертом-почвоведам девяти главных университетов, настаивая на необходимости его опровержения.

Такая позиция части членов Ассоциации, связанной с производством удобрений, вполне понятна; она диктуется кровными интересами двухмиллиарднодолларовой американской промышленности по производству удобрений.

Однако даже в научных кругах объективность бывает трудной, а иногда недостижимой целью. Ко всему, мы не только ученые, во в равной степени и люди. Подобно многим другим, мы утверждаем в научном мире ряд собственных ценностей, которые отражают, кроме всего прочего, наши связи с основной частью общества и нашу кровную заинтересованность в значительности и весомости нашей собственной работы. В моем случае, например, поскольку я глубоко озабочен кризисом окружающей среды, я счел, что открытая дискуссия по проблеме загрязнения принесет больше пользы, чем примирение с мнением Ассоциации по торговле удобрениями или же фермеров. Научный подход к делу не позволяет ни защищать, ни критиковать их позицию.

Такие персональные ценности существуют для каждого из нас, а для ученого они служат главным критерием, определяющим, что он изучает и как он использует достигнутые им результаты. Причина того, почему труд ученых, занимающихся раскрытием тайн природы, имеет столь хорошую репутацию, состоит не в «объективности» их собственных концепций, а в том, что они руководствуются давно установленным в науке правилом — открытая дискуссия и публикация. Каковы бы ни были личные цели, ценности и предубеждения ученого, но когда он делает всеобщим достоянием действительные факты, их интерпретацию и выводы — он служит истине. В науке истина достигается не столько стремлением избежать ошибок или субъективных суждений, сколько широким публичным обсуждением — которое может исправить эти ошибки.

Неудивительно поэтому, что не только руководителей Ассоциация по торговле удобрениями, но и некоторых независимых университетских ученых привели в сильное раздражение данные, свидетельствующие о вредном действии удобрений на качество воды. Фермеры, столь широко использующие сегодня азотные удобрения, действуют в соответствии с рекомендациями ученых-сельскохозяйственников — людей, которые посвятили свою жизнь глубоко волновавшей их цели: увеличить производительность фермерских хозяйств и обеспечить их процветание. Действительно, в том, что азотные удобрения имеют ныне столь важное экономическое значение для фермеров Соединенных Штатов, сыграли свою роль энтузиазм и знания ученых-агрономов. Неприятной стороной всей этой ситуации являются не сельскохозяйственные эффекты интенсивного использования азотных удобрений, а его экологические последствия. И до самого последнего времени (по сути дела, так же как это было со спорами по поводу пестицидов, удобрений и других сельскохозяйственных химикатов) этот широкий раздел оставался в стороне от поля деятельности ученых-агрономов.

Теперь, кроме открытой дискуссии, наука получила еще один путь поисков истины — накопление как можно большего количества данных. Руководствуясь этим, некоторые из нас сотрудников Центpa по изучению Биологии природных систем при Вашингтонском университете, решили изучить ситуацию, возникшую в Декейтере, более детально. Превосходную информацию об уровне нитратного загрязнения реки Сангамон можно было получить в Водохозяйственной службе штата Иллинойс; в нашем распоряжении имелись и данные об использовании удобрений. Но, несмотря на Очевидное совпадение этих данных, из них нельзя было сделать неопровержимые выводы до тех пор, пока отсутствовала информация о путях миграции азотных удобрений от пункта, где они вносились в почву, до самой реки. Задача состояла в том, чтобы научиться различать в водах реки нитраты, ведущие свое происхождение от искусственных удобрений, и нитраты, образующиеся при разложении гумуса или других органических веществ.

Тут я вспомнил наблюдения, производившиеся в моей лаборатории около двадцати лет назад. Тогда мы использовали тяжелый (нерадиоактивный) изотоп азота в качестве трассера при изучении синтеза вирусов в растениях. В природе атом азота существует в двух формах, которые химически идентичны и различаются только по атомному весу. Одна из них, азот-14 (атомный вес 14), составляет 99,6 процента всего азота, существующего в природе; другая форма, азот-15 (атомный вес 15), составляет приблизительно 0,4 процента. Соотношение между этими двумя формами азота может быть определено с хорошей точностью с помощью электронного прибора — масс-спектрометра.

Масс-спектрометрические измерения быстро помогли нам установить, что соотношение между изотопами азота в искусственных удобрениях, используемых в Иллинойсе, такое же, как и в воздухе (естественное следствие того факта, что химически они состоят из азота воздуха), в то время как азот, содержащийся в почве, навозе и в сточных водах, значительно обогащен азотом-15. Это означало, что с помощью измерений соотношения изотопов в нитратах, взятых из реки Сангамон и из дренажных почвенных вод, можно установить, откуда произошли эти нитраты — из искусственных удобрений или из органических веществ почвы, навоза либо сточных вод.

Мы решили провести такие измерения. К счастью, сотрудник Университетского центра доктор Джон Гоэрс когда-то жил в Иллинойсе, хорошо знал район Декейтера и некоторых его жителей. Он заручился поддержкой группы проживавших вблизи города Церро-Гордо фермеров, чьи земли лежат в бассейне реки Сангамон. Вся земля в этом районе дренажируется с помощью системы черепичных труб, которые проложены в земле на глубине около метра. Обследовав ноля вместе со своими друзьями-фермерами, доктор Гоэрс установил местонахождение входных отверстии дренажных труб и поставил приспособления, в которые должна была собираться вода, поступающая в эти трубы. Пробы воды были направлены в лабораторию, где было определено содержание в ней нитратов и сделан анализ азота на соотношение между азотом-15 и азотом-14. Было установлено, что если эти дренажные воды имели высокое содержание нитратов, то они были обеднены азотом-15, и наоборот. Это означало, что источник, ответственный за высокий уровень нитратов в дренажных почвенных водах, должен был сам иметь относительно низкое содержание азота-15. Единственно возможным источником такого рода являются искусственные азотные удобрения. Другие, более детальные исследования подтвердили этот вывод и показали, что как минимум 60 процентов нитратов в озере Декейтер образуются из удобрений, используемых на окрестных фермах. Теперь нет сомнений в том, что нитратная проблема в озере Декейтер объясняется интенсивным применением искусственных азотных удобрений на близлежащих фермах.

Следует отметить, что хотя наш университет не является сельскохозяйственным учреждением, но, подобно многим независимым университетам страны, он руководствуется убеждением, что главная его миссия — это распространение «чистых» знаний. Это отчасти справедливо для тех научных учреждений, главная цель которых - погоня за «основной» наукой: изучением фундаментальных законов природы. Особенно ярко это стремление проявилось в биологии, где большая часть исследований последних лет была посвящена выяснению тончайших деталей химических и физических процессов в живых организмах. Обычно такие явления не могут быть изучены в реальных живых системах, где они настолько многочисленны и так тесно переплетены, что природа какого-либо одного процесса затемняется последствиями других процессов. Вместо того, чтобы изучать эти процессы, исследователи концентрируют свое внимание на изучении «пробирочных» систем, на изучении реакция молекул, изолированных от живых организмов. Этот род исследований, называемый «молекулярной» биологией, уже становится синонимом «чистой» биологии.

Однако некоторые из нас считали, что такой подход неприменим к реальным биологическим процессам, происходящим в природе, — например в почве Иллинойса, — где внутренняя сложность системы должна быть выяснена более быстрым путем, чем путь искусственного изолирования отдельных ее частей в лабораторных условиях. И действительно, в научных кругах Соединенных Штатов началась всеобщая дискуссия, которая до некоторой степени отражает требование многих наших студентов приобщить науку к реальным мировым проблемам. Дискуссия концентрируется вокруг вопроса, имеет ли фундаментальная наука право преследовать лишь собственные интересы и можно ли вести столь же фундаментальные исследования на сложной арене природы, в том виде, в каком она существует вне лаборатории. Ниже мы поговорим об этом последнем аспекте, но кое-что из относящегося к нашей азотной проблеме полезно рассмотреть сейчас.

Один из моих университетских коллег доктор Дэниел Кол, является экспертом и способным исследователем электронных процессов, трансформирующих солнечную анергию в энергию химических превращений, которая представляет собой конечную стадию процесса фотосинтеза в растениях. Однако доктор Кол имеет дело не только с электронами; не менее сильно его занимает кризис окружающей среды и его влияние на благополучие человечества. В связи с этим не должно удивлять то, что он проявил интерес к нашим исследованиям поведения азотных удобрений в Иллинойсе с помощью изотопного анализа и принял в них участие. Действительно, ему мы обязаны многими недавними успехами не только в лабораторных исследованиях, но также в не менее важной проблеме взаимоотношений с иллинойсскими фермерами, которые, осознав возможное значение нашей работы для их собственного благополучия, отнеслись к ней с большим пониманием и помогли нам ценной информацией и средствами. Печально, но в то же время показательно, что решение доктора Кола участвовать в нашей работе вызвало неодобрение со стороны большинства его коллег по отделу, которые были убеждены, что подобная работа — это ничем неоправданное уклонение от «чистых» научных исследований. В дальнейшем многие споры прекратились, так как не только для официальных медицинских кругов Декейтера, но и для фермеров, агрономов и даже «чистых» биологов становится все более очевидным тот факт, что проблема удобрений — проблема серьезная и имеющая далеко идущее научное и социальное значение. Это стало ясно после того, как мы сообщили о результатах наших изотопных исследований на ежегодном научном семинаре, состоявшемся в конце 1970 года в средней школе Церро-Гордо. В нем участвовали местные фермеры, представителя отдела здравоохранения и агрономы Иллинойсского университета. Мы рассказали о наших результатах, дали их интерпретацию и изложили наш вывод о том, что высокий уровень нитратов в источниках водоснабжения Декейтера обязан в основном интенсивному использованию азотных удобрений на окрестных фермах.

Дискуссия затянулась до ночи. После живого обмена мнениями с агрономами все согласились, что в целом данные вполне обоснованы. Один из агрономов сообщил, что сельскохозяйственные специалисты уже рекомендовали местным фермерам подумать о возможности сокращения использования азотных удобрений. Несколько месяцев спустя этот самый агроном, один из ведущих сельскохозяйственных экспертов страны, был введен в состав Иллинойсского Совета по контролю за загрязнениями, где он предложил беспрецедентную в сельском хозяйстве США меру: регулирование государством использования удобрений. Наиболее существенной была реакция фермеров. Основываясь на своей превосходной научной интуиции, они дали ряд полезных советов, касавшихся Дальнейшего развития наших исследование. Впоследствии несколько фермеров предложили использовать свей земли для экспериментальных исследований, имеющих целью установить, как повлияет Сокращение использования удобрений на содержание азота в дренажных водах. Но, возможно, самым радостным и значительным результатом дискуссии в средней школе Церро-Гордо стало то, что фермеры, то есть те, кто терпит наибольшие убытки от реформ в использовании удобрений, были не менее глубоко обеспокоены опасностью, грозящей водам Декейтера, чем представители медицины. Они дали понять, что они готовы рассмотреть любые предложения, которые помогут разрешить конфликт между потребностью Декейтера в качественной воде и их собственными жизненными интересами.

С тех пор наша работа пошла гораздо быстрее. Мы привлекли к решению широкого круга насущных проблем биологов, химиков, геологов, почвоведов, биохимиков, антропологов и экономистов. Мы изучаем распространенность метгемоглобинемии, чтобы оценить потенциальную опасность высокого уровня нитратов для здоровья детей. В то же время мы начали детальное изучение последствий, которые может иметь для фермеров сокращение использования удобрений.

Подобные исследования ведутся и другими учеными. Совсем подавно один из них, доктор Абрахам Гельперин из Иллинойсского университета, доложил результаты изучения детской смертности в различных графствах Иллинойса. Он сообщил, что в пяти графствах смертность маленьких девочек (но не мальчиков), родившихся в те месяцы, когда уровень нитратов был высоким (апрель, май, июнь), составляла 5,5 на 1000, а в месяцы, когда он был низким (август, сентябрь, октябрь), она составила 2,5 на 1000. Доктор Гельперин сделал вывод: эти данные свидетельствуют о том, что высокое содержание нитратов в воде, отмеченное в этих графствах, может влиять на смертность среди девочек.

Это может служить первым доказательством отрицательного воздействия интенсивного использования азотных удобрений на здоровье человека.

Полученные нами на полях Декейтера результаты имеют повсеместное значение. В Центральной Калифорнии интенсивное использование азотных удобрений привело к резкому увеличению содержания нитратов в колодцах, которые снабжают водой обширные площади. Подобные проблемы существуют в Израиле и Германии. Все это отражает непредвиденные последствия того факта, что важные технические достижения глубоко вторглись в окружающую среду, прежде чем мы осознали, что они не только способствуют развитию сельского хозяйства, но и несут в себе угрозу человеческому здоровью.

Дата добавления: 2015-10-16