У доиндустриального сельского хозяйства, основанного на мускульной силе человека и животных и использовавшего простые деревянные и железные орудия, был единственный источник энергии — солнце. Сегодня, как и всегда, сельское хозяйство основано на фотосинтезе под действием солнечных лучей, но высокие урожаи, получаемые с минимальными затратами труда и, следовательно, с беспрецедентно низкими затратами, были бы невозможны без прямого и косвенного поступления энергии от ископаемых источников. Часть этой антропогенной энергии имеет форму электричества, которое может генерироваться из угля, природного газа или возобновляемых источников, но большая ее часть — это жидкие и газообразные углеводороды в виде автомобильного топлива и сырья.
Механизмы потребляют энергию ископаемого топлива непосредственно как дизель или бензин для сельскохозяйственных работ, в том числе выкачивания из скважин воды для орошения, сбора и сушки урожая, его транспортировки внутри страны на грузовиках, поездах и баржах, а также экспорта в другие страны в трюмах гигантских сухогрузов. Косвенное использование энергии для изготовления этих машин носит более сложный характер, поскольку ископаемое топливо и электричество необходимы не только для производства стали, резины, пластика, стекла и электроники, но также для сборки тракторов, навесных орудий, комбайнов и грузовиков, строительства сушилок и элеваторов[98].
Но энергия, необходимая для производства и работы сельскохозяйственной техники, не идет ни в какое сравнение с энергией, которая тратится на производство агрохимикатов. Современному сельскому хозяйству требуются фунгициды и инсектициды для уменьшения потерь, а также гербициды, чтобы сорняки не конкурировали с выращиваемыми культурами за питательные вещества и воду. Все это чрезвычайно энергоемкие продукты, но их используют в относительно небольших количествах (доли килограмма на гектар)[99]. В отличие от них удобрения, содержащие три очень важных для растений макроэлемента — азот, фосфор и калий, — требуют меньше энергии на единицу конечного продукта, но для обеспечения высоких урожаев вносятся в больших количествах[100].
Дешевле всего обходится производство калия — для этого нужно лишь извлечь калийную соль (KCl) из подземных шахт или открытых разрезов. Производство фосфорных удобрений начинается с добычи фосфатов, после чего они подвергаются обработке для получения синтетических суперфосфатных соединений. Исходным компонентом для всех синтетических азотных удобрений служит аммиак. Для получения высоких урожаев пшеницы и риса, а также многих овощей требуется более 100 (иногда до 200) килограммов азотных удобрений на гектар, и такой высокий спрос на них привел к тому, что синтез азотных удобрений — это самые важные косвенные энергозатраты в современном сельском хозяйстве[101].
Азот требуется в таких больших количествах потому, что он содержится в любой живой клетке: в хлорофилле, отвечающем за фотосинтез, в нуклеиновых кислотах ДНК и РНК, содержащих и обрабатывающих генетическую информацию, а также в аминокислотах, из которых состоят белки, необходимые для роста и функционирования тканей организма. Запасы азота практически неисчерпаемы — он составляет почти 80 % атмосферы, и мы буквально плаваем в нем — и тем не менее он остается главным ограничивающим фактором и урожайности, и роста численности населения. Это один из главных парадоксов биосферы, но объяснить его просто: азот в атмосфере присутствует в виде инертной молекулы (N> 2), и лишь небольшое количество естественных процессов способно разорвать связь между двумя атомами азота, чтобы в результате появилось вещество, пригодное для образования активных веществ[102].
На это способна молния: в результате ее воздействия образуется окись азота, которая растворяется в дожде и образует нитраты, которые сверху удобряют леса, поля и луга, — но совершенно очевидно, что этого количества, образующегося естественным путем, не хватит для выращивания урожая, достаточного для того, чтобы прокормить 8 миллиардов человек. То, что делает молния с помощью огромных температур и давления, фермент нитрогеназа может делать при нормальных условиях; его вырабатывают бактерии, живущие в корнях бобовых растений (а также некоторых деревьев) или в почве. Бактерия в корнях бобовых растений выполняет большую часть работы по естественному связыванию азота — то есть расщепляет нейтральную молекулу N
