Удобрения

Люди, как это ни странно, пришли к мысли о внесении минеральных веществ в почву относительно недавно. До первой половины девятнадцатого века выращиваемые культуры удобрялись лишь органическими удобрениями, да эмпирически подобранными веществами (например, золой) – повсеместно считалось, что для роста и питания растений нужна лишь вода.

Данную точку зрения «доказал» в свое время нидерландский алхимик ван Гельмонт, проведя ряд опытов с ивой. В течение пяти лет он регулярно поливал растение, посаженное в большой горшок. За это время ива стала тяжелее почти на 70 кг, тогда как земля практически не изменила свой вес, убавив всего 100 грамм.

С развитием химии как науки, ситуация несколько изменилась. Стало очевидным, что для роста растений нужен углерод, которого в воде нет, зато в воздухе предостаточно. Теория была быстро оценена и получила подтверждение опытным путем благодаря стараниям швейцарского ботаника Жана Сенебье. «Воздушное питание» растений получило широкое распространение и вызвало возражение лишь у консервативно настроенной группы ученых, считающих, что основное питание растений происходит за счет органических веществ, содержащихся в почве.

Вероятно поэтому новая теория, предложенная немецким химиком Ю. Либихом в книге «Органическая химия в применении к земледелию и физиологии», была встречена «в штыки». В частности, в своем труде автор указывал на обеднение почвы минеральными солями и предрекал скорую необходимость их искусственного внесения в состав удобрений. Первоначально ученый определил в необходимые для внесения в почву химические элементы только калий и фосфор, так как азот, по его мнению, мог усваиваться растениями из воздуха. В результате первые опыты по внесению фосфорно-калиевых удобрений провалились – результаты сплошь отрицательные. Книга вызвала шквал критики среди знатоков сельского хозяйства и ученых, на Либиха посыпались оскорбительные карикатуры и письма.

Азотные удобрения
Тем не менее, после признания Либихом своей ошибки и добавления в список необходимых веществ азота, его работа была признана и оценена по достоинству. Со второй половины девятнадцатого века для производства удобрений (суперфосфата и сульфата аммония) стали строится заводы. Калий и фосфор промышленники добывали без труда - в почве этих элементов содержится в достаточном количестве, однако азот добыть было труднее. Помощь пришла из Чили – оказалось, что благодаря особому разложению органических веществ (вследствие почти полного отсутствия на данных территориях осадков), а так же веками копившемуся в этой местности птичьему помету, в предгорьях Кордильер образовались уникальные залежи селитры. Это соединение залегало вдоль океана в виде полосы длиной 200 км, шириной три километра и толщиной до 3 метров. Чили становится крупнейшим импортером селитры. Объемы ее выработки неуклонно росли – в конце XIX века добывалось около тысячи тонн в год, а в начале ХХ века уже порядка миллиона тонн. Не удивительно, что ученые были обеспокоены столь быстрым потреблением этого соединения и искали пути синтеза азотных соединений.

Впервые этого удалось добиться Фрицу Габеру в 1909 году, который изобрел метод связывания азота, содержащегося в воздухе, получая на выходе аммиак. Позднее метод Габера был усовершенствован другим немецким ученым – Карлом Бошем. Оба исследователя за свои труды были удостоены Нобелевской премии. В настоящее время метод Габера – Боша остается основным способом получения азотистых удобрений, коих производится около 100 миллионов тонн в год.

Пестициды

Пестици́ды (лат. pestis — зараза и лат. caedo — убивать) (сельскохозяйственные ядохимикаты) — химические средства, используемые для борьбы с вредителями и болезнями растений, а также с различными паразитами, сорняками, вредителями зерна и зернопродуктов, древесины, изделий из хлопка, шерсти, кожи, с эктопаразитами домашних животных, а также с переносчиками опасных заболеваний человека и животных. Пестициды объединяют следующие группы таких веществ: гербициды, уничтожающие сорняки, инсектициды, уничтожающие насекомых-вредителей, фунгициды, уничтожающие патогенные грибы, зооциды, уничтожающие вредных теплокровных животных и т. д. Большая часть пестицидов — это яды, отравляющие организмы-мишени, но к ним относят также стерилизаторы (вещества, вызывающие бесплодие) и ингибиторы роста.

Пестициды относятся к ингибиторам (отравителям) ферментов (биологических катализаторов). Под действием пестицидов часть биологических реакций перестаёт протекать, и это позволяет бороться с болезнями (антибиотики), дольше хранить пищу (консерванты), уничтожать насекомых (инсектициды), уничтожать сорняки (гербициды).

Пестициды, проникающие во все ткани живого организма или растения, называются системными пестицидами.

Селекция

СЕЛЕКЦИЯ, разработка научно обоснованных методов создания и совершенствования сортов культурных растений и пород домашних животных, а также применение этих методов в растениеводстве (селекция растений) и животноводстве (селекция животных). В результате селекционной работы создают сорта растений и породы животных с нужными биологическими свойствами и хозяйственными качествами. Напр., ведут селекцию на плодовитость и продуктивность скота и птицы, урожайность с.-х. культур, устойчивость к вредителям и болезням, качество продукции, приспособленность к механизированной уборке и др.

История селекции исчисляется тысячелетиями. Селекционеры древности, «бессознательно» используя искусственный отбор, создавали сорта винограда, плодовых культур, пшеницы, хорошо приспособленные к местным условиям и дающие устойчивые урожаи. Впоследствии отбор приобрёл массовый характер – появилась народная селекция растений и животных. Ею были созданы местные засухоустойчивые сорта пшеницы, зимостойкие сорта подсолнечника, яблони (Антоновка, Грушовка), местные породы скота (аборигенный скот), на основе которых позднее были выведены холмогорская, ярославская и др. известные породы крупного рогатого скота, отличающиеся лучшими, чем у местного скота, адаптационными (приспособительными) качествами и более высокой продуктивностью.

Научная селекция стала развиваться с нач. 20 в., одновременно с развитием генетики (теоретическая основа селекции). Открытие законов наследственности и изменчивости, научно обосновавших искусственный отбор, дало возможность сознательно управлять наследственностью растительных и животных организмов.

Современная селекция базируется на методическом отборе, который ведётся в двух направлениях – на сохранение сортовых и породных признаков (массовый отбор) и на их совершенствование (индивидуальный отбор). Для внесения в генофонд ценных генов и получения оптимальных комбинаций признаков (напр., сочетание высокой урожайности с засухоустойчивостью) применяют гибридизацию с последующим отбором.

В животноводстве обычно применяют индивидуальный отбор и гибридизацию, используя различные виды скрещивания – близкородственное (инбридинг), неродственное (аутбридинг) и др. Цель близкородственного скрещивания – перевод большинства генов породы в гомозиготное состояние. Задача неродственного скрещивания – комбинация нескольких полезных признаков. При скрещивании разных пород животных или сортов растений, а также при межвидовых скрещиваниях наблюдается мощное развитие гибридов первого поколения, их высокая жизнеспособность (см. Гетерозис). Удалось получить гетерозисные гибриды огурца, томата и др., урожайность которых на 10–30 % выше, чем у обычных сортов. Разработаны способы преодоления бесплодия межвидовых гибридов, благодаря чему были получены гибриды пшеницы с рожью (тритикале) и с пыреем (пшенично-пырейные гибриды), удачно сочетающие лучшие качества исходных форм (высокую урожайность зерна и зелёной массы с холодостойкостью).

В селекции широко используют метод искусственного мутагенеза (воздействуя мутагенами на исходный материал, нарушают строение молекул ДНК, что приводит к резкому росту числа мутаций, среди которых часто появляются формы с полезными признаками). Путём искусственного мутагенеза получены высокоурожайные сорта ярового и озимого ячменя, яровая пшеница Новосибирская 67, а также полиплоидные растения (см. Полиплоидия), отличающиеся более крупными размерами плодов, цветков, стеблей и др. органов и повышенным содержанием сахара (сахарная свёкла), белков (зернобобовые), масла (подсолнечник) и др. полезных веществ.

В связи с бурным развитием производств, основанных на биотехнологиях, стала актуальной селекция микроорганизмов (выведение новых их штаммов, имеющих значение для производства кормового белка, ферментативных и витаминных препаратов, антибиотиков, используемых в сельском хозяйстве, медицине, пищевой промышленности). При этом используют способность микроорганизмов непрерывно синтезировать белки при благоприятных условиях. Разработаны способы внедрения в бактериальную клетку определённых генов, в т. ч. человека. Это обеспечивает интенсивную выработку ею белка, кодируемого чужим геном. На методах генной инженерии основано производство интерферонов (белков, подавляющих размножение вирусов), инсулина (регулятор уровня глюкозы в крови), гормонов роста и др.

Оррошение

Уже в древнейшие времена орошение достигло степени искусства, на котором было основано благосостояние целых стран. О проведении воды для увлажнения полей упоминается во многих местах Библии. Местность между Евфратом и Тигром славилась уже в глубочайшей древности сельскохозяйственным прогрессом, достигнутым при помощи систематического орошения. С незапамятных времён существуют образцы оросительных сооружений в странах древнейшей культуры: в Китае, Индии и Египте, а в Новом свете — в областях исчезнувшего царства ацтеков. Египтяне не довольствовались периодическими разливами Нила для оплодотворения своих полей; а провели его воды, с помощью разветвлённой системы каналов, по всей своей плодородной области до края пустыни. Впоследствии перешли здесь к водочерпательным колёсам, поднимавшим воду на высоту.

В Европе древнейшими мастерами по части орошения являются этруски. Громадные остатки каналов между Адиджем и По свидетельствуют ещё в настоящее время об исполинских сооружениях, исполненных этим народом исключительно для обводнения полей. Своё искусство они передали римлянам. Последние высоко ценили воду, и ещё в настоящее время поражают их гидротехнические сооружения: возвышенные бассейны, водопроводные каналы, искусственные пруды и озёра, великолепная отделка источников и другие совершенные устройства для доставления хорошей воды.

Самым широким образом оросительные сооружения развились в Ломбардии. Сеть оросительных каналов в этой области, развиваемая и совершенствуемая со времён римлян, охватывала к началу XX века площадь до 450 000 гектаров. Главные каналы этой сети, в состав которых вошли и древние искусственные водотоки, построены были в начале средних веков частью монахами, частью городами Миланом, Кремоной и другими под владычеством Висконти, Сфорца, Паллавичино, а в области Мантуи династией Гонзага. Древнейший канал Ветталия построен в 1057 году. Уже в 1216 году в Милане появляется собрание постановлений о пользовании водой, которые впоследствии были усовершенствованы и послужили основанием законодательства об орошении 1747 года. В XI веке монахи аббатства Кьяравалле владели более чем 8 000 гектаров орошаемых лугов и продавали излишек своей воды. Для определения её количества пользовались особыми водомерами, в которых вода пропускалась через определённое отверстие (0,029 м²), при постоянном напоре (0,10 м). В минуту через такое отверстие протекает 2,1835 м³, что называется миланской унцией. Впоследствии вместо водяной унции стали пользоваться для измерения расхода другими устройствами и приборами, называемыми со времен Солдати, первого изобретателя такого прибора в XVI веке, модулями.

Из Ломбардии немецкие солдаты в XVIII веке принесли с собой искусство орошения в область нижнего Рейна, где оросительные устройства особенно развились и укрепились в окрестностях города Зигена, благодаря стараниям бургомистра этого города Дреслера, около 1750 года. В Испании орошение введено было маврами, трудами которых безводные окрестности Валенсии превратились в область роскошнейшего плодородия. Развалины гидротехнических сооружений мавров в Испании до сих пор производят впечатление своим величием. Мавританские оросительные устройства послужили образцом не только в техническом отношении, но и в отношении законодательства и организации, так как здесь явилась самая древняя форма общественного пользования орошением. Подведомственные маврам провинции разделялись на оросительные участки, для которых необходимое количество воды обеспечивалось заграждением горных ручьёв и речек в летнее время. Для этого строились большие плотины. Из образованных таким образом водохранилищ вода проводилась магистральными каналами, а от них ответвлялись боковые каналы, из которых вода для орошения отдельных участков вычерпывалась нориями. Для каждого из орошаемых участков рассчитано было точно потребное количество воды. Пользование ею было строго регламентировано, и за выпуск излишней воды установлены были штрафы. Для контроля расхода воды пользовались стрелочными водомерами. В некоторых местностях Испании устройства эти сохранились ещё в настоящее время. Во Франции большие оросительные системы находятся в долинах Луары и Гаронны, а также в департаментах Савойя, Верхняя Савойя, Буш-дю-Рон, Эро, Гар и других. Англия, по свойствам климата, требует мало орошения, но местами и здесь встречаются обширные местности, пользующиеся искусственным обводнением, например самые древние оросительные устройства, в Уилтшире, созданные в 1690—1700 годах, занимают площадь около 15—20 000 гектаров. В 1743 году Дженингс устроил у Хоудена, близ Йорка, первые кольматажные луга.

Гидропоника

Название «гидропоника» происходит от двух греческих слов: ponos – труд и hydor – вода, и дословно означает «работающая вода». Гидропонику (беспочвенный метод культивирования растений) можно назвать технологией будущего. Хотя, как известно, все новое – это давно забытое старое.

Прародителями гидропонных садов считают висячие сады Семирамиды.

Но первым, кто пытался объяснить и описать процесс питания растений, был Аристотель. Он пришел к выводу, что пища к растениям поступает уже в органической (конечной) форме. После смерти Аристотеля изучение этого вопроса оставалось в забытьи многие столетия, пока в 17в. им не занялся Иоганн Ван Гельмонт (голландский ученый). Он проводил научные эксперименты, чтобы выяснить, откуда растения получают пищу и чем именно они питаются.

Затем на протяжении 2-х столетий свою лепту в историю развития гидропоники поочередно внесли Эдме Мариот, Марчелло Мальпиги, Стефан Хэйлс и Джон Вудворд. За это время было установлено, что растения используют для строительства своих клеток уже химически измененные вещества, и в этом процессе важную роль играет кислород. А описания выращивания растений Джона Вудворда ближе всего были к современному определению гидропоники.

В 19 веке немецкий агрохимик Юстус фон Либих, изучавший принцип питания растений, вывел следующее утверждение: «Источник питания растений – это неорганическая природа». Впоследствии труды Либиха помогли ученым продвинуться в понимании этого вопроса. В 1856 году два немецких ботаника Ю. Закс и Ф. Кноп впервые вырастили из семян растения на искусственном растворе, что позволило разгадать, из каких химических элементов составлен «рацион» растений. А раствор Кнопа до сих пор используется в гидропонной культуре.

В 1929 г американский профессор фитофизиолог Уильям Герикке, после удачно проведенных опытов, разработал теорию гидропоники и начал выращивать овощи в емкостях с питательным раствором. Примерно в одно время с Ф. Кнопом российские ученые Прянишников и Тимирязев занимались разработкой метода выращивания растений в растворах неорганических соединений. И уже в 1938-39 гг. в нашей стране впервые были выращены овощи без почвы.

В результате упорной работы многих ученых и тысяч проведенных экспериментов, удалось узнать, какие вещества должны присутствовать в растворе солей для оптимального развития растений – это кальций, калий, магний, железо, фосфор, сера и азот. При отсутствии калия останавливается рост растений. Если исключить кальций, не будет развиваться корневая система. Без железа и магния не будет хлорофилла, а сера и фосфор помогают в образовании белков.

Поначалу в гидропонике использовали исключительно метод водной культуры, но при таком методе корни растения не получали достаточной дозы кислорода и быстро отмирали. На смену метода водной культуры пришли другие: агрегатопоника, при котором корни помещают в твердые неорганические субстраты – гравий, щебень, песок, керамзит; хемопоника – здесь субстратом для корней служат верховой торф, мох, опилки и другие органические материалы; ионитопоника – в качестве субстрата выступают ионообменные материалы; аэропоника, при котором корни обходятся вообще без субстрата, т.к они висят в темной камере.

Плуг

По сравнению с блестящими электронными изобретениями, которые наполняют нашу жизнь сегодня, плуг, похоже, не особо блистает. Это простой инструмент, предназначенный для вырезания борозд в почве, ее подготовке к удобрениям и посадке культур. Но если бы не плуг, других изобретений в нашем списке, наверное, не было бы.

Никто не знает, кто изобрел плуг или когда он появился впервые. Вполне возможно, что его разработали независимо в разных регионах, причем разработали еще в доисторическую эпоху. До плуга люди занимались преимущественно охотой или собирательством. Их жизнь зависела исключительно от поиска достаточного количества пищи, чтобы выжить от сезона к сезону. Выращивание пищи вносило в жизнь определенную стабильность, но руками делать это было сложно и долго. Появление плуга изменило все.

Плуг сделал работу в поле проще и быстрее. Улучшения в дизайне плуга сделали работу с землей настолько эффективной, что люди начали собирать намного больше пищи, чем им было нужно для выживания. Они начали продавать излишки за товары или услуги. А если вы можете получить еду за счет торговли, в вашей повседневной жизни появляется больше времени для других дел, помимо выращивания еды, например, производства товаров и услуг, которые могут понадобиться тем, кто выращивает еду.

Возможность торговать и хранить материалы привела к изобретению письменности, счета, укреплений и военных технологий. По мере увлеченности населений этими делами, разрастались города. Не будет преувеличением сказать, что именно плуг позволил состояться человеческой цивилизации.

Мотыга

С древнейших времен одним из основных занятий человека было собирательство. Под этим словом современные ученые подразумевают сбор съедобных семян, орехов, фруктов, корней, личинок, яиц и т.п. Основным орудием при собирательстве была толстая палка-копалка, один конец которой был заострен и обожжен на огне для прочности. Но уже в очень древние времена наряду с ней стала употребляться палка с поперечным сучком, более удобная для копания земли. В этом орудии можно видеть прообраз мотыги. Позже рабочую часть такой палки стали делать из рога или кости. Наконец появились каменные мотыги, насаженные на деревянную ручку. Этим орудием можно было вскапывать землю, переворачивать ее и разбивать комья. Когда люди перешли к культурному возделыванию растений, мотыга на протяжении нескольких тысячелетий оставалась главным сельскохозяйственным инструментом земледельца.

Однако путь от простого сбора съедобных растений и плодов до сознательного возделывания земли и выращивания культурных растений был несказанно долгим и растянулся на сотни тысяч лет. Одна из наиболее ранних земледельческих культур на земле сложилась около 9-8 тысяч лет до Р.Х. на территории Палестины. Раскопки в горах Кармел дают основание утверждать, что местные жители не только систематически собирали дикий ячмень, но и производили посевы. Однако можно предположить, что в тропической зоне сознательное земледелие возникло еще раньше. Изучение таких культурных растений, как бананы, заставляет думать, что культурное возделывание их началось около 15 тысяч лет до Р.Х. Вместе с земледелием началась новая эра в истории человечества. С этого времени люди стали не только присваивать плоды природы, но и сознательно производить их. Их жизнь стала зависеть не столько от капризов природы, сколько от результатов собственной деятельности