Возможно, климатическая наука допустила большую ошибку

Углекислый газ копится в атмосфере – и леса, как принято считать, растут в ответ быстрее, забирая часть выброшенного обратно. Удобный баланс. Климатические модели десятилетиями опирались на него, закладывая в прогнозы стимулирующее действие CO₂ на рост растений: чем выше концентрация парникового газа, тем активнее фотосинтез, тем больше углерода поглощает биосфера. Но в ноябре 2025 года в Proceedings of the National Academy of Sciences вышла работа, которая нанесла по этому балансу весьма чувствительный удар.

Команда под руководством Сиан Ку-Гизбрехт из Университета Саймона Фрейзера показала: модели земной системы – те самые, на которых основывается шестой доклад МГЭИК, – систематически завышали количество доступного растениям азота в природных экосистемах. Из-за этой ошибки отклик фотосинтеза на удвоение концентрации CO₂ оказывается в моделях преувеличенным примерно на 11%, а наземный поглотитель углерода – заметно слабее, чем считалось прежде.

Чтобы разобраться в сути проблемы, нужно ненадолго вернуться к школьной биологии. Фотосинтез требует не только углекислого газа, воды и света, но и целого набора питательных элементов, среди которых азот занимает первое место. Без него невозможно синтезировать хлорофилл, белки и нуклеиновые кислоты – без него невозможна жизнь. Казалось бы, проблем нет: атмосфера почти на 78% состоит из молекулярного азота. Но молекула N₂ – один из наиболее химически инертных газов в природе, и разорвать тройную ковалентную связь между её атомами крайне сложно. Сделать это способны лишь специализированные микроорганизмы – бактерии и архей, вооружённые ферментом нитрогеназой. Они превращают атмосферный азот в аммиак – форму, которую растения уже могут усваивать. Процесс называется биологической азотфиксацией.

Одни бактерии живут внутри тканей растений в симбиозе с ними – особенно известны клубеньковые бактерии бобовых. Другие – свободноживущие – обитают в почве, во мху, лишайниках, мёртвой древесине. Но азотфиксация – процесс дорогостоящий в энергетическом смысле: на разрыв тройной связи нитрогеназа тратит огромное количество АТФ и, следовательно, углерода. Каждый атом азота, добытый микробом из воздуха, обходится растению или его симбионту отказом от части углерода, который иначе пошёл бы на рост.

Шестой проект по сопряжённому моделированию климата (CMIP6) включает несколько десятков моделей земной системы от разных научных центров. Часть из них в явном виде учитывает азотный цикл – и именно в них кроется проблема, на которую указала группа Ку-Гизбрехт. Основой для сравнения послужил обширнейший эмпирический набор данных, опубликованный ранее в 2025 году в журнале Nature командой Карлы Рейс Эли: тысячи прямых измерений скоростей азотфиксации в лесах, саваннах, пустынях, пастбищах и на пашнях. Сводная картина, которую рисуют наблюдения, такова: суммарная глобальная азотфиксация составляет около 120 тераграмм (1,2 метрических тонн) азота в год. Из них примерно 65 Тг/год приходится на естественные экосистемы, ещё 56 Тг/год – на агроэкосистемы с их обширными посевами бобовых культур.

Модели CMIP6 рисовали совсем иную картину: природным экосистемам приписывалось около 100 Тг/год, сельскохозяйственным – лишь 10 Тг/год. Соотношение вывернуто наизнанку при почти верном глобальном итоге. Может ли расхождение в пропорциях иметь практические последствия – или важна лишь сумма? Авторы утверждают: пропорции критичны. Леса и луга – то, что принято называть «лёгкими биосферы», – поглощают бо́льшую часть CO₂, которую суша в целом способна забрать из атмосферы. Именно в продуктивных экосистемах в моделях было сосредоточено избыточное количество азота. Значит, виртуальные деревья располагали бо́льшим ресурсом для роста, чем реальные, – и потому виртуальный углеродный поглотитель суши оказывался завышенным.

Откуда взялась методическая ошибка? Большинство моделей оценивают интенсивность азотфиксации через одну универсальную зависимость от первичной продукции и реальной эвапотранспирации. Наблюдения, однако, однозначно свидетельствуют: в природных и агроэкосистемах зависимость принципиально различна. В сельскохозяйственных угодьях – на американском Среднем Западе, в Бразилии, Восточной Африке, Южной и Юго-Восточной Азии – интенсивность азотфиксации с ростом продуктивности нарастает куда круче, чем в естественных биомах.

Модели, не улавливающие различия, автоматически перекачивают «виртуальный» азот из ферм в леса. Дополнительная путаница вносится тем, что модели не разграничивают симбиотическую азотфиксацию – микробы внутри растительных тканей, около 28 Тг/год – и свободноживущую, обеспечивающую около 36 Тг/год и особенно важную в засушливых районах и на скудных почвах. Из-за этого азотфиксация оказывается завышенной в продуктивных биомах и заниженной в аридных регионах.

Среди 39 проанализированных моделей земной системы команда Ку-Гизбрехт обнаружила чёткую зависимость: чем больше естественная азотфиксация в текущих условиях заложена в модель, тем сильнее выраженный в ней отклик фотосинтеза на рост концентрации CO₂. Пересчёт с использованием реальных данных даёт систематическое завышение стимулирующего действия CO₂ примерно на 11%. Одиннадцать процентов звучат скромно. Но когда речь идёт о терасоте карбона, циркулирующего между атмосферой и сушей на протяжении десятилетий, – масштаб колоссальный. Наземный поглотитель углерода абсорбирует порядка четверти всех антропогенных выбросов ежегодно, и даже относительно небольшое сокращение его ёмкости означает, что в атмосфере остаётся существенно больше CO₂, чем предсказывали прежние прогнозы. Попутно выясняется ещё одна погрешность: поскольку основная доля эмиссий закиси азота N₂O, оксидов азота и аммиака исходит из сельскохозяйственных угодий, занижение сельскохозяйственной азотфиксации ведёт к искажению расчётов азотного загрязнения. Закись азота заслуживает отдельного упоминания: в столетней перспективе её парниковый потенциал превышает потенциал CO₂ в 273 раза.

Чтобы оценить значимость сделанных выводов, полезно взглянуть на то, какие усилия человечество прилагало – и прилагает – для решения азотного дефицита в сельском хозяйстве. Синтез Хабера–Боша, получающий аммиак из атмосферного азота при высоких температурах и давлении с помощью природного газа, производит сотни миллионов тонн азотных удобрений ежегодно. Технология прокормила несколько миллиардов человек, которых иначе ждал бы голод. Тем не менее значительная часть вносимого удобрения не усваивается растениями, вымывается в водоёмы, вносит вклад в цветение водорослей и превращается в N₂O. Генетические инженеры десятилетиями пытаются повысить эффективность использования азота в культурных растениях напрямую. Обзоры последних лет фиксируют прогресс в манипуляциях с нитратными транспортёрами и ферментами ассимиляции – но каждый раз, когда исследователи «подкручивают» один узел, другой даёт сбой. Азотный метаболизм растений – глубоко интегрированная система, и крупный выигрыш в одном звене почти неизбежно даётся ценой потерь в другом. Параллельно развивается направление микробиологических решений. Опубликованный в декабре 2025 года детальный обзор суммирует нынешний горизонт возможностей: конструирование микробных консорциумов, улучшающих круговорот азота в почве, – решения достижимые, но глубоко специфичные. Они работают в конкретных почвах, для конкретных культур, при конкретных условиях. Универсального биологического «рычага», способного подтянуть азотное питание лесов планеты до уровня, которого требуют климатические модели, не существует.

Иными словами, когда модели предполагают, что леса Амазонии или тайги просто «найдут» дополнительный азот в ответ на рост CO₂, они приписывают природе способность, которой нет даже у аграриев, вооружённых промышленной химией и молекулярной биологией. Авторы работы не ограничились диагнозом – они сформулировали конкретные рекомендации по улучшению моделей: разделить сельскохозяйственную и природную азотфиксацию как самостоятельные процессы с различными параметрами, различать симбиотическую и свободноживущую фиксацию, учитывать углеродные затраты на неё и верифицировать модели против реальных экспериментальных данных. Леса по-прежнему будут поглощать углерод, фотосинтез по-прежнему немного ускорится при росте концентрации CO₂ – но наиболее реалистичная оценка теперь ниже, чем та, которую давало большинство прогнозов: наземный поглотитель углерода несколько слабее, стимулирующее действие CO₂ несколько меньше, а зазор между тем, что мы выбрасываем, и тем, что природа способна безболезненно переварить, несколько шире.

Азот, которого так мало в почве и так много в воздухе, оказывается тем самым узким местом, через которое не пробиться никакому количеству углекислого газа – сколь бы сильно он ни стимулировал фотосинтез. Природных лазеек, которые избавят человечество от необходимости сокращать выбросы, не существует.

По материалам:

Как классно придумали!