摘要：氮化学性质稳定，难以和其他物质反应，几十亿年过去了，动植物至今无法固氮
阿喀琉斯历史讲解员王汉周
2025年09月15日 23:56浙江
⬆️点我 ⬆️
来源
zhihu.com/question/1950166313797412688
01
固氮
对全世界的动植物来说，组成身体的99%的元素无非是氧碳氢氮。
前三个很容易获取，随处可见的氧气，水。
植物就可以和合成了，而动物可以靠吃植物获取。
氮的获取变成大问题。
氮很少吗？
并不是，空气中78%都是氮气，空气中占比最高的。
氮化学性质稳定，难以和其他物质反应，几十亿年过去了，动植物至今无法固氮
植物生长又必须需要氮，氮成了大多数植物生长缓慢的短板。
02
为什么真核生物几十亿年进化无法固氮？
因为固氮条件太苛刻，目前只发现固氮酶可以做到。
固氮酶还挺讲究，极度厌氧，一点氧气都不能有，此外还需要大量ATP（拆分顽固的化学键16个ATP拆一次）。
真核生物，无论动物植物每个细胞都是需要氧气的。
所以地球上的固氮，自然就成了细菌的专利
地球上每年约65-75%的氮来自细菌，无论是和植物合作的根瘤菌，还是动物肠胃的菌群，或者是自由自在的固氮菌。
约2-5%的氮来自高能固氮（闪电、高能射线、火山高能拆分化学键）
那么剩下的30-40%的氮来自哪里？
没错！
就是人类的工业固氮-哈伯博斯法
N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
200个大气压，400度高温，强效拆分化学键。
自从有人人工固氮，农业实现翻倍。
人口从当初的16亿温饱线到现在80亿大部分人粮食充足。
大家能不用从事农业还能温饱应该感谢人工合成氨。
那么问题来了，前面说到植物必须氮，植物为什么必须要氮？
其什么作用？
氮在生物体是组成氨基酸必需元素。
没有氮就没有氨基酸，没有氨基酸就没有蛋白质和酶。
而酶是生物体必须得催化剂和调节剂。
比如植物的光合作用。
地球上最多的蛋白质是什么?
Rubisco酶，这是植物用来光合作用的酶，植物50-70%的氮用来光合作用，所以植物必须含有氮。
其他的氮，比如吸收水分，合成RNA、DNA、结构蛋白，都是需要氮的。
但即使这样，普通干草含氮只有0.3-1.5%。
即使是氮化处理（添加尿素、氨水），也就只有1-2%
苜蓿干草的蛋白质含量通常在15%-25%之间（根瘤菌获取氮，含有3%的氮）
这就是为什么苜蓿干草成为优质草料，中国每年大量进口优质干草喂牛（国产120万吨，进口180万吨）。
牛肉蛋白质含量很高（肌肉多），达到20%，氮含量动物体内差不多也是3%。
看上去牛肉和草料含氮量差不多，但你要知道，人吃了草是几乎无法获取蛋白质的，牛是如何获取足够蛋白质长出肌肉的？
直观上，植物和动物细胞最大区别是什么？
是细胞壁！
植物有了细胞壁，就可以支撑形态，防水。
而动物想获取动物的营养，就必须破防细胞壁，而细胞壁组成部分是纤维素。
人类有的只是淀粉酶。
所以只能吃果实。
而植物果实的细胞壁结构松散，纤维素、木质素含量低。
似乎专门是提供给动物吃的好方便传播种子。
那为何哺乳动物不进化纤维素酶？
这样不就很难饥荒了吗？
因为纤维素酶不是一种酶，是多种酶协同工作，是一个复杂的加工工厂，需要大量的遗传信息。
酶和纤维素，就像钥匙和锁的关系，一把钥匙开一把锁，是需要试错无数次才能配一把钥匙，然后一看还有很多锁，需要所有的钥匙齐备才能开锁。
即使是慢慢的配齐所有钥匙了，然后一看，换锁了！艹！
进化速度：细菌>>植物进化速度>哺乳动物
真等你慢慢配好几把纤维素钥匙（纤维素酶），植物很多才一年生，进化速度快，直接换锁。
所以怎么办呢？
动物选择抱大腿——找进化速度更快的细菌。
还记得最前面说的植物固氮提到植物和根瘤菌合作获取氮吗，固氮酶极度厌氧，所以只有细菌有，固氮酶耗能高。
所以植物给根瘤菌巨大能量，根瘤菌固氮交易给植物。
而分解纤维素的细菌刚好也是需要厌氧。
刚好，怎么又是刚好厌氧。
次次都是刚好？
因为切割顽固的化学键就是需要厌氧环境！
首先是氧气会产生活性物，会干扰这些酶。
举个例子，就像如果你是富二代（富含活性物），还会苦哈哈的上班搬砖吗（切割顽固化学键）？也就是说生物体内切割化学键的能量ATP容易被氧化物夺走，就像你努力搬砖的意志容易被金钱腐蚀。
其次分解纤维素和固氮一样，都需要大量能量切割化学键，如果有氧环境，容易被其他赚快钱的细菌抢去成果。
就像当年世界第一强国哈布斯堡西班牙的制造业外流，明明挖银矿就能赚大钱，为啥还要苦哈哈去搞制造业？
苦哈哈干制造业的人看钱都被挖矿的人赚了，算了，爷不干了，爷也去挖矿玩金融去。
然后这个世界第一就没落了。
所以让这些菌才——真正干活的细菌，是需要非常苛刻的条件。
而牛的四个胃（包括瘤胃），反刍功能，并且食物加工时间长，慢工出细活，对人才要给他最好的条件，恒温，无氧，PH稳定…，让他不用担心房价，人人住大house，专注做好事情，然后才有好的产出。
而小动物没有牛这种长的消化道，没法让细菌住大house，比如富含高蛋白的兔子，该怎么办？
兔子有发达的盲肠，但即使这样，也因为肠道太短，无法高效率消耗吸收，所以兔子进化出软粪/硬粪机制，第一遍消化的时候排出软粪，吃进去，再走一遍。
（兔子如何识别是不是上上次的？哈哈哈哈）
但哺乳动物，对氮吸收最厉害的食草动物，在昆虫面前就是个弟弟！
蛋白质含量是牛肉6倍
前面我说了进化速度上，速生速死的生物明显进化更快。
而动物里，速生速死的自然就是昆虫了。
所以昆虫进化的更快，该有的菌群一个不少，高效工作，其中就包含了和菌群更加高效率的合作，后肠、菌囊一个个微型发酵罐。
白蚁后肠微生物密度是地球上最高的环境之一。
这里面最大的区别是，部分昆虫进化出纤维素酶！！！
草，往往一年一死，昆虫往往一年一死，你升级锁，我就升级钥匙，水平差不多，就防不了！
昆虫甚至技术创新到从微生物偷纤维素酶基因，整合到自己基因组，纯天然的转基因昆虫，鸡肉味，嘎嘣脆。
创新小公司，老板就是顶级人才，一个顶十个，自然不需要大资金聘请专家分解纤维素了。
当然，吸食汁液、果实（果实细胞壁薄弱）的昆虫没进化出纤维素酶，因为不需要。
牛对氮的留存率只有约15-25%，而昆虫可以高达约40-60%！
并且低甲烷排放。
绝对是小而美、低排放的化工厂。
所以在科幻故事里，未来人类是需要吃昆虫获取氮源的！
比如：雪国列车。
05
消耗纤维素只是昆虫不值一提的技能，昆虫的最高消化技能就是——强效消化木质素
而这里就不得不提到植物中消化难度最高的物质——木质素
消化难度：木质素>纤维素>果胶（植物的果实细胞壁含有少量纤维素和果胶）
不是只有树才有木质素，陆地上看到有茎叶的的植物细胞壁都有木质素。
而木质素在生命史上创造了一段传奇，甚至差点导致生物彻底灭绝！
往下挖土壤，地球上的土是一层一层的，不同时期的土占据不同的层，比如白垩纪导致恐龙灭绝的土壤是富含稀有金属铱的，金属铱在地球上少见，但小行星中并不少，这是那个导致恐龙灭绝的小行星带来的。
每一层土壤都在诉说一段地球历史。
而地球上的煤炭，几乎全都是在3.5亿年前。
3.5亿年前的泥盆纪发生了什么？
动植物从来都不是永久稳固吃和被吃的关系，植物也会反抗，会进化毒素毒动物，进化出影响五羟色胺的物质降低动物食欲，当然也包括进化的难以被消化。
那个时代植物进化出木质素了！
植物赢了军备竞赛！
动物、细菌都无法消化木质素。
赢了会怎样？
动物、细菌都得饿死！
于是迎来生物大灭绝。
70%生物在此灭绝。
植物一直赢，赢麻了，细菌、动物一直输。
死去的植物也没法被细菌消化，堆积最高能到几十米高，最终形成今天的煤炭层。
疯狂吸收二氧化碳，死了不会回收，二氧化碳急剧减少，温室气体少了，自然就冷了，形成了冰河时期，冰河覆盖到非洲南部，同时海岸线下撤，内陆变干燥、二氧化碳降得太厉害，也让植物无法生长。
植物一直赢，结果是害了自己。
其他生物一直反抗，一直打不过，一直不停尝试，不停尝试分解大boss木质素。
生命会自己找出路
5000w年后，一个英雄，白腐菌终于第一个打赢了boss，地球迎来新的版本更新了。
06
总之过去的木质素就像当今塑料一样，对生物是一种极难分解的物质，牛和体内细菌都是分解不了的，只能靠物理研磨、反刍重复研磨，绕过木质素，靠偷袭从而摄入植物细胞内部营养，而白蚁等少数昆虫却能有木质素分解能力，靠着细小的口腔研磨磨碎，前肠-中肠连接处的前胃负责将摄入的食物研磨成更小的颗粒，在自身分泌的酶和细菌分泌的酶共同作用下，才最终分解营养价值极低的木质素。
纯粹吃力不讨好的工作，只有少数昆虫才有此能力。
也就是说，动物都无法分解木质素，只有白蚁少数昆虫可以和细菌合作才能获取分解呢能力？
船蛸，也叫船蛆，是一种生活在海洋中的软体动物。
对大部分来说肯定很陌生，但是对大航海时代的人来说可以说臭名昭著了。
它可以吃木质船的木头，并且船看上去好好地，实际上脆弱不堪。
在钢铁轮船出现前可以说是让船员头疼的生物。
哥伦布的第四次航行，就是因为被船艄蛀蚀，船只瘫痪一年发生哗变，最终失败。
西班牙无敌舰队130大战英国舰队34失败，部分原因也是船只被船艄蛀的脆弱不堪（当然主要原因还是工业科技优势和英国的金融手段）
船艄为何能有木质素的能力，木质素不是最终boss吗，不是说细菌才有能力快速进化，而且细菌也是5000年才进化出来。动物进化的这么慢，怎么获取这个超能力呢。
自己没研发能力，难道不能偷吗？
和前文一样，昆虫靠着偷，窃取细菌的纤维素酶，而船蛸也是这样做的！
船艄也会和细菌协作，从而更好效率的吸收，但即使完全没有细菌他也可以消化木质素。
来源：安徽乡村振兴