为什么空气中N元素这么多，但没有一个动物进化到可以利用空气中的氮气合成氨基酸呢？ 第1页

N年前看到的某篇文章说非洲某个地方的土著人肠道里有固氮细菌，能弥补一些蛋白质摄入的不足。如果人类都有，那在动物界应该挺普遍的吧。

空气中的氮元素含量很高吗？

一块鸡胸脯，大概蛋白质含量30%，而蛋白质中的氮含量大约是16%。也就是说，鸡胸脯的氮元素含量大概是5%左右。而鸡胸脯的密度大概是1吨/m3。也就是说鸡胸脯中的氮元素密度大概是50kg/m3。

相比之下，空气中呢？空气中氮含量76.7%（质量比），空气的密度是1.29kg/m3。也就是说空气中氮元素的密度大约是1kg/m3。

如果我们能找到一块鸡胸，里面氮含量比空气多多了。

更何况，空气中的氮元素和鸡胸脯里面的可不同。前者是垃圾，后者是金子。

假设，一个动物（比如说，人）可以自己合成氨基酸。我们可以估算一下实现这个功能这个人需要花费什么代价。然后看看这会带来何种好处。

为简化起见，我们用最简单的甘氨酸来估算。

WHO推荐一个人每天蛋白质摄入量大约为0.75g/kg体重。我们按照一个70kg重的成年人，每天摄入量大约为50g左右，大约折合为0.7mol甘氨酸。

我们可以假设氮元素全部来自空气。也就是说理论上每天我们需要吸入并吸收的氮气为0.35mol。

为了类比这个数据，我们可以估算一下人每天的需氧量。成年人的基础代谢约为1400Kcal。按照这些能量全部来自葡萄糖的氧化，那么这些热量需要氧化掉2.1mol葡萄糖，也就是需要12mol氧气。也就是说，在理论极限上，人类的呼吸系统和循环系统需要每天吸收并且分配掉12mol氧气。相比之下，这些氮气的量就不在话下了。

也就是说，从呼吸系统和消化系统的负担来说，似乎额外吸收并且分配的氮气不会增加太多负担。但是，请不要忘了，我们的血液中需要多出一种额外的血细胞，来运输氮气。从零到有，可不是简单的事情，增加的不止是一种血细胞，而是一整套系统。并且现在血液只需要运输氧气的，我们额外给它增加一个运输氮气的功能，那么氧气和氮气的运输需求就要打架了。肯定还需要额外的机制来协调两种输送能力的分配比例。比如说，假如有一种“血黑蛋白”来输送氮气。那么血液里的“红细胞”和“黑细胞”比例就有讲究了。“黑细胞”的增加无疑会弱化血液输送氧气的能力，那我们就被迫扩充血液循环量，因而也就扩充血管的流通能力、心脏的输送能力。这些都是对我们的额外负担。

现在我们再来看看能量的需求。上述反应的Gibbs自由能变化为大约为1000KJ/mol（估算从略）。也就是说，理论极限上，我们每天需要额外提供700KJ的能量来合成这些氨基酸。但是事实上，人体的热力学效率低得很。我们假设实际的利用效率在10~50%左右（例如肌肉）。也就是说，实际上所需的能量要远高于此。大致数量级可能在1500~7000KJ左右，也就是大概使得人体基础代谢再增加20%至一倍。

当然，这当中所需要的额外的氮气输运和分配系统、神经控制系统、可能额外的激素和酶、生物化学循环的维持等等，就不好说了。

说实在的，这些能量不算高。不见得比光合作用合成葡萄糖费劲多少。但是，它仍然需要啊。

那么这些能量来自何处呢？吃呗！

但是，请等一下。你刚才说什么？

吃呗！

卧槽。你也知道我们可以吃啊。我们作为动物，可以四处移动，我们有消化系统，我们有嘴，我们有脑子让我们觅食，不是那些没脑子的植物和细菌啊。并且我们周围有那么多富含蛋白质的物质。既然我们本来就可以吃它们，还要费那么大劲儿自己去合成干嘛？想一想，为了合成，我们虽然不需要吃蛋白质了，但是需要多吃好多淀粉，并且循环系统中多一套N2的输运系统，体内要多一套直接合成的生物化学系统 - 但是反正我们本来就需要吃，要这些有用吗？

就算是有了自主固氮能力，我们该吃还得吃，并且吃的也不会减少。除非让我们再增加光合作用。

也就是说，“吃”和“合成”两种机制的功能是重叠的。因此效率就更低。既然“吃”是一个本来也省不掉的过程，那么要省，就只能省掉“合成”了。就像是动物不需要自己进行光合作用一个道理。

鸟类为何没有进化出迅捷的长途奔跑能力（不会飞的除外）？因为“跑得快”对会飞的鸟来说没有用处，但是却需要额外的腿部肌肉，额外的平衡系统，有害无益啊。

这个问题就好像在问：

“为什么叫外卖的人这么多，但是马云不会直接去送外卖，利用送外卖来挣钱呢？”

你说为什么？因为马云可以直接吃那些送外卖的人啊。

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更新：

针对评论区的一些评论。这些评论的基本观点是，为何动物不能进化出备用的固氮甚至生产系统？动物没有固氮能力纯属运气，它们碰巧没有向这个方向进化而已，纯属偶然，不是因为这个进化不合理。

有些进化的确纯属偶然。但是，这和我的回答完全不矛盾。有些没存在的功能是因为偶然因素，但是也有些是因为不合理。你的确可以是偶然地没有向东走，但是你不可能“偶然地”没有同时向东和向西走。前者是偶然，后者是必然。

动物的高能耗需求和生产系统的低能量密度食物是一个向东一个向西的两个方向。

这是两套需求很大程度上互斥的系统。比如说生产系统需要巨大的受光面积，进而需要巨大的支撑力和抓地力。这和灵活移动的捕食要求是相悖的。

动物的神经系统、运动系统都是极高能耗的东西（相比于植物），所以它们需要高能量密度的食物。而植物的生产系统，比如光合作用是以光为食的。但是光的营养价值太低（它的能量密度极低），无法满足动物的需求。

太阳辐射的能量本来就有限，里面还只有特定波长的可以被吸收。算下来典型植物的吸收效率仅有1~2%。C4植物可以到4%左右。

我们可以估算，全球平均下来太阳辐射强度大概只有340W/m2。这个数字是什么意思呢？如果我们有1平米的受辐射面积，每天受光照时长8小时。那么每天光合作用能提供的能量大约是45大卡。而我们的基础代谢是1400大卡。

我们可以增加我们的受光面积来满足能量需求，那么我们需要30多平米。大概是一个直径6米的大锅。我们需要把这个大锅顶到天上以躲避遮挡。那我们就需要很强壮的腰杆。我们还需要很结实的抓地以防止被风吹倒。于是我们干脆放弃掉四处走动的能力（反正我们也不需要觅食了），把自己的脚深深地扎进地下。并且我们需要我们的基础代谢可以大幅度浮动，以防止连阴天饿死。于是我们也放弃掉思考和神经系统，放弃心脏，用蒸腾作用完成体内循环。于是乎……

我们不再是动物，而是变成了一棵树。

总而言之，生产系统所摄取的光辐射能量密度极低，和高耗能的运动系统、神经系统、循环系统是相悖的。

再比如说固氮。以根瘤菌为例，固氮也是需要消耗巨大能量的。大约一克氮气需要18.8g葡萄糖的消耗^[1]。按照蛋白质平均含氮量16%，大约一克蛋白质的生产需要消耗3克葡萄糖。简单估算就知道，如果我们能够自己固氮，需要消耗的淀粉就会增加一倍以上。

评论区知友说，我吃两份土豆就能相当于牛排，值了！

可是，这并不值。因为要固氮我们需要固氮的功能。还是以根瘤菌为例。大豆根瘤菌每亩每年固氮大约8公斤，合50公斤的蛋白质。一个人每年需要大约20公斤蛋白质。也就是说要满足人类的固氮需求，我们需要在身上背上近半亩地大豆的根瘤。

你能想象我们身上背着半亩地的大豆根瘤吗？画面太美了吧。人的体重要增加多少？人类的运动系统怕不是要瘫痪了。人类为了维持这些根瘤的运转，基础代谢要增加多少？可不是淀粉消耗加倍那么简单了。

我从来就不否认有可能偶然地发生一个突变，也可能有些功能是因为偶然的原因没有进化出来。但是，使动物获得生产系统的能力，即使是进化出来了，也会由于这种能力完全不能满足动物的需求而同时极大地增加负担，从而被彻底淘汰。

参考

1. ^ Gutschick, Vincent P. “Energy and Nitrogen Fixation.” BioScience, vol. 28, no. 9, 1978, pp. 571–575.