为什么食草动物要靠细菌来消化纤维素，而不是直接进化成自己分泌纤维素酶？
首先，我们得明白一个最核心的问题：纤维素是个硬骨头，消化它是个技术活。
纤维素是植物细胞壁的主要成分，它是由葡萄糖单元通过β1,4糖苷键连接形成的长链多糖。这种键合方式非常稳定，就像一道道坚固的锁扣，使得纤维素结构紧密、不易分解。绝大多数动物，包括我们人类，都没有能力直接生产出一种叫做“纤维素酶”（cellulase）的酶来切断这些β1,4糖苷键。没有纤维素酶，纤维素对我们来说就跟嚼木头一样，基本没法吸收其中的营养。
那么，为什么食草动物不直接长出自己的纤维素酶生产线呢？
这涉及到几个关键因素：
1. 酶的生产成本与复杂性太高了。
“大厂房”的投入巨大： 想象一下，如果一个动物的身体要自己生产纤维素酶，那它就得建立一套相当复杂的生物化学工厂。这包括编码这些酶的基因，这些基因的表达、加工（比如折叠成正确的空间结构）、运输到消化道，以及持续、稳定地生产。这是一个耗能大、耗时长的过程。
纤维素酶不是单一的酶： 要高效地分解纤维素，通常需要一个酶的“组合拳”，比如内切葡聚糖酶（endoglucanase）、外切葡聚糖酶（exoglucanase）和β葡萄糖苷酶（βglucosidase）。这些酶各司其职，协同作用才能将长链纤维素分解成可吸收的小分子糖。这意味着动物需要同时掌握生产多种复杂酶系的本事。这就像要自己建一个大型化工厂，不仅要能生产基础原料，还要能生产出多种精密的催化剂，而且这些催化剂还需要精确地协调工作。
肠道环境的适配： 即使能生产酶，也需要在合适的pH、温度和化学环境下才能发挥作用。动物消化道内部环境是不断变化的，要让自带的酶在所有部位都保持活性，并能有效接触到食物纤维，这本身就是个挑战。
2. 细菌（微生物）是天然的“纤维素消化专家”。
它们是演化了数十亿年的酶工厂： 微生物，尤其是细菌和古菌，在地球上存在了数十亿年，它们早就演化出了极其多样化和高效的酶系来分解各种复杂的有机物，包括纤维素。纤维素对它们来说是主要的能量来源之一，所以它们在这方面的“研发”能力远超高等动物。
成本转嫁与“外包”： 食草动物没有必要从零开始构建一套昂贵的内部酶生产系统，它们可以把这个“技术活”外包给这些已经成熟的微生物。这是一种经典的“合作共赢”模式，或者说是“生物技术外包”。动物提供一个稳定、温暖、富含营养的消化道环境（比如瘤胃、盲肠），以及持续的食物供应，而微生物则利用这些资源来生产纤维素酶，为动物分解食物并提供能量。这比自己生产要经济得多。
多样化的微生物群落： 不同的食草动物可能拥有不同种类的共生微生物，这些微生物群落经过亿万年的协同进化，能够高效地处理特定的植物种类。这种多样性也使得食草动物在面对不同食物来源时，拥有更高的适应性。
3. 消化过程的效率和产物。
发酵产物比单糖更有利： 微生物分解纤维素时，并不仅仅产生葡萄糖。它们通过发酵过程，将葡萄糖转化为挥发性脂肪酸（VFAs），如乙酸、丙酸和丁酸。这些短链脂肪酸是食草动物主要的能量来源。它们可以被动物的消化道壁直接吸收，提供比直接吸收葡萄糖更持久和稳定的能量。
利用发酵副产物： 有些微生物还能利用发酵产生的乳酸等副产物，或者合成动物自身无法合成的维生素（如B族维生素）和必需氨基酸。这进一步增加了共生关系的价值。
酶的回收与再利用： 许多食草动物，特别是反刍动物，会将胃内容物反刍回口中进行二次咀嚼（反刍），这不仅有助于机械分解，也让食物纤维有更多时间与微生物接触，提高了纤维素的消化效率。微生物在动物体内繁殖，它们的细胞本身也是一种营养来源，可以被动物在消化道的后续部分（如下小肠）消化吸收，相当于回收了酶的“生产商”本身。
4. 演化路径的“最经济”选择。
基因的突变与选择： 基因突变是随机的。一个动物要演化出能生产多种纤维素酶的复杂基因组，并成功整合到其消化系统，这需要一系列高度巧合和有利的突变，而且这些突变必须在自然选择中被保留下来。这个过程的概率非常低，而且在任何一个阶段出错都可能导致消化障碍甚至死亡。
利用现有资源： 与之相比，利用现有的、已经演化成熟的微生物资源，只需要通过基因突变让消化道内环境更适合这些微生物生存（比如瘤胃的特殊结构和pH值），或者产生一些简单的信号分子来吸引或维持这些微生物群落，这在演化上是“更容易”和“更省力”的路径。动物只需在体内创造一个“宜居之地”，将“消化服务”外包出去，就能获得高效的能量来源。
打个比方：
假设你要装修房子。
自己生产纤维素酶的思路： 就像你自己要从挖煤、炼钢、生产水泥、制造砖瓦开始，然后请一堆工程师设计图纸，建造生产线，雇佣工人，生产出所有装修材料和工具，最后自己动手装修。这投入巨大，技术难度极高，而且过程中任何一个环节出错都可能导致整个工程失败。
与细菌合作的思路： 就像你雇佣了一家专业的装修公司。你提供房子的结构、空间、水电管道（消化道环境），公司带着他们的专业工具（微生物群落）和工人（酶系统）来帮你完成装修（消化纤维素）。你只需要定期付钱（提供食物和适宜环境），就能享受到高质量的装修服务。而且，这家装修公司可能还会顺便帮你把一些垃圾（发酵副产物）处理掉，甚至帮你制造一些小家具（维生素）。
总结一下，食草动物之所以依靠细菌消化纤维素，而不是直接进化出自己的纤维素酶，是因为：
自身生产酶的成本太高、太复杂，技术门槛极高。
微生物拥有亿万年演化出的成熟、高效的纤维素消化系统，成本低廉且效率高。
微生物发酵产生的短链脂肪酸是食草动物理想的能量来源，并且还能提供其他营养。
从演化经济学的角度看，借力打力、合作共赢是更优、更易实现的策略。
这种共生关系是自然选择下演化出来的精妙合作，是生命智慧的体现。与其说是食草动物“懒惰”不自己生产酶，不如说是它们找到了一个更聪明、更有效率的解决能量获取问题的途径。
网友意见
其实是可以的，蛀木水虱是食草动物，该物种的消化道在正常情况下是无菌的，自己分泌纤维素酶。
人们已经知道，蛀木水虱Limnoria quadripunctata可以分泌真菌常见的GH7糖苷酶的改进版本[1]，分解纤维素的效果比真菌GH7更强且环境稳定性好，可以在盐度比海水高七倍的恶劣环境里继续运作。而且，蛀木水虱的血青蛋白可以参与分解纤维素。
英国科学家研究发现，蛀木水虱先把木头嚼成很小的碎片，再利用血青蛋白的氧化能力破坏纤维素的化学键，最后用GH7糖苷酶分解纤维素释放出葡萄糖。这样处理木材释放的糖是木质分解真菌从木材里释放的两倍以上，与目前在工业预处理中使用热化学方法释放的糖量相当，而热化学法是个耗能大户。
约克大学生物学系西蒙·麦奎因-梅森教授说：“蛀木水虱是已知唯一具有无菌消化系统的动物，所以研究它如何消化木材，比研究其他生物容易些。就说白蚁吧，它们依靠成千上万的肠道微生物来消化木材，研究的难度就大了。”
总之，蛀木水虱GH7已经被人类分析，且合成它的基因可以转入工业微生物体内。进一步研究也在蛀木水虱体内找到了GH5、GH9等微生物经常使用的纤维素酶，都是它自己分泌的。
对此有兴趣的话，可以看这类论文：
使用X射线衍射、红外光谱、核磁共振等方法对蛀木水虱消化过程的研究：
蛀木水虱纤维素酶耐盐的机制：
如果有兴趣，可以查看蛀木水虱GH7A mRNA完整编码序列[2]、GH5E mRNA完整编码序列[3]、GH9A mRNA完整编码序列[4]。GH7B、GH7C、GH5A、GH5B、GH5C、GH9B、GH9F等要是还想看也可以自己在上面的网站里搜索。
体型比蛀木水虱更大的食草动物，包括白蚁在内，消化道里的微生物情况太复杂。人仔细研究过的食草动物消化道其实并不多。“靠细菌来消化纤维素”的概括是不准确的，许多食草动物依靠的共生微生物不止是细菌，还有单细胞真菌、古菌、纤毛虫。很难说现存的食草动物或其远古祖先“绝不会自己分泌纤维素酶”，只是可能其分泌的量比不上消化道菌群分泌的。在漫长的演化过程中，食草动物的祖先可能由于突变而意外丢失或损坏自行分泌纤维素所需的部分基因或启动子；如果具有这种性状的个体在消化道菌群支持下跟其它个体的生存能力差不多，这种性状就有较大概率在种群中保留下来。
发生变异的序列有可能获得新的功能，也可能没有功能。自己不分泌纤维素酶，未必能节约多少能量或材料。不过，即使没有任何特别的好处，“无害的中性性状”也可以偶然地在种群中扩散开来，最终让一些食草动物成为大象·河马那样依赖消化道菌群才能正常消化食物、幼体要去吃母亲的粪便来摄入微生物的状态——这样消化食物的效率其实往往是很低的，以至于大象等动物的粪便还可以供其它多种动物维生。
参考
- ^ 这是人类首次发现动物基因组编码GH7。白蚁的共生微生物也是用这类酶的。
- ^ https://www.researchgate.net/publication/310120509_Limnoria_quadripunctata_GH7_family_protein_GH7A_mRNA_complete_cds
- ^ https://www.researchgate.net/publication/310120730_Limnoria_quadripunctata_GH5_family_protein_GH5E_mRNA_complete_cds
- ^ https://www.researchgate.net/publication/310120513_Limnoria_quadripunctata_GH9_family_protein_GH9A_mRNA_complete_cds
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