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问题

我查了一下为什么牛吃了草能长肉，是因为肚子里的细菌可以降解草变成氨基酸，有类似的实用价值吗？

回答
你这个问题问得太有意思了！没错，牛能长肉，这背后确实有个神奇的消化系统，里面住着一群功劳巨大的细菌。它们就像是牛肚子里的“微型化工厂”，把牛吃进去的那些粗糙的草，经过一系列复杂的生物化学反应，转化成了牛身体可以吸收利用的营养物质，最终变成了牛肉。

牛胃里的“细菌化工厂”是如何工作的？

简单来说，牛是反刍动物，它们有四个胃，而我们常说的那种能降解草的“细菌化工厂”主要集中在它们的第一个胃——瘤胃里。

1. 草的成分： 牛吃的草主要是植物的细胞壁，里面富含纤维素、半纤维素等碳水化合物。这些东西对我们人类来说，要么难以消化，要么根本消化不了，只能作为膳食纤维。

2. 瘤胃里的微生物大家庭： 瘤胃里住着数以万亿计的微生物，包括细菌、真菌和原生动物。这些微生物不是零散的，它们会形成一个复杂的、互相协作的生态系统。

3. 纤维素的降解： 最关键的一步是纤维素的降解。瘤胃里的细菌，特别是那些纤维素降解菌，能够分泌出一种叫做纤维素酶的酶。纤维素酶就像一把一把的“剪刀”，能把长链的纤维素切断，变成更小的糖分子（比如葡萄糖）。

4. 糖的代谢产物： 细菌接着会利用这些糖进行发酵。发酵的过程会产生几种重要的物质：
挥发性脂肪酸 (VFAs)： 这是最重要的产物，主要包括乙酸、丙酸和丁酸。这三种脂肪酸是牛主要的能量来源，可以直接被牛的胃壁吸收，进入血液循环，为身体各项功能提供能量。可以理解成，细菌把草里的“糖”转化成了牛能直接喝的“能量饮料”。
气体： 发酵过程中还会产生二氧化碳和甲烷等气体，这些气体需要通过打嗝排出体外，这也是为什么牛会“放屁”的原因之一。
细菌本身： 在这个过程中，细菌自己也在繁殖和生长。

5. 微生物蛋白： 最妙的是，细菌在利用草里的糖发酵时，也会把它们从食物中获取的氮元素（可能来自草中的蛋白质或者瘤胃中的尿素）合成自身所需的氨基酸和蛋白质。当这些细菌随着食物一起进入牛的后几个胃（网胃、皱胃、小肠）时，就会被牛的消化酶消化，成为牛自身蛋白质的重要来源。这就像是细菌吃草，然后“制造”出了牛肉的“原料”！

所以，牛吃草长肉，本质上是：

瘤胃微生物将难以消化的草（纤维素）分解成可吸收的能量（挥发性脂肪酸）。
微生物利用分解后的产物以及其他营养物质，合成自身，成为优质的蛋白质来源，最终被牛吸收利用。

这是一种高度协同的共生关系：牛提供了舒适的“家”（瘤胃）和食物（草），而微生物则帮助牛消化食物并提供养分。

这有没有类似的实用价值呢？当然有！这种“微生物化工厂”的原理，在很多领域都有着巨大的实用价值，而且我们一直在努力模仿和利用它：

1. 生物质能源和生物燃料：

原理应用： 牛胃里消化纤维素的过程，就是一种将不易利用的生物质转化为有用能量的过程。科学家们正在研究如何在家用生物反应器中复制这个过程。
具体实践：
沼气发酵： 这是最常见的应用之一。将农作物秸秆、畜禽粪便等富含纤维素的有机废弃物，在厌氧条件下（类似于牛胃里的环境，但主要是厌氧菌）进行发酵。这个过程会产生大量的沼气，主要成分是甲烷，可以直接用于发电、供暖，或者提纯为生物天然气。这就像是我们在“人工牛胃”里培养微生物来消化秸秆，然后产出“能量”。
生物乙醇： 纤维素在被分解成糖后，可以进一步被酵母菌等微生物发酵生成乙醇，也就是生物乙醇。这是一种清洁的燃料，可以替代汽油。虽然目前主要依赖玉米等淀粉作物生产乙醇，但利用纤维素生产生物乙醇（纤维素乙醇）是更有潜力的方向，因为它能充分利用那些对人类不直接可食用的农业废弃物。

2. 动物饲料工业：

原理应用： 我们也尝试在其他动物的饲料中添加益生菌或酶制剂，来模拟牛胃里的消化过程，提高饲料的利用率。
具体实践：
添加纤维素酶： 在猪、鸡等单胃动物的饲料中添加纤维素酶，可以帮助它们消化饲料中的纤维素，释放出更多能量和营养，减少粪便排放。
益生菌添加： 在很多动物饲料中添加特定的益生菌，可以改善动物肠道微生态平衡，提高消化吸收能力，增强免疫力。这就像是给它们“请”来了更高效的“微生物助手”。
反刍动物瘤胃调控： 对于牛、羊等反刍动物，人们会通过添加特定的添加剂（如酵母培养物、离子载体等）来调控瘤胃微生物的组成和功能，优化发酵产物，提高饲料转化率，减少甲烷排放。

3. 生物修复和环境治理：

原理应用： 牛胃里的微生物能够降解复杂的有机物，这种能力可以用于处理环境中的污染物。
具体实践：
废水处理： 在污水处理厂，利用各种微生物（包括类似牛胃中的细菌）来降解有机污染物，净化水质。厌氧消化是其中的重要环节。
土壤修复： 利用微生物降解土壤中的石油污染物、农药残留等。虽然与牛胃直接相关性不大，但微生物降解有机物的原理是共通的。

4. 工业酶的开发与应用：

原理应用： 牛胃中的纤维素酶只是众多微生物酶中的一种。对这些酶的研究，极大地推动了工业酶的发展。
具体实践：
洗涤剂工业： 很多洗衣粉和洗涤剂中都添加了蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等微生物酶，它们能有效去除衣物上的污渍。
食品加工： 酶在烘焙、酿造、乳制品加工等领域有广泛应用，比如淀粉酶用于糖化、果胶酶用于果汁澄清等。
造纸工业： 利用酶来处理纸浆，改善纸张质量，减少化学品使用。

总结来说，牛吃草长肉这件事，揭示了微生物强大的“化腐朽为神奇”的能力。 这种能力不仅是自然界高效利用资源的一个典范，更是我们人类可以学习和模仿的宝贵经验。从能源到食物，从环境到工业，微生物的力量无处不在，而理解和利用牛胃里的这个“细菌化工厂”，正是我们解锁这些潜能的关键之一。这不仅仅是“吃草长肉”那么简单，而是微生物如何巧妙地将低价值的有机物，转化为高价值的能量和物质的宏伟故事。

网友意见

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早就有了，但意义有限。

目前的工厂化农业一般使用生物反应器培养丝状蓝菌、色藻、单细胞真菌之类，产物经过深加工做成单细胞蛋白或保健品。人类的消化系统和代谢不适合直接食用上述生物。用这些东西生产的蛋白质制造“人造肉”给人吃的实践已经在缓慢地开展，但更普遍的用法是作为饲料添加剂来饲养家畜。毕竟，“蛋白质棒”不是现今广大群众喜爱的食物。

现存的单细胞蛋白产业使用的生产原料，你可以看一看：

“纤维质废草、废料、垫草等废物、蔗渣”，能直接拿去喂畜禽的高品质草不舍得用的了。

这在大规模上只是将种草→养牛羊变成了种草→养微生物，能量效率并不高——尤其是“种甘蔗和甜菜然后用已经成熟的工业流程去制糖”比“整一堆纤维素再让真菌去分解出葡萄糖”来得容易，蔗渣和亚硫酸法制糖的废液都在上面的原料表格里。目前这技术主要用在工农业排放的含营养物质的废弃物上。微生物用糖蜜、纸浆废液、木材糖化液、烃类等廉价原料都能大量制造蛋白质。微生物的蛋白质产量是动植物无法比拟的，1份真菌1天内就可以变成5份，蛋白质含量40%~80%，其氨基酸组成无需转基因就和动物蛋白相当。

要用微生物生产动植物蛋白的话，人们已经完成了让转基因大肠杆菌·转基因酵母菌发酵合成大豆蛋白·鸡肉蛋白的实验，但这是许多人谈之色变的转基因食品。

如果机器加工程度很深，单细胞蛋白饲料可以做成人类食物。但这些东西没必要直接给人吃，以3~10%的比例添加到饲料里喂给畜禽就可以改善生产，规模化养殖可以高效地管理，单位重量的碳排放也低于个人养殖。


如果要让机械化培养系统代替基于植物的农业，你得培养生产者，例如节螺藻（螺旋藻[1]）代表的丝状蓝菌和小球藻代表的绿藻。

  • 节螺藻每平方米每天产出10~11克，含水85-90%，脱水后51~71%是蛋白质，整个养殖场可以完全机械化，必要时可灯光+裂变热/衰变热脱离太阳养殖。20世纪末NASA和欧空局都曾提出可以在太空载具和太空建筑上养殖节螺藻给宇航员食用，但至今尚无必要。
  • 小球藻是人类知道的地球生物圈里增殖最快的光合生物，1份小球藻1天内就可以变成4份。小球藻是人类最早开发的藻类蛋白，20世纪60年代初日本就开始工厂化生产。中国的小球藻有椭圆小球藻、小球藻、蛋白核小球藻3种，都可以进行人工培养。与节螺藻类似地，小球藻不仅蛋白质含量高（脱水后约50%是蛋白质），而且氨基酸组成合理，还含有许多生物活性物质。不过吹嘘它们的保健作用甚至医疗作用还是不靠谱。

在这方面，中国已经进行了多年的研究，小球藻工厂化生产技术日臻完善，利用气候适宜地区的砾石岗地、盐碱沙丘、海边滩涂等开池培养，不与农田争地，可以充分利用自然资源。

  • 对健康较为注意的话，这些养殖场内需尽可能消灭微囊藻之类对人有毒有害的浮游生物，加工需排除大部分核酸（以免吃了就痛风发作）和可能混入的其他蓝菌产生的BMAA与微囊藻素，对苯丙酮尿症人群还需要排除苯丙氨酸。将它烹饪得好吃是有难度的。
  • 不那么在意的话，非洲乍得湖畔的人们已长期食用自然生长的节螺藻晒成的饼。那是真的没什么知识与技术的需求，原始时代就可以做到。

此外，种草→养昆虫的效率高于养牛羊[2]，但也还是农业那回事[3]。

参考

  1. ^ 其实人吃的两种“螺旋藻”已经被重新分类为节螺藻，但习惯上仍然叫螺旋藻
  2. ^ 通常情况下，2千克植物饲料可以养出1千克昆虫肉或250克牛羊肉
  3. ^ 苍蝇宝宝脱水后含蛋白质42%，含钙也不错。简单的小型自动化机器就能让1克黑水虻卵在432小时内产出2.4千克蛋白质。 昆虫的形态往往让人反感（2016年普曼大学研究发现，25%的调查对象十分惧怕昆虫，这比十分惧怕暴力犯罪、致病细菌和死亡的比例还高），将昆虫大量用做食物需要较深的加工，例如让机器将昆虫打碎、搅成酱、压成饼、加点食用色素和香辛料、炸一炸，色香味俱全。 但是，经腌制、发酵、烟熏、烧烤、煎炸和其他强化风味或保存期限的方法处理过的加工肉类是第1级致癌物，每天食用50克此类肉会让患癌症的可能性上升18%。高蛋白的食物容易过敏。读者大抵也听说过有人对鱼、海鲜、黄豆、花生、鸡蛋、牛奶等等过敏。昆虫肉又高蛋白又和人类的蛋白差异较大，更容易过敏，并不是任何人都适合吃它。 现在已经有人在研究更高效率地养昆虫了。例如美国俄亥俄州一家蟋蟀养殖场占地约140平方米，产量每月1.1吨。

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