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地球大气层主要由氮气和氧气组成，氮气占78％，而氧气占21％。氮与氧有一个重要的区别：氧气分子是一个恨不得能氧化一切的“狼分子”，而氮气分子却是非常稳定、不爱发生化学反应的“懒惰分子”。  这么多无色无臭的氮气起到了两个作用。它的第一个作用是稀释了空气中的氧气，否则地球表面会成为一个极易着火的环境。事实上，“氮”这种元素的中文名起初写作“淡”，意思就是它冲淡了空气中的氧气。与此类似，“氧”和“氢”这两种元素的中文名起初分别写作“养”和“轻”，意思是氧是人体的养料，人不呼吸氧气就活不下去，而氢气是所有气体中最轻的一种。后来，化学家摘取了“淡”“养”“轻”中的声旁，加上“气”字头，造出了氮、氧、氢这几种元素名称的专用汉字。氮气的第二个作用是提高大气浓度。大气浓度越高，它吸收和散射的紫外线就越多，陆地上的生物也就越不容易受到紫外线的危害。 我们都知道，氮元素是蛋白质的组成物质，因此对植物、动物、微生物都极其重要。空气中虽然有大量的氮气，生物却不能直接吸收利用，植物生长需要施用大量的氮肥（氨或亚硝酸根、硝酸根）才能生长良好；动物和我们人类也需要吃富含蛋白质的食物才能长得健康。你也许要问：在自然界，氮元素到底是怎样循环的呢？  原来，在土壤中存在着大量的微生物，这些微生物以动植物尸体为食，会不断分解其中的含氮化合物，一部分为己所用，另一部分变成一些臭气熏天的简单含氮有机物，最终以氨的形态回归自然。亚硝酸细菌会用氧和氨反应，生成亚硝酸根；硝酸细菌会用氧气和亚硝酸根反应，生成硝酸根。这种氮的氧化产物，植物可以吸收生长。与它们相反，反硝化细菌却利用硝酸根和有机物反应，还原成二氧化碳和氮气，跑到大气中。反硝化过程对农业生产极为不利，会降低土壤肥力，所以农业生产常采用中耕松土增加氧气的方法阻止反硝化作用（反硝化细菌是一种怕氧的厌氧菌）。 你也许会说，由于反硝化细菌的存在，能够被生物利用的氮会越来越少，生物不会灭绝吗？你大可不必担心。大约在20亿年前，地球上陆续出现了多种能固定空气中氮素的细菌和古菌。这些微生物也大多需要在厌氧的条件下，才能开展固氮工作。植物生长需要大量氮元素，但它们始终没有学会从空气中固氮，长期遭受营养不良之苦，对于固氮菌的固氮能力很是羡慕。正好，植物可以在根细胞中营造一个缺氧的环境。如果固氮菌能在植物根细胞中生存，由根细胞为它提供其他养分，而作为回报，固氮菌固定的氮则拿出来和植物分享，那不是各取所需、皆大欢喜吗？ 好事就这样成了。现在，已经没必要讨论究竟是固氮菌为了生存先入侵了植物的根细胞，还是植物为了获取氮先邀请了固氮菌。这就像一对恩爱夫妻，结婚多年后回忆往事，又何必为当年“谁先追谁”的问题陷入争执？总之，事情的结果是一类特殊的固氮菌在植物的根中住了下来。受到它们的刺激，植物的根长出瘤子一般、膨大的结构，这就是根瘤，而这类固氮菌因此得名“根瘤菌”。双方就这样情意绵绵地互惠互利，在经常因为竞争氮元素搞得刀光剑影的生命世界中谱写了一曲团结协作的赞歌。 当然，不是所有植物都能和根瘤菌共生。有这种本事的植物只限于少数几个家族，其中最著名的就是豆科家族。自从有了根瘤这种“技能”后，豆科家族获得了突飞猛进的发展。 不仅如此，豆科植物还能为那些长不出根瘤的植物做出慷慨的贡献。它们能在缺少氮的贫瘠土地上生长，死后向土壤中释放氮元素，原本荒凉的土地便越来越肥沃，让更多植物得以在这里茁壮成长。比如种过两三年粮食之后，再种上一年的苜蓿之类的豆科牧草，那么这些牧草不仅能为牲畜提供富含蛋白质的优良饲料，而且可以在被翻入土中后化为肥料，让这块农田的地力得以恢复。这就是这些豆科牧草被称为“绿肥”的原因。  在自然条件下，植物吸收的氮，通常有10％是由闪电固定的，闪电击穿空气时会产生极高的温度，迫使氮气和氧气化合为氮氧化物，溶解在水里就成为硝酸根和亚硝酸根；绝大多数（90%）的氮都是由固氮菌所固定。固氮菌或者独立生存，或者与豆科之类的植物共生，为整个生物圈里的生物供应必需的氮元素。 当然，随着科技的发展，人类学会了工业合成氮肥，补充生物需氮的不足。目前人工合成氮肥的氮量，约占生物固氮总量的20％，但这需要消耗大量的能源，且产生大量的污染物，破坏我们的生存环境，所以生物固氮仍然是人类最大的梦想。 |
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