[提要] 只有少数的细菌和简单的藻类才具有“固定”大气氮成为氨所必需的细胞装置。它们是这一有限农业资源的主要供应者。
本文译自Scientific Americanvol. 234，No. 3，1977。作者Winston J. Brill。
安托万·劳伦特· 拉瓦锡给氮取名“azote”，意思是“没有生命”，因为氮不同于空气的另一个主要成分（氧），它不能维持活生物的新陈代谢。这名字今天竟成了一种讽刺。现在我们知道：氮是蛋白质的一个重要组成部分，一切生命形式需要大量的氮。确实，对于植物和动物来说，它们的生长都离不开氮。农业方面氮肥供应不足是造成人类饥饿的一个重要原因。
氮是一个丰富的元素，几乎占地球大气的80%，但同时却又是一种难得的营养资源。这一似乎自相矛盾的说法是容易解释的：因为空气中氮的形态是相当不活泼的，以致对于绝大多数生物来说，它是无法利用的。只有当氮被“固定”下来（即与某些其它元素——诸如氢或氧——化合起来）以后，它才能进入生物体系。今天，工业上通过用氢和大气氮合成氨，能够达到固氮的目的。现在制造氨及由氨衍生的其它化肥是一个重点的工业部门，然而，大部分被固定的氮仍是由生物得来的。
事实上，固氮作用是一些菌类（其中包括若干蓝绿藻——与这些细菌一起称作蓝青细菌Cyanobacteria的一类生物）保留下来的一种天赋能力。较高等的生物都没有这种固氮能力，虽然若干较高等生物通过与固氮菌形成共生联合间接地分享了这种能力。共生联合关系中最著名的是豆科植物和根瘤菌属的各种细菌之间的共生。另一些固氮细菌与别的宿主植物共生，有许多则自由地生活在土壤或水中。有些固氮细菌是具有光合作用的；有些需要氧；另一些则只能生长在无氧的环境中。明显的是所有这些生物的固氮机理都是相同的；像在工业生产时一样，最初的生成物是氨。它们都有一种独特的酶：固氮酶。我们刚刚在着手阐明固氮酶的结构，研究它如何起作用以及怎样控制它，弄清楚具有固氮酶的生物有些什么特征。这一学问的潜在利益是可望在全世界范围有一个更高的生活水平。在过去几年中，肥料价格显著上涨，影响到较富裕国家中的食品价格，也限制了贫穷国家中的食品供应。如果细菌的固氮活动能搞清楚，还可能加以改进，最终我们也许能把这种固氮能力赐予包括谷类作物在内的其它生物。其结果将使我们能减少对于氮肥的依赖。
氮化学
大气中的氮是一种双原子气体，即氮气由氮分子组成，而每一个氮分子是由二个氮原子构成的，用N2表示。分子氮几乎是惰性的，因为连接氮原子的化学键是异乎寻常地坚固和稳定；它是一个三键，要打开它需要大量的能量。
在工业固氮时这一所需要的能量是由化石燃料提供的。20世纪初由弗里茨 · 哈伯和卡尔 · 博希提出的一种方法是：在高温高压，及有含铁催化剂存在的条件下，使大气氮与氢化合。生成物是氨，它本身就是一种有效的肥料，它也能转变成其它有用的含氮化合物，诸如尿素和硝酸盐。
当考虑到哈伯法所需要的氢的来源时，其能量的代价就变得相当可观：这些氢是从天然气或石油中提取出来的。因此，氮肥的价格是与化石燃料的价格密切相关的。
在土壤中，来自化肥或天然来源的固定氮被植物的根所吸收，并最终被用来合成生物分子。绝大部分的氮被结合在蛋白质的结构中，蛋白质是在活细胞中负责新陈代谢的一些多职能的易变分子。蛋白质由氨基酸所组成，一切氨基酸都至少含有一个氮原子。典型的蛋白质由几百个氨基酸单位所组成。一个最关键性的结构成分是肽键，它把一个氨基酸同下一个氨基酸连结起来；肽键把一个氨基酸的一只氮原子连接到另一个氨基酸分子的一只碳原子上。
已被固定的氮通过动植物的废弃物和死亡的组织回到土壤中，在那里大部分固定氮能够再循环。蛋白质分解成氨基酸，这些氨基酸通常再进一步分解成氨或硝酸盐；然后这些物质能够重新被活的根所吸收。但是有一种腐烂细菌（脱氮细菌）同植物的根相竞争，它分解已固定的氮并使它回到双原子气体形式。这样脱氮细菌通过把氮归还给大气，完成了氮的循环。由于这些细菌活动的结果，土壤中必须不断地补充固定氮。在农业上，固定氮的供应还有一个更大的去路：每当一批作物被收割上市时，土壤就失去了这些作物中所含的氮。
通过一些无机的过程，诸如在汽车发动机中形成硝酸盐，闪电放电及火山爆发等，每年有少量的固定氮被添加到生物圈内。略更多些的数量——全世界固定氮总产量的1/4左右——是用哈伯法制得的氨。其余的则是细菌的产物，据估计，它总计达到每年一亿五千万公吨。
豆科植物
远在固氮细菌或固氮方法被发现以前许多世纪，固氮细菌的活动就被利用来为人类造福。农夫们在种植像大豆，花生，紫花苜蓿，蚕豆，豌豆和三叶草那样的豆科植物方面有长期的经验。这些作物能使土壤重新变得肥沃，这种效果现在已弄清是由于在豆科植物根部形成小瘤的根瘤菌属细菌的固氮作用引起的。商业的根瘤菌接种剂被应用于豆科植物的栽培中以保证土壤里含有适宜的细菌。豆科作物通常与非豆科作物（诸如谷类）轮种。这样一个生长期的豆科作物产生的含氮物质帮忙给下一个生长期的谷类作物施了肥。为了获得最大的粮食产量仍必须应用化肥，但施用的数量可减少。
根瘤菌通过根毛进入豆科植物的根部，根毛是一种在根表面专门从事吸收作用的细胞。根毛的细胞壁摄取了根瘤菌形成一条感染线，它包含着许多正在增殖中的根瘤菌细胞。这些感染大多数是不成熟的，但是有一些渐渐发展回到根毛上的出发点，并通过重复摄取过程进入根的外皮细胞。最后感染线的尖端破裂，释放出根瘤菌进入外皮细胞，然后它发展成为一个球状的膨大部分：一个根瘤。根瘤由胀大的植物细胞组成，其中大部分挤满着根瘤菌。这些细菌产生的氨与来自植物光合作用的含碳化合物化合成氨基酸，然后这些氨基酸结合成植物蛋白质。
正如“感染线”这一术语所意味的那样，根瘤菌进入豆科植物的过程类似于一个发病过程，所不同的是在此过程中植物是予以配合的。要是植物能够助长根瘤菌引起的感染，而排除一切其它细菌（这些细菌中有一些也许是病原菌或寄生菌）的话，植物就能得到最大的好处。这一识别作用是靠一种化学标识物的方法来实现的，借此标识物植物和细菌能相互识别。
每一种豆科植物与一种特定的根瘤菌相联合。例如在大豆上形成根瘤的细菌不会感染紫花苜蓿。1974年明尼苏达大学的本杰明 · B · 博卢尔和埃德温 · L · 施米特发现了负责这一专性的识别机理的第一个成分。他们从大豆中鉴定出一种蛋白质，这种蛋白质能结合到大豆根瘤菌（感染大豆的菌种）的细胞上，但是不结合到任何其它的根瘤菌种上。接着佛罗里达大学的弗兰克·B · 达佐和戴维 · H · 哈贝尔发现了另一种蛋白质，它看来对于三叶草和三叶草根瘤菌（感染三叶草根的细菌）具有同样的关系。他们把这种蛋白质叫做三叶草蛋白（trifoliin）。
达佐在威斯康星大学固氮研究中心继续他的研究工作。他最近指出：在三叶草根毛的表面，最初的感染部位，发现了三叶草蛋白。此外他还指出：三叶草蛋白结合到正在感染的三叶草根瘤菌表面的一个多糖上，但是它不结合到其它根瘤菌种表面的多糖上。
由这些实验推导出来的一个似乎合理的假说是：三叶草蛋白充当着三叶草根瘤菌和三叶草之间的一个联系物。应用标记抗体分子进行进一步的研究，已经提供了关于三叶草蛋白结合到三叶草根和三叶草根瘤菌表面的部位的初步资料。值得注意的是，这二个结合部位在抗原上是相似的，即它们对同一抗体分子有一种亲合性。这一相似性的意义尚未弄清楚，但是某些类似的情况已经掌握了。例如，某些病原细菌的表面在结构上是与哺乳动物细胞的表面相似的。由于这一模仿性的结果，宿主的反应（它通常会消灭一个正在入侵的微生物）有时会受到欺骗。
非根瘤菌的固氮
豆科植物和根瘤菌之间的共生联合是最高度进化和最完善的生物固氮体系，但它并不是唯一的一种。例如在美国西北部很常见的一种阔叶树——赤杨，在类似于豆科植物的根瘤中用荚膜包着固氮细菌。另一种共生现象涉及到一种小的水生羊齿满江红和一种既能进行光合作用又能固氮的蓝青细菌。这种蓝青细菌充满在羊齿叶的空隙中，供给营养物质，使羊齿能够在缺乏固定氮的水域中繁殖。越南的农夫通过让这种羊齿满江红生长在灌水的稻田里，利用了这一藻类的固氮能力。也能够在池塘中种植羊齿，收割后作为一种含氮量高的农田覆盖物。
另一种明显的共生现象（虽然它也许是一个相当松散的共生现象）是由巴西农业研究所的约翰娜· 多贝赖纳发现的。她发现了一些固氮细菌，它们的生长与某些热带草类的根有关联。例如，发现洋地黄（Digitaria）草能助长一种螺菌（Spirillum lipoferum）的繁殖，而这种螺菌已知是能固氮的。这些细菌并不形成像根瘤那样的特殊结构，而只是简单地生长在根的表面。值得重视的是大多数重要的粮食作物，包括小麦和玉米等，从遗传学的观点来看都是从热带草类进化而来的。
还有一个更有趣的发现，多贝赖纳的一位同事注意到生长在缺乏氮肥的田地里的玉米植株中有一些要比其它的长得高。当这些异常的植株被挖出来时，多贝赖纳发现了与植物的根联合在一起的螺菌（Spirillum lipoferum）。这是一个具有很大潜在重要性的发现，因为它暗示着如果细菌和根的联合关系能够可靠地建立起来的话，种植玉米也许就不需要施肥。但是后来在若干其它实验室里进行的用接种Spirillum lipoferum来增加玉米产量的尝试有着变化无常的结果。这种联合关系的性质仍在研究中。
更不常见的共生现象中有哪些寄生在白蚁和船虫体内的固氮细菌。人们早就知道这些靠食木材生存的害虫体内寄生着一些微生物，这些微生物会分泌出一些能消化纤维素的酶。现在已经知道：这些害虫还从另一种微生物的寄生中接受食物援助。木材是生物氮的一个贫瘠的来源；寄生在白蚁和船虫肠内的固氮细菌利用大气氮来补充这一不足。
除了有束缚的共生生物外，还有一些能独立生活的固氮生物。例如，许多蓝青细菌固定大气中的氮，同时自由地生长在池塘的表层。在许多情况下，这些蓝绿藻成为一种讨厌的东西：因为从死亡的藻类细胞中释放出来的有机氮加速了水草的生长，并造成了一种称为富营养现象的过程。但是另一方面，同一藻类也许能被栽培和收割来作为肥料和动物的饲料。
也有一些自由生活的具有固氮能力的细菌。其中包括梭状芽孢杆菌（Clostridium）属的成员，它们是嫌气性细菌；不能生长在有氧的环境中。另一些，克氏杆菌（Klebsiella）属的成员，不是能生长在有氧的环境就是能生长在无氧的环境里，既能自由生活又能与动植物联合共生。最后还有自生固氮菌属（Azotobacter），一类好气性细菌，它的名字来源于拉瓦锡给氮取的名字（azote）。这些自由生活的细菌对地球上固定氮供应的贡献或许是有限的，但是它们对于研究固氮作用的贡献是相当大的。因为自由生活的细菌是研究固氮生物化学最理想的生物，可以避免共生现象的错综复杂性。
固氮酶
固氮作用不管它是用哈伯法实现的还是发生在活细胞中的，其总的化学反应都是相同的。第一步，氮分子的三键必须被打开；然后每个氮原子必须同三个氢原子结合。在哈伯法中，氢是以气体分子的形式供应的；而在大多数固氮细菌中，氢是从像葡萄糖（光合作用的主要碳水化合物产物）那样的有机分子中提取出来的。氢原子通过一系列的中间产物分子从葡萄糖传递给氮。实际上，真正被输送的只是电子、而已；细胞的液体介质是一个质子（即氢原子核）的海洋，它们容易与自由电子结合。二个物质之间电子的转移被称为氧化还原反应；失去电子的物质称为被氧化，得到电子的称为被还原。因此在固氮作用中，葡萄糖被氧化而氮被还原。当然这二种分子并不直接相互作用；联系二者的反应历程是复杂的，它的某些环节还没有完全被研究清楚。
固氮反应的令人困惑不解的特点之一是所消耗掉的能量的数量。这种能量（由葡萄糖或其它碳水化合物的分解得到）是以三磷酸腺苷（ATP）的形式提供的，ATP是一切细胞通用的能量“货币”。一个分子的N2转变成二个分子的氨需要12到24个分子的ATP。其中一部分能量一定被用来打开氮原子之间稳定的化学键，但是其所需要的数量远比人们通过简单的分析所设想的要多得多。对这种低效性的可能的解释是，并非所有的ATP都用于还原氮；其中一些能量可能被消耗于竞争反应。总之，看来固氮对于细胞来讲在能量方面也有一个相当高的代价，恰如在工业固氮时对于工业化学家那样。
固氮历程中关键的分子是酶 -固氮酶。一切固氮生物都含有固氮酶，而且不同固氮生物的固氮酶在结构方面似乎没有什么显著的变化。没有任何一种缺少固氮酶的生物能够固氮。
固氮酶由二个蛋白组成，以组分A和组分B表示。组分A分子量为220,000，由4个亚单位所组成，每个亚单位是一个单股的氨基酸；此外组分A含有24个铁原子和二个钼原子。组分方分子量为55,000，由二个蛋白质亚单位组成，包含4个铁原子。
关于这一个蛋白质和金属原子的系统是怎样组合起来成为酶，知道得相当少。整个分子的结构最终也许可以通过X射线衍射分析绘制出来。与此同时更缺少直接方法提供关于各金属原子的化学环境的一些资料。这大概不是一种巧合，哈伯法中最有效的催化剂也是像铁和钼那样的过渡金属。在固氮酶中，二个钼原子的作用是特别令人迷惑的，因为它们似乎是固氮酶活性区的一部分。钼原子并不结合到组分A的大的蛋白质上，而是结合到一个小的辅助因子上，在威斯康星大学我的实验室里工作的维诺德· 沙已经提纯了该辅助因子。一个意外的新发现是该辅助因子也包含某些与组分A结合在一起的铁原子。沙分离出来的分子能够使细菌的一种缺乏该辅助因子的突变品系恢复固氮活性。
查尔斯·F · 凯特林研究实验室的爱德华 · I · 斯蒂费尔指出：在酶中发现的一切金属中，钼是唯一的既能在较高氧化态又能在较低氧化态下传递二个电子和二个质子，这可能就是钼在固氮酶中的作用。只有少数几种其它的酶含有钼，有趣的是，其中之一是硝酸盐还原酶，即植物为了把硝酸盐转变成氨基酸而必需的一种酶。
在过去15年里对于理解固氮的生物化学所取得的许多进展，可归功于二个非常重要的实验技术。这些技术之一是乙炔还原试验。1965年威斯康星大学的罗伯特 · 休尔霍恩和罗伯特 · H · 伯里斯以及澳大利亚默多克大学的迈克尔 · J · 迪尔沃思发现了乙炔气体能抑制固氮酶的活性。其后的实验表明：固氮酶把乙炔（C2H4）还原成另一种气体乙烯（C2H4）。因此，通过用乙炔培育一个生物，然后用气相色谱法测量乙烯的产量，就能够简单地求出固氮酶的活性。估计固氮的较早的方法包括氮的示踪重同位素或测定一个生物含氮量的增加（一种耗费时间的方法）。乙炔还原试验既快又比较精确。
在实验方法方面，另一个改进是在活体外（即，在没有活细胞的情况下）观察固氮作用的方法的发展。我们能够制备出不破坏固氮酶的细菌细胞的提取液，但是通常如果没有与之相结合的细胞装置，这种固氮酶是不能够起作用的。60年代初发现了如果把少量的ATP与一种强的还原剂（诸如连二亚硫酸钠）一起加到无细胞提取液里，就能使它固氮。由于有了这样一种离体方法（在活体外进行试验的方法），固氮变成一种能够比较容易操纵和测量的实验室过程。
在理解固氮酶的生物化学方面已经取得了一些什么进展呢？目前的认识阶段被概括在威斯康星大学的威廉· H · 奥姆 - 约翰逊，珀杜大学的伦纳德 · E · 莫顿逊以及萨塞克斯大学的巴里 · 史密斯及其同事们最近的研究结果中。他们指出：固氮顺序的第一步是固氮酶组分B被固氮酶外面的一个输送电子的蛋白质所还原。被还原了的组分B与ATP反应，然后还原组分A。最后，组分A还原分子氮，最终形成氨。同一顺序可以用另一种方式来描述。首先组分B从一个载体蛋白接收一个电子；然后该电子被传递给组分A，最后传给氮。在氮和氨之间还没有发现任何中间产物，因此一切中间状态必定依然不超出固氮酶的范畴。有证据证实直觉的推测：电子是由铁原子和钼原子传递的，但是传递的实际机理依然是一个谜。
固氮顺序的最后一步是氮的实际还原——它是最有趣同时又是最令人困惑的。除非固氮酶活化区的结构被确定出来，否则这一过程大概不会被详细弄清楚。一种假设是：必然的中间状态之一是，二亚胺，一种结构为HN=NH的分子。换言之，它假定在氮原子之间的三键被完全解开之前，每一个氮原子至少与一个氢原子结合。这一过程和固氮酶将乙炔还原成乙烯的假定机理之间有着令人注意的一致性，然而很少有证据来证明或否定它。
竞争反应
由于离体固氮酶体系的发展才可能得到的一个发现是固氮酶在缺乏它作用的基质时的独特行为。当向固氮酶供应ATP，但使其隔绝氮气时，它就会放出氢气。显然在无氮的情况下，对固氮酶的电子传送照常进行；但当这些电子到达固氮酶的活化区时，它们仅仅与质子重新结合。事实上，甚至在正常大气中，某些电子和ATP看来也被消耗于形成氢气。俄勒冈州立大学的卡雷尔·舒伯特和哈罗德· J · 埃文斯已经测定出大多数根瘤菌——豆科植物的共生联合要浪费掉一半左右的到达固氮酶的电子。他们估计：美国的大豆作物一年产生的氢气，其能量相当于3000亿立方英尺的天然气。显然如果能够消除副产氢的话，固氮的效率就能够提高。一个令人鼓舞的发现是：至少有二种共生现象——涉及到豇豆和赤杨树一不浪费电子来形成氢气。情况多半是：像在其它生物中一样，这些生物的固氮酶活化区也产生氢，但是这些氢在能够逸出细胞之前就被再循环了。
除了抑制氢的生成这一方案外，另一个方案是利用这些氢。例如，也许可以利用池塘种植蓝绿藻来把太阳能转化成固定氮和游离氢。主要的困难可能在于氢气的收集。
—切固氮酶体系的一个奇异的特性是固氮酶的二个蛋白质组分接触氧气要变性。氧对固氮酶的毒化作用是不可逆的，即使除去氧或加入强的还原剂以后，酶的活性也不能恢复。固氮酶对氧的敏感性使研究它的生物学家大伤脑筋，因为他的所有实验装置都必须设计得能隔绝氧气，看来它对固氮生物也提出了一个同样重大的要求。事实上，这些生物也已经采取了种种策略来保护它们的酶。
对于嫌气性固氮细菌来说，酶容易被氧钝化的问题是无足轻重的。在任何情况下氧对这些生物都是一种有毒气体，它们只能生活在像较深的土层那样的环境中，这种环境中氧当然是被隔绝的。克氏肺炎杆菌能够生长在有氧或无氧的环境中，只要有氨或硝酸盐存在。但是它只有在无氧的情况下，才能靠大气氮生长；显然，这种细菌没有保护它的固氮酶使其免于失活的装置。
许多固氮的蓝绿藻有特殊的厚壁细胞，称之为异形细胞，这些细胞含有固氮酶。可想而知，这些异形细胞使固氮酶与大气中的氧相隔绝。生活于好气环境的固氮细菌已经发展了另一种防御手段。它们具有一些酶，只要氧一进入细胞，这些酶就能把氧还原成水。
最完善的氧的阻挡层是在根瘤菌豆科共生现象中发现的。在氧能够触及根瘤菌之前，它就被一种能与氧结合的蛋白质即豆血红蛋白（leghemoglobin）捕获了，这种蛋白质是由植物组织在根瘤中合成的。这是在植物界中发现的唯一的一种血红蛋白，像人们较熟悉的动物血红蛋白一样，它能够与氧紧密结合，并能在需要时把氧释放出来。因此根瘤菌能够采取一种有效的、好气性的新陈代谢，而同时仍能保护其固氮酶使其不受氧的侵害。对于根瘤菌来说，这种安排也许是共生生活方式的主要好处之一。从更广的意义上来说，固氮酶容易被氧钝化，以及它的活动需要大量的能量，这可能就是固氮生物种类比较少的原因。
生物固氮过程需要大量的能量表明，一个吝啬的生物要不是生长所必需的话，它是不会固氮的。事实也的确如此，如果在固氮细菌的周围环境中存在着固定氮的话，氨的形成就受到抑制。施于豆科作物的肥料会减少根瘤的数目，因此也就减少了由根瘤菌所固定的氮的数量。
固氮酶的调节
固氮细菌对于环境中固定氮的敏感性意味着固氮体系是受代谢控制的。基本的控制机理已经明确，即固定氮是通过停止合成固氮酶来抑制进一步固氮的。像在许多其它生物体系中一样，这种控制是通过抑制基因表达来实现的。对肺炎克氏杆菌中固氮酶的调节研究得最详细，该细菌调节历程中的关键分子是一种酶-谷酰胺合成酶。
在若干种细菌中，谷酰胺合成酶参与氮代谢的重要方面。它的主要作用是催化氨基酸合成的第一步。氨，不管它是来自固氮作用还是来自某些其它来源，首先通过与谷氨酸（一种氨基酸）盐反应生成另一种氨基酸-谷酰胺，而进入生物化学历程；谷酰胺合成酶正是在这一个反应中发挥了作用。然后大多数其它的氨基酸都是通过把氮从谷酰胺传递给其它化合物生成的。麻省理工学院的鲍里斯· 马加萨尼克及其同事们指出：在那些不固氮的细菌中，这一谷酰胺合成酶也调节那些能降解某些含氮基质的酶的合成。
谷酰胺合成酶本身也受到若干氨基酸合成的最终产物的反馈抑制的调节。高浓度的谷酰胺或某些其它氨基酸会降低谷酰胺合成酶的活性，因此抑制额外氨基酸的生成。调节固氮作用的一种似乎合理的连锁机理是容易想象的：活性谷酰胺合成酶的存在可能会助长固氮作用，因为这可能意味着相对缺乏最终的含氮生成物 -氨基酸。另一方面，谷酰胺合成酶的失活将会抑制固氮作用，因为只有当氨基酸很多的时候，谷酰胺合成酶才会失去活性。
通过对谷酰胺合成酶遗传密码有缺陷的肺炎克氏杆菌突变品系进行研究，看来证实了这一假设。这些突变品系不合成固氮酶，这一事实表明：谷酰胺合成酶在调节肺炎克氏杆菌固氮酶的合成方面一定发挥着关键性的作用。但是对于一种酶如何控制别的酶的合成，这一点还没有确切地弄清楚。而且现在知道在肺炎克氏杆菌中调节机理还要复杂得多，因为钼和氧二者对于固氮酶的合成都有影响。
通过用一种结构类似于谷氨酸盐的物质进行试验，已经对其它自生细菌中固氮酶合成的调节进行了研究。这一谷氨酸盐的模拟物，蛋氨酸Sulfoximine（Methionine sulfoximine）对参与氨代谢的酶是一种强有力的抑制剂。一个含氨的细菌培养基通常会抑制固氮酶的合成。我实验室里的乔伊斯· K· 戈登指出：在有蛋氨酸Sulfoximine存在时，氨并不妨碍固氮作用。当用谷氨酸盐的这一模拟物来培养细菌时，细菌积聚高浓度的固氮酶并甚至分泌出氨。在许多种细菌（包括蓝青细菌和其它光合细菌）中都观察到类似的反应。这种一致的结果是一个证据，证明一切细胞都是通过某些参与氨同化的酶或通过这样一种酶的氨基酸产物来调节固氮酶的合成的。
改进固氮效率
虽然我们对生物固氮的理解还远谈不上完全，但考虑对这种自然过程加以改进并不是不切实际的。若干提高固氮作用的方法现在也许是实用的，对于某些更根本的解决途径也至少已经清楚必须掌握和达到些什么。
增加生物氮产量的最明显的方法之一是改进根瘤菌-豆科共生联合的效率。要达到此目标最简单的方法大概是通过对植物和细菌进行遗传筛选，以确定出适合一特定环境的细菌和植物的最优结合。乙炔还原试验的发展使对植物的固氮能力进行快速普查成为可能。
通过这样一种技术，我实验室里的一位大学毕业生罗伯特· 梅尔分离出大豆根瘤菌（形成大豆根瘤的细菌）的一个突变品系，在实验室试验中，该突变品系能比它的母系固定更多的氮。我们不知道该突变细菌在野外是否也能显示出优良的性能。把一种新的根瘤菌品系引进一块耕种过的田地通常是困难的，因为有来自原先已经存在的细菌的竞争，因此该细菌被放到夏威夷大学的一块田里进行试验，这块田是没有形成大豆根瘤的根瘤菌种的。用突变品系和母系品系接种大豆；初步的试验用突变品系已经取得了较大的收成。但是如果要大规模地采用这种“超品种”的话，来自本土细菌的竞争问题依然存在。一种可能的解决方案是把超级固氮的基因引入到那些已经在田间取得成功的品系中去。
豆科宿主植物的活力和效率对被固定的氮的数量也有强烈的影响。E · I · 杜邦 · 德 · 内穆尔公司的拉尔夫哈迪及其同事们发现：向小块的大豆田增加二氧化碳气体能大大提高大豆的产量，大概是由于通过光合作用后能产生更多的碳水化合物。而且还发现固氮作用进行得更快并且在植物的生活史中延长得更长。用二氧化碳来充满农夫的田地是不切实际的，但是通过培育具有更高的光合作用效率的植物可以达到相同的效果。
另一种改进效率的方法可能来自选择不由于释放氢气而浪费光合作用能量的根瘤菌-豆科共生联合。正如我已经指出的，已知有二种这样的植物：豇豆和赤杨。把这类植物中抑制氢生成的某种机理移交给某些我们更需要的作物或许是可行的。
根瘤菌-豆科植物的共生联合承担着由生物固定的氮的40%左右，事实上也就是全部的由栽培植物固定的氮。直接改进生物氮供应最有希望的几乎无疑应当在这些生物中间去寻找。有一万多种豆科植物，其中对形成根瘤进行过研究的只有10%左右。而被人们种植的还不到50种。这些豆科植物中极可能还有其它一些植物能够被开发来用于农业。
增加氮的供应的另一个途径是改变细菌中调节固氮作用的生物化学机理。例如，戈登已经分离出固氮菌的突变品系，这些突变细菌能够在有氮肥存在的情况下继续固氮并甚至分泌出氨。这些细菌或许能够被培养在池塘中，依靠一种廉价的有机碳基质，诸如造纸厂废液等。如果能够得到会分泌氨的蓝绿藻突变品系的话，甚至连有机碳也能省去，因为光合作用会提供碳水化合物，这种池塘的内容物可以收获来作为肥料。
也许能够使分泌氨的细菌生长在土壤中，作物（诸如小麦或玉米等）根部附近。或许能够创造出一种人为的共生现象，通过选择植物的变种，它的根部会渗出含碳丰富的物质，这些物质会滋养细菌。反过来这些细菌使土壤变肥沃富含固定氮。
改变细菌的调节机理还可能有利于豆科植物。如果能够使根瘤菌种变得对氨的浓度不敏感的话，豆科作物也许能向土壤提供更多的固定氮，而不是去耗尽土壤中已经存在着的固定氮。
基因操纵
无疑增加氮产量的最大胆的方案是基于遗传改进，尤其是基于基因从一种生物转移给另一种生物的方案。至少在一种细菌（肺炎克氏杆菌）中，参与固氮作用的基因（固氮基因）的大致编码已在戴维斯的加利福尼亚大学的雷蒙德·C · 瓦伦丁研究室及在我的实验室里被标定出来了。它们被聚集在细菌染色体的一个小的区域内。
萨塞克斯大学的雷·A · 狄克逊和约翰 · R · 波斯特盖特已经把肺炎克氏杆菌中的固氮基因团转移给另一种细菌，大肠杆菌（生物学家们的一种宠物，人体大肠的一种普通的寄生虫）。这种转移是通过首先把固氮基因结合在一个质体（Plasmid）（—小块染色体外的脱氧核糖核酸）中，然后把该质体引进大肠杆菌细胞中来实现的。大肠杆菌不是一种固氮细菌。通过加入质体创造出来的大肠杆菌新品系被发现能够合成固氮酶，并且倘若能使它不受氧的侵害，它还能固氮。
这一试验的成功当然引起了激动。它暗示出这样一种可能性，即通过进一步的基因转移也许可以创造出一种能独立地固定大气氮的小麦或玉米。确实有这种可能性，但应当着重指出这仍然是一个遥远的目标。少数简单的基因已经从大肠杆菌转移到较高等的栽培植物的细胞中，但是迄今还没有任何一种含细菌基因的植物成长成熟。看来创造一种能固氮的谷类作物的困难是巨大的。
即使固氮基因能够被结合进入像玉米这样一种植物的细胞中，大概也还不足以创造出一种自肥（self-fertilizing）的作物。例如，有一个问题依然需要解决，就是保护固氮酶免受氧的侵害。看来创造一种能有效固氮的较高等植物可能需要对植物的结构和代谢进行广泛的修改。而实现这种改进的技术今后依然是遥远的。
直到本世纪，硝酸钠的贮藏（主要是智利的硝酸盐贮藏一直是农业和战时军火所需的固定氮的主要来源）。1893年威廉 · 克鲁克斯爵士警告英国科学促进会说：智利的硝酸盐贮藏正在濒于枯竭。正是意识到这种迫在眉睫的饥馑才为工业氨制造的研究和发展提供了强大的动力。今天看来化肥生产所需要的石油和天然气资源也正在被耗尽，必须为农业氮寻找其它的来源。生物方法（它已经是世界氮循环的主要贡献者）是明显的候选人。
（莫汉庆译）