藤井先生

我们的身体由蛋白质组成，人类需要从肉类和鱼类中摄取蛋白质和氨基酸。农作物吸收40%左右的氮肥，而肉类则只吸收10%左右。所以我们撒在田地里的氮其实能够被回收的微乎其微。那么如何将这种低利用率提高变得尤为重要，而解决问题的关键就是土壤中的微生物。

藤井先生

农业的理想是驯化这些土壤微生物，但这并不容易。一直以来在夺氮大战中，微生物和植物互不让步，有时植物还会因此枯死。

藤井先生

如果一下子放入新鲜的稻草，被增殖的微生物所吸收的氮就无法释放出去，植物就会枯死。在土壤中，蛋白质会分解成氨基酸，氨基酸转换成尿素，尿素又变成氨。然后氨再变成硝酸。如果这一循环能够顺利进行，更有利于农作物的生长。
但是土壤中各种微生物和酶都要参与这一循环，在某些条件下，有些微生物会拖后腿。所以我们想要控制田间土壤的肥力非常困难，但是也很具有挑战性。

藤井先生

通常都是缺氮的时候，微生物为了将蛋白质分解为氨基酸而生成酶。当氮充足的时候，微生物就不会想要去生成氨基酸。如果用公司来比喻这种现象，那就类似于“如果一个员工可以拿很多工资，他就不会去找下一份工作”。

藤井先生

另一方面，让微生物能够顺利释放氨的一个条件，就是保证土壤中含有大量的氮。换句话说，把蛋白质转变成氨基酸这一上游部分，还有把尿素转变成氨并排出体外的下游部分，它们的激活条件完全相反。生成酶反应的开关按钮在完全相反的地方。

藤井先生

酶也是一种蛋白质，所以制造酶的行为对于微生物来说，是一件利用氮“资源”进行投资的大事。我觉得特意用这样一种可能会增殖的资源去生成酶是一个相当冒险的事。所以必须调整田间土壤的成分，让其具备让微生物生成分解蛋白质的酶。

藤井先生

微生物在土壤中并没有那么快乐，它们通常都很缺乏能量。前面说过，土壤里都是一些“残羹冷炙”，所以十分缺乏能量。如果给微生物喂食葡萄糖等美味的糖（碳），它们就会很高兴地繁殖增长。
然后它们就会开始变得贪婪，表示“还想要氮和磷”。就好像在说：“我刚刚只吃到了很多米饭，所以还想吃菜”一样。而当微生物吃到不好吃的东西，也就是对它们而言难以分解的东西时，酶就成了关键。

藤井先生

土壤一般都是黑色的，对吧。为什么是黑色的呢？这个问题解释起来有点专业，是因为有很多吸收光的双键，也就是芳香环很多。我们可以想象一下咖啡，就类似于咖啡豆中苦与涩的成分。咖啡豆的话，就是绿原酸或咖啡酸。但如果是树木，就是一种叫木质素（木质成分）的毒素。通过生成一种不好吃的毒素，来保护自己，不受霉菌、昆虫等外敌的侵袭，从而避免自己被吃掉。这种物质不断在土壤中增加，最后土壤看起来就成了黑色。

藤井先生

没错。就比如说我们做菜的时候会去掉土豆的芽，对吧。其实这也是一种次生代谢物，叫做生物碱毒，植物会不断进化生成防御性物质来保护自己。
对于微生物而言，富有营养成分的腐殖质也并不是那么容易吃下的。能分解木质素的酶，同样也可以分解腐殖质。通过促进腐殖质的分解，进而促进原本存在于土壤中的氮循环，这就是我们想出的减少氮肥的作战策略。

藤井先生

在约几亿年前，当植物能够通过漆酶等酶生成木质素的时候，一棵树的40%左右都形成了一种名为木质素的物质。而在此后的一个时代里，煤炭又不断在地球上积累。森林里的树木倒下后，就留在那里变成了泥炭，然后又转换成煤。而这一时期的细菌和霉菌没有能力生成能分解木质素的酶。

藤井先生

是的。据说是在距今2.5亿年前菇类出现后，木质素才终于能被分解，再重新变回了二氧化碳，于是物质开始循环。石炭纪就这样结束了。这种被称为木质素过氧化物酶的分解酶，只存在于被称为木腐菌的菇类中的一小部分白腐菌中。我花了三年时间终于在基因层面上证明，不仅是木腐菌，落叶和土壤微生物中也有这种酶。

藤井先生

木腐菌指的是香菇、杏鲍菇、灰树花菇等超市里标价100日元一包的菇类。另一方面，原本是木腐菌一员的松茸，现在反而不能分解木质素。在习惯了从红松根部获取葡萄糖后，松茸就放弃了自己分解落叶的能力。相对的，它学会了“共生”，通过为红松带去营养成分，为自己换取糖分。
正是因为有了这些便宜的菇类，才结束了石炭纪时代。如果石炭纪一直继续下去，碳将继续在土壤中积累，那么大气中的二氧化碳就会大量减少，从而导致气候寒冷，带来各种严重后果，地球也就不会是今天这个样子了。

藤井先生

我也觉得这些现在只卖100日元的菇类真的很了不起，在超市看到它们时，眼神都变了（笑）。仅仅一咖啡匙的土壤中，有多达50亿个微生物，形成了像管弦乐队一样的生态系统。
一直以来，我都对提取单个微生物并研究其功能一事持怀疑态度。然而，就像有些微生物能生成抗癌药物或青霉素一样，有时生态系统物质循环的关键就掌握在特定的微生物手中。菇类教会了我，在使用“多样性”和“复杂系统”这两个词之前，必须先仔细观察每一种生物和现象。

藤井先生

其实最有趣的是进化。树木生长的地方雨水多，钾和钙会流失，所以土壤会不可避免地变为酸性。而菇类很适应这样的地方。在酸性条件下，名为木质素过氧化物酶的酶具有很强的氧化能力。菇类生成了这种在酸性条件下也能很好发挥作用的酶，并学会了分解木材和落叶。我们可以从中看到这种适应的历史。

藤井先生

为了更好地利用这些微生物的酶，关于峰值在哪里，以及应该在什么条件下重现，我们做了调查。比如说木质素的酸性越强，分解酶的活性就越高。而落叶中的无毒部分——纤维素的分解，则是在酸性时活性较低。为了分解拥有土壤中营养成分的腐殖质，我们需要在其间找到最适合的条件。

藤井先生

酶大体可分为两类：“水解酶”和“氧化酶”。纤维素经加水分解切成碎片后，生成葡萄糖，因此味道变得很好。但是木质素由于无法被切成碎片，所以要先进行氧化。
但是木质素氧化后最后溶解的苯酚有毒，所以还有一个特殊的微生物团队负责分解毒素。我们常说人是不能单独生活的，而在土壤中，各个微生物也分工合作、共存共荣。

藤井先生

酶本身不会在化学反应方程式中出现。只有在某种物质生成其他物质时，它才会“催化”，但它本身也并不发生变化。另外，我之所以把它称为“微生物的神力”，是因为它做到了人类做不到的事情。

藤井先生

最近我经常用类似于“管弦乐队的乐器”这样的比喻来进行说明。如果想在没有乐器的情况下进行管弦乐表演，也许可以采用声音很高的人、或者声音像圆号的人、或者声音像低音提琴的人来设法实现，但应该很难实现。用乐器的话，就能更简单地发出乐谱要求的声音。把它们组合到一起，就可以创造出用单一乐器无法演奏的音乐。这就类似于土壤中由各种酶组合而成的物质循环。

藤井先生

刚才小酶同学提到了蓝藻，如果人类能够像固氮酶那样生成“固氮用的酶”，用来取代现在使用的大量燃烧煤炭或石油的哈伯·博施法，我觉得那就能获得诺贝尔奖了。人类现在还无法生成单细胞细菌所能生成的酶，从这一点来说，我们更是需要不断奋发图强且保持一种谦逊的态度才行。