反色动物，以及在较小程度上，人类和其他单胃动物所获取所需的氨基酸，大都是通过细菌得来的。动物肠道里的酶类消化细菌，然后由被称为蛋白酶的特异的酶，分解细菌的蛋白质以释放出单个氨基酸，氨基酸可以被动物吸收。这些氨基酸或者它们所包含的氮，是动物自身蛋白质合成的基础。

这个过程，虽然看起来很复杂，但它只不过是地球氮的再循环系统里的一个小步骤。氮循环也许是人们研究最为广泛深入的营养物循环了，因为其对农业、人类及其他动物的健康都具有重要意义。大多数人的饮食都不会缺乏碳。而以蛋白形式存在的氮，却完全是另一回事了。在多种环境下，氮的供应都很有限，这就使得氮循环对地球生物而言至关重要。

一顿牛排大餐里的蛋白，是地球氮利用和再利用循环的结果。不夸张地说，牛排里的氮可能来自于遥远海洋中的蓝细菌或者另一块大陆的土壤。大气里氮气占了78%，几乎是大气里含量第二丰富的氧气的4倍。虽然氮的含量这么丰富，但是相对于吸收氧，生物耗费了更多能量去摄取氮进入身体。除了细菌，没有哪种生物的身体可以直接吸收氮气，而氧气就能直接被生物利用。细菌，包括蓝细菌，通过吸收氮气，并把氮转化为植物可用形式的固氮过程，让其他生物也可以利用氮。食草动物，比如说兔子，就把植物氮（主要储存在维生素和核酸中，比如DNA）转变成动物氮（主要储存在肌肉的蛋白质中）。

有些菌种，比如固氮菌（Azotobacter）和拜耶林克氏菌(Beijerinckia)，单独生活在土壤中，并在那里进行氮固定。这些细菌把氢原子加到氮原子上，让氮气变成氨。根瘤菌(Rhizobium，由拜耶林克发现）和慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）也从空气中吸收氮，不过它们是在被称为根瘤的由植物根部细胞形成的瘤块内部吸收氮的。1888年，马丁乌斯•拜耶林克发现了这种细菌一植物间的氮固定过程。氮固定过程中的细菌一植物关系代表了共生现象，即两种近距离生存的生物之间的协作联合。人类，其他动物，还有昆虫的肠道细菌，都表明了共生关系的存在。

在氮气变成氨之后，氮会经过一系列的反应，每一个反应都是由细菌进行的，一百多年以前，谢尔盖•维诺格拉茨基发现了这些细菌。亚硝化单胞菌（Nitrosomonas）把氨转化成亚硝酸盐化合物（两个氧连着一个氮），硝化杆菌（Nitrobacter）把亚硝酸盐转化为硝酸盐（3个氧连着一个氮），然后硝酸盐被植物的根吸收，以满足植物自身的氮需求。另一组完全不同的细菌从土壤中攫取过量的硝酸盐，把硝酸盐变成一氧化二氮气体，然后将这种气体释放回大气中。

进入植物中的氮，被植物用来合成其维生素、核酸和蛋白质。牛吃草和首蓓，摄入植物氮，然后牛的瘤胃细菌开始工作，合成微生物的蛋白。人类也受益于这整个的过程，就在他们消化牛肉中的蛋白的时候。当植物死亡、腐烂（通过土壤细菌，例如芽孢杆菌的作用），把氮释放进土壤以及养牛场中的粪便渗入土壤和地表水时，环境也会分得一杯羹，得到一份氮。

一切生物都必不可缺的氮循环，占据了很多的空间。肉用牛羊占据了世界各地成千上万平方千米的土地。像美国或加拿大这样幅员辽阔的国家，尚能应付这个问题；但是水资源紧张和地处热带的地区，就会发现其自然环境简直难以满足肉类生产的需要。世界上有越来越多的地方，肉用动物和人类在争夺水。与此同时，在热带地区，农民们正在砍伐或者烧掉丛林，为牛腾出地方。热带地区越来越小，生物多样性也随之丧失。

许多环保主义者觉得大规模肉类生产对环境造成威胁，鼓励科学家去研究细菌，把其作为直接的蛋白源。当然，氮循环会一直运转，不过人类可以通过使用替代的蛋白源来减少对肉类生产的需求。蓝细菌螺旋藻(Spirulina）（参见图6-2）作为潜在的微生物蛋白源，吸引了人们的兴趣。干燥的螺旋藻粉末可以提供维生素和蛋白质。螺旋藻细胞里，70％都是蛋白质。其他大多数细菌，约含有50％的蛋白质。此外，螺旋藻蛋白是高质量的蛋白质，也就是说它含有人类全部的必需氨基酸。螺旋藻和其他光合作用的生物一样，都能提供多种维生素和矿物质。进行光合作用的酶类，需要维生素和矿物质的持续供给以作为辅因子，辅因子即参与化学反应的辅助分子。螺旋藻作为食物，可有如下的优点：

．比胡萝卜更多的β一胡萝卜素，身体可将其转化成维生素A。

．铁的含量是牛肝的28倍。

．维生素B12的含量比其他所有食物都高。

螺旋藻将来有可能作为世界上营养缺乏地区的一种新的蛋白源吗？每英亩蓝细菌所能提供的蛋白质是牛肉的200倍，而消耗的水是1/315。NASA已经尝试利用螺旋藻—他们把它错认为藻类—作为太空航程中的食物。世界上的螺旋藻养殖场数在增加，泰国、印度、美国都在养殖。这些养殖场里有用于细菌生长的大池塘，池塘处在一个连续的流动系统中，接收营养物质，排出终产物。微生物学家把生长条件维持在一个较窄的范围内，这样可以促进蓝细菌的生长，同时抑制污染菌的生长。

当前环境不确定的情况，要求入们就他们所消费的原料做出艰难的抉择。螺旋藻可能是可持续发展的一个重要的方向，不过时机尚未成熟。