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1立方米=5亩玉米产量,中国人工合成淀粉轰动全球,意义有多大?

2021-09-25  森林一叶

作者:天涯爱科学

近日,中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉人工合成方面取得重大突破性进展,国际上首次在实验室人工合成了淀粉,此项成果昨天在著名期刊《科学》杂志发表。合成淀粉说是人类发展史上开天辟地的成就也不为过,笔者梳理一下整个事件,发现以下7个要点是最值得关注的:

中国科学院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品

一、合成淀粉六年磨一剑

事实上早在2018年7月24日,也就是三年多前,就已经第1次成功人工合成淀粉了。但是当时并没有急于公布,为慎重起见,天津工业生物技术研究所反复安排不同的科研人员不断重复实验,不但确认了实验的可重现性,而且还不断提高了合成效率,在此后两三年时间里,将合成效率提高了150多倍。事实上这个项目早在2015年就开始了,在长达6年的冷板凳时光里,这个平均年龄才30多岁的团队始终沉得住、坐得稳,以“6年磨一剑”精神让实验数据无懈可击,经得起一切科学检验。

二、合成速度远超自然合成

自然条件下,植物合成淀粉经历了数10亿年的自然进化,才形成了淀粉合成的生理机制。在光合作用下,从二氧化碳到淀粉的生成,植物合成要经过60多步的代谢反应和复杂的生理调控,前后至少要经过100~120天时间(以玉米为例),而在实验室条件下,合成步骤大幅减低到11步,时间仅需大概11天左右,人工合成淀粉的速率是玉米合成淀粉速率的8.5倍。

三、合成能效远超自然合成

植物合成淀粉本质上是将太阳能转化成化学能,这个过程之中,太阳能的理论利用效率不超过2%。人工合成淀粉的太阳能理论利用效率高达7%甚至是10%,理论能量转化效率是玉米的3.5倍以上。

四、合成本质是精简版光合作用

合成淀粉其实就是“光能—电能—化学能”的能量转变方式。首先通过光伏发电将光能转变为电能,然后电水解产生氢气;然后通过催化剂利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇,将电能转化为甲醇中储存的化学能,最终合成了直链和支链淀粉。值得一提的是,经核磁共振等方法分析鉴定,合成的淀粉样品无论成分还是理化性质,都和自然生产的淀粉一模一样。而且不仅能合成易消化的支链淀粉,还能合成消化慢、升糖慢的直链淀粉。

五、合成过程依然是生物酶自然转化

从报道中可知,虽然说是人工合成,但来自生物的自然因素还是在其中起到了关键的作用。报道中提到,在甲醇转化为淀粉的过程之中,利用了“生物酶催化剂”。科研人员精心研究了动植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂,反复挑选比对,最终选出了10个生物酶。正是在这些生物酶的作用下,实验室条件下甲醇转化为淀粉才得以快速实现。而生物酶的生理机制更加复杂,估计在可预见的未来,还不能由人工合成。庆幸的是,这些生物酶人类目前还可以在生物多样性的地球上提取到,只是未来,如果人类离开地球,又到哪里去找这些生物酶呢?

六、合成产量1立方米=5亩玉米

从报道中可知,人工合成淀粉整个过程都是在一个生物反应器中进行的。在能量、原料供给充足的条件下,理论上1立方米反应器年产淀粉量相当于5亩玉米的淀粉平均年产量。未来如能工业化生产,不仅可以节约90%以上的耕地和淡水资源,还能够避免农药、化肥等对环境的负面影响,促进碳中和的生物经济发展。这对人口爆炸性增长的地球来说,有着开天辟地的意义,人类社会以后或许能从根本上解决粮食安全、环境安全等诸多问题。

七、负排放拯救地球和人类

地球正在人类的额外碳排放中不断变暖,阻止这一过程的任何努力目前都没有看到实现的希望,根本原因就是所有这些努力都无法带来正向的价值,比如把二氧化碳封存起来,或转变为能源,都还无法达到产出大于投入。而淀粉是人类及很多生命的必须品,而且消耗量惊人,如果这项技术能达成量产,可以将大量的二氧化碳转变食物,释放更多的耕地成林地森林,存储更多的碳,从而从根本上扭转目前净排放的格局,让发烧的地球逐渐降温。

目前网络上对这种技术的前景充满了各种各样的美好想象。笔者觉得,人工合成淀粉技术的实现,在给地球人带来一系列美好的前景中,“星际移民”是一个切切实实完全可期的愿望,当然,这还需要可控核聚变等方式来提供能源。

在过去的科幻小说中,所谓的星际航行无一不是建立在光速或超光速旅行的基础上,然而目前已知的物理学还不支持这种方式。但如果解决了粮食和能源问题,人类就可以在一艘巨大的宇宙飞船中,经过数百代甚至数万代繁衍生息后,到达另外一个系外甚至是河外星球。用时间换取空间,这将是“星际移民”最具可行性的途径。

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