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中国科学家掌握“空手套淀粉”技术,所以未来喝西北风就能填饱肚子?

2021-09-27  cat1208

9月24日,我国中国科学院天津工业生物技术研究所的科学家们在Science上发表了一项重要的研究成果,首次从二氧化碳出发合成了淀粉(以下简称人工合成淀粉或合成淀粉)。

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图片图/论文链接:DOI:10.1126/science.abh4049

大家都知道,淀粉的合成在自然界是需要通过植物的光合作用完成的,以二氧化碳为原料,空手套淀粉这事还是第一次。

有些读者说希望我讲讲这个话题,不过植物学、太阳能、化学合成、固碳都不是我熟悉的领域,我只能站在生物学大领域的角度谈一谈,一己之见,仅供参考。

人工合成淀粉是在模拟

光合作用的暗反应

光合作用是“光驱动的合成作用”的简称,分为光反应和暗反应。

光反应是通过叶绿素等色素吸收光子的能量来做两件事,一是获取高能量高活性的ATP;二是裂解水分子,放出氧气,并获得氢和电子(也就是还原力)。

其本质是把光能转变成了化学能,但这些化学能的存在形式具备高活性、高反应性,并不能长期储存。

而暗反应则是用这些化学能来固定二氧化碳,生成能够长期储存的化学能——糖类(葡萄糖和淀粉等)。

显然,合成淀粉模拟的是暗反应这一步。

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前两天看到一种说法,认为“光合作用关键的是光反应,而合成淀粉的反应既没有利用太阳光的能源,也没有裂解水,也没有放出氧气,后面的固定二氧化碳以及合成淀粉还都得耗电,因此这项研究是蒙人的。”

这个说法看似有理,其实非常有失公允。暗反应也是光合作用中很重要的一步,怎么能被认为是无足轻重呢?此外,涉及到光反应还有更重要的一个问题,就是我们下面要讨论的能量转化效率的问题。

人工光合作用的瓶颈

就在于暗反应

既然这项技术是在模拟暗反应,那么有没有模拟光反应的技术呢?

当然有了,那就是光伏发电啊。光伏发电一方面获得了电能,同时电能还可以分解水得到单质的氢和氧。你看这一步和植物的光反应是不是很像?而且,现在光伏发电的效率已经明显高于植物对阳光的利用。

那么,我们用光伏发电,再用电能去驱动暗反应,生产有机物,岂不是很好?

也就是说,人工光合作用的瓶颈其实并不在光反应,而是在暗反应。光伏发电有个短板是电能不好储存,合成淀粉恰恰能把电能变成化学能长期储存和运输。

当然,所用电能也不局限于光伏发电,也可以是风电、水电、核电,总之只要成本合算就好。假如将来有了可控热核反应就更好。

这次研究有什么意义

我们知道,地球上所有生命所需的能源归根结底都来自太阳光,但动物和真菌以及大部分的细菌都不会利用太阳光,只有植物和一些细菌(主要是蓝细菌)才能利用阳光的能量合成有机物,而我们动物只会把这些有机物氧化分解成二氧化碳和水等小分子。

因此,在生态学上,植物是生产者,而我们是消费者(是不是有点惭愧?)。现在如果我们也能从二氧化碳出发来合成糖类,那是不是意义很大?当然,这只是一种好玩的说法。

实际上,这项研究在理论和技术上贡献都很大。

首先,它并不是通过反复摸索试验最后侥幸成功的,而是先通过理论计算,找出候选途径,再去实验。虽然还是少不了摸索和试错,但计算显然起了非常大甚至是决定性的作用。

其次,合成本身的技术对今后的研究也相当有价值。媒体的报道过于强调它潜在的应用价值,实际上它直接的贡献在于理论和技术方面。

人工合成淀粉的应用前景

关于合成淀粉的应用,媒体讲的最多的是合成食物。然而,从应用的角度来看,合成食物可能会排得比较靠后。

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首先,食物的要求很高。农作物虽然生产效率不高,但它们是无毒无害的,农产品通常只需要碾米磨面这样的粗提就可以食用。可是,人工合成的淀粉就不一样了,很可能伴有有毒的副产物,这样提取的难度和成本就会很高。况且,人类也不需要吃纯淀粉。甚至,家畜家禽也不太需要吃纯淀粉。

论文的作者在接受采访时说“从控制过程成本初步计算,只有当二氧化碳到淀粉合成的电能利用效率再提高数倍,淀粉合成的碳素转化速率再提高数十倍,才能与农业种植竞争。因此,要想实现工业化生产,还需解决诸多的科技难题。”

我觉得这个说法还是公允的。

一方面是效率有待提高,另一方面还有其他的技术难题,比如设备的成本,就是说即使它的效率比农业高,但如果设备成本远远高于种子、化肥、农药、农机等等,那么还是不合算。

因此,合成淀粉应用的大头应该首先是作为工业原料。

事实上,粮食产品很多也作为工业原料,比如说抗生素的发酵就要用掉大量的玉米淀粉、玉米油、玉米浆、豆油、豆饼等等;人们还用玉米淀粉来生产酒精作为汽车的能源等等。

如果合成淀粉能够作为这些工业的原料,我们就能省下更多的耕地来种植人类食物和牲畜的饲料。

值得一提的是,有媒体刻意提到中国人的主食是淀粉来彰显这项研究的意义,这个也大可不必。我国主食淀粉已然太多,应该减少,更不该添加纯淀粉。这项研究已经非常伟大的,不必找不合适的理由给它贴金。

一项技术从诞生到应用,我们很难说从0到1更难,还是从1到10更难。但不论如何,人们已经完成了从0到1这一步。虽不应盲目乐观,但适度乐观展望一下还是可以的。

不要指望一项伟大的研究能够毕全功于一役,也不要因为一项研究不能毕全功于一役就否定它是伟大的研究。

这就好比人类第一次发射火箭是一些伟大的成就,但它还远远不能把人类送上火星,后者需要无数伟大的研究串起来才行,但你总不能说发射火箭也算不了什么,反正也上不了火星。

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