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回首2021年，有个科研成果震古烁今，完全有资格获得诺贝尔化学奖。那就是中科院天津工业生物技术研究所的团队，在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉分子的全合成，并于9月24日在著名国际学术期刊《科学》上发表了相关论文。有了这个技术，喝西北风也能管饱。  亮点一：人工合成淀粉，人类从无到有的大突破。淀粉是高分子碳水化合物，由葡萄糖分子聚合而成。传统从植物获得淀粉，由玉米、水稻、小麦、马铃薯等农作物通过光合作用产生。淀粉是日常食物中必不可少的一个营养来源，摄入的淀粉被淀粉酶完全水解，得到葡萄糖，这是生物的主要供能物质，是人类重要的营养素。 这一次，我国科学家在不借助自然植物光合作用的情况下，奇迹般将这个过程人工化，完全依靠生物和化学的人工手段获得淀粉。  淀粉 淀粉的分子式为(C6H10O5 )n，合成淀粉的元素看似简单，只要有二氧化碳与水就足够了，实则非常难，如整个过程需要经过哪些化学反应，付出多少能量与代价等。 这个过程理论简单，实操却异常复杂。二氧化碳里面有一个碳，但淀粉里有六个碳，就要想办法利用各种生物酶，先将一个碳变成三个，然后由三个变成六个。而这里面的过程是什么，酶的种类与份量，用什么工艺等等都需要无数次实验摸索验证，千锤百炼。 这是人类的大突破，植物吸收二氧化碳通过光合作用合成有机物，现在人类利用二氧化碳就能合成淀粉。《西游记》中神仙吹口气变出食物，我国科学家吹口气也能变出粮食。  光合作用与人工合成淀粉原理图一 亮点二：人工合成淀粉的效率远超于传统农业生产。相比与路径的复杂程度，更重要的是这个路径合成淀粉的效率到底高不高。如果效率不高，那还搞什么人工合成，继续种玉米、小麦等就行了。而这个科研成果另个亮点之处就是效率太高了。 一般的光合作用，植物需要60多步代谢反应，才能产生淀粉，而能量转化效率只有2%。工业淀粉利用无机催化剂将二氧化碳还原为甲醇，再将甲醇进行多次转换后形成淀粉。工业淀粉的合成和生产仅需要11步，大幅度降低了合成的复杂性。 人工合成淀粉的合成速率是传统农业的8.5倍。1立方米生物反应器与5亩玉米田的年产量相当，1亩生物反应器与3333亩玉米田的年产量相当。我国玉米种植面积为6.4亿亩，也就是说只要有20万亩这样的反应器，就能够顶上全国的玉米产量了。而如果多层叠放的话，十层也就十米高，所需的田地则会更少。  光合作用与人工合成淀粉原理图二 人工合成淀粉的重要意义。1.民以食为天，人类自古至今与饥饿做斗争。全世界人口有78亿，为了填饱肚子，人们开垦粮田，投入无数的肥料、农药、农机等，培育优质品种，不断提高粮食产粮。可即便如此，全球还有三分之一的人吃不饱饭。另外，淀粉也是重要的工业原料，酒精、纺织、造纸等都需要淀粉。 如果能够实现人工合成淀粉量产，很可能就可以解决粮食安全问题了，而且还能节省大量土地、淡水等资源，退耕还林，改善生态环境。 2.人工合成淀粉的原料是二氧化碳，其合成的效率越高，需要的二氧化碳就越多。有了这项技术，就可以将温室气体二氧化碳变废为宝，有利于我们实现碳中和，减缓温室效应。 3.人类的未来是星辰大海，人工合成淀粉技术无疑具有奠基性价值。这项技术可以助力星际旅行与星际移民，解决宇航员食物问题，让宇宙飞船飞得更远，探索更多未知宇宙。  人工合成的淀粉 实验室的成功合成证明了原理的可行性，离大规模工业化生产必然还有不短的距离。但仍获得了中外专家的高度评价，认为这是重大颠覆性成果，是“典型的0到1原创性突破”，对生物制造与农业生产具有变革性影响。 传说神农氏教会人们农耕，春种一粒粟，秋收万颗子。现在神话照应现实，可能以后是淀粉工厂日夜吸收着二氧化碳，流水线产出高质量的淀粉有机物。 人类孜孜不倦追求着无限能源与无限食物，人工合成淀粉技术是未来文明的奠基石，是人类历史上最重要的发明之一。为祖国点赞！  中科院天津工业生物所研究团队 |
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