二氧化碳人工合成淀粉，這項技術(shù)能讓我們成功喝上“西北風(fēng)”嗎

最近，同學(xué)們一定在媒體上看到了一條大新聞——據(jù)人民日報報道，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文稱，他們已成功將二氧化碳人工合成為淀粉。

對此，有網(wǎng)友評論說：“完全看不懂，也想象不出二氧化碳和淀粉有啥關(guān)系？難道意思是我們呼吸時產(chǎn)生的二氧化碳可以被轉(zhuǎn)化為淀粉？”

也有網(wǎng)友開玩笑講：“這好比是，‘喝西北風(fēng)’成真了，實在是太科幻！”

即便不可思議，但科學(xué)家們確實做到了。那他們是如何做到的？這項技術(shù)對人類來說又有什么樣的意義？本期我們邀請杭州學(xué)軍中學(xué)化學(xué)老師趙宇為我們解讀二氧化碳變成淀粉的秘密。

人工光合作用：將60多個步驟“濃縮”到11個

先說說我國這個技術(shù)的突破性，有多大呢？相當于人類用了另一種方法完成了光合作用。

首先復(fù)習(xí)一下中學(xué)科學(xué)課中學(xué)過的光合作用的化學(xué)反應(yīng)方程式——

6CO2+6H2OC6H12O6+6O2

二氧化碳（CO2）和水（H2O），通過光照和葉綠體的作用，產(chǎn)生葡萄糖（C6H12O6）和氧氣（O2）。

那么淀粉又是什么呢？實際上淀粉就是葡萄糖分子脫去一個水分子，聚合成長鏈的產(chǎn)物。游離的葡萄糖分子式以C6H12O6表示，脫水后葡萄糖單位則為C6H10O5，因此，淀粉分子可寫成(C6H10O5)n，其中n為不定數(shù)。組成淀粉分子的結(jié)構(gòu)單體（脫水葡萄糖單位）的數(shù)量稱為聚合度。

葡萄糖和淀粉都是糖類，它們共同的特點，從分子式上看都是Cn(H2O)m這樣的形式，也就是n個碳加m個水，所以說糖類通常又叫“碳水化合物”。

雖然光合作用的表達式看起來很簡單，但如果仔細探索其中的過程，會發(fā)現(xiàn)其反應(yīng)非常復(fù)雜，需要60多個步驟。

而我國科學(xué)家，不用生物細胞，單純用工業(yè)的方式實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的合成。并且，大大縮短了自然光合作用的步驟，設(shè)計出一條只有11個步驟的“捷徑”。

雖然他們的實驗過程非常復(fù)雜，不過我們可以簡單地拆分成幾個步驟來理解——

首先把二氧化碳還原為甲醇（CH4O），這個步驟在國際上已經(jīng)有很多突破性的研究。

接下來進入了生物酶促反應(yīng)。實驗人員從62種來自動植物和其他微生物的酶中，優(yōu)選出了10種加以改造。通過這些優(yōu)選改造出來的生物酶，將甲醇轉(zhuǎn)換成三碳糖，繼而又合成六碳糖（這已經(jīng)是葡萄糖了），最后聚合成淀粉。

這10種酶促過程，就是本次突破的精華所在。最后合成的淀粉與植物生成的淀粉一樣，并且這種合成淀粉還是可控的。甚至，其結(jié)構(gòu)和鏈長都可以控制，這為以后批量工業(yè)化生產(chǎn)淀粉提供了一條通路。

一旦工業(yè)化，將能節(jié)省超90%的土地和淡水資源

上面講到，淀粉其實也是一種糖類。

糖類是自然界中廣泛分布的重要有機化合物。我們食用的蔗糖、糧食中就含有的淀粉。甚至植物體中的纖維素、人體血液中的葡萄糖也都屬于糖類。糖類是一切生物體維持生命活動所需能量的主要來源。

大家都知道生物細胞的能源都是靠ATP提供的，而ATP的合成離不開糖類、脂類和氨基酸的三羧酸循環(huán)。簡單地說， 當葡萄糖徹底氧化以后，會重新生成水和二氧化碳，并釋放出能量，這相當于和光合作用相反的過程。這個過程中釋放出的能量，就提供了我們肌肉收縮、神經(jīng)的傳導(dǎo)等等生理過程的能量。

此外，糖類能與蛋白質(zhì)結(jié)合形成糖蛋白，在生命活動中發(fā)揮重要作用。糖類和免疫系統(tǒng)、血液凝固和生長也都有很大的關(guān)聯(lián)。

那么，人工合成淀粉相比自然光合作用合成淀粉，效率如何呢？

這次實驗合成的速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。按照目前的技術(shù)參數(shù)推算，在能量供給充足的條件下，1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當于5畝玉米種植的淀粉年平均產(chǎn)量。

所以，工業(yè)車間制造淀粉一旦成功，與農(nóng)業(yè)種植相比，將有機會節(jié)省超過90%的土地和淡水資源，而且可以消除化肥和農(nóng)藥對環(huán)境的負面影響。這對提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經(jīng)濟發(fā)展具有十分重大的意義。

“西北風(fēng)”變成淀粉

火星移民不是夢

當我國科學(xué)家宣布二氧化碳成功合成淀粉的消息傳遍全網(wǎng)，網(wǎng)友們紛紛調(diào)侃：“西北風(fēng)”真的可以“喝”了！

雖說這是玩笑，但大家也很認真的詢問：那么，這個技術(shù)的前景究竟怎樣呢？

對此，我們也提出了一些猜想。

首先，如果該技術(shù)工業(yè)化成功，可以極大解決糧食問題。比如我國，耕地面積為19.179億畝，我國的糧食問題一直備受重視。有了工業(yè)化的人工合成淀粉的技術(shù)，高山、峽谷、沙漠、冰原都可以有效的成為農(nóng)業(yè)產(chǎn)地。

當然，以目前的技術(shù)，人工合成淀粉的成本還是要遠遠高于種玉米的。不過，這是在適宜生物生存的地球上而言，如果到太空里去呢？情況就完全不同了。因為，無論是空間站，還是月球或火星，要改造當?shù)氐淖匀粭l件，使人們能像電影《火星救援》一樣在太空里種土豆，以目前的技術(shù)是根本做不到的。即便做到了，代價也非常巨大。

然而現(xiàn)在我們有了人工合成淀粉的技術(shù)，土豆不用種了，直接用空氣就可以生產(chǎn)糧食！

比如，火星大氣主要成分是二氧化碳，比例高達96%，這簡直是個巨大的糧倉！

更何況，二氧化碳本身也是人體代謝產(chǎn)物，可以直接循環(huán)利用。

這里還涉及到能量問題。二氧化碳變成淀粉，是需要輸入能量的。這個能量從哪里來呢？其實，這次我國科研團隊采用的就是太陽能。在他們的論文中，用到了一個合作單位——中科院大連化物所的“液態(tài)陽光”技術(shù)。把太陽能變成液體燃料，提供合成淀粉的部分能源。

當然，真正實現(xiàn)量產(chǎn)還需要更多額外的能源。如何利用新能源技術(shù)解決這個問題，也是科學(xué)家們正在努力的方向。但是，我們距離火星移民，確實又近了一步！