磊楓望

“喝西北風(fēng)”也能生存的未來(lái)

我們總是擅長(zhǎng)用發(fā)展的辦法來(lái)解決發(fā)展中的問題。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，人工合成淀粉技術(shù)讓生物合成領(lǐng)域獲得了里程碑式的突破進(jìn)展，具有極強(qiáng)的工業(yè)潛力，也是未來(lái)宇宙星際移民時(shí)代必備的技術(shù)。

橫空出世

今年9月，我國(guó)科學(xué)家轟動(dòng)科技界的一項(xiàng)大研究橫空出世——從二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)。這不僅是人類首次找到了替代植物光合作用獲取淀粉的方法，還為推進(jìn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線提供了一種新思路。

多位中外專家評(píng)論認(rèn)為，不依賴植物光合作用，設(shè)計(jì)人工生物系統(tǒng)固定二氧化碳合成淀粉，將是影響世界的重大顛覆性技術(shù)。這讓人們看到一種可能：農(nóng)業(yè)可以由種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，為創(chuàng)建新功能的生物系統(tǒng)提供了新的科學(xué)基礎(chǔ)。

如果未來(lái)二氧化碳人工合成淀粉的系統(tǒng)過(guò)程成本能夠降低到與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟(jì)可行性，將會(huì)節(jié)約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nóng)藥、化肥等對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，推動(dòng)形成可持續(xù)發(fā)展，提高人類糧食安全水平。

這項(xiàng)成果的意義還不止于此，它還意味著，繼20世紀(jì)60年代中國(guó)首次人工合成了結(jié)晶牛胰島素后，我國(guó)科學(xué)領(lǐng)域迎來(lái)了第二次巔峰性突破！

成果背后是中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所與中科院大連化學(xué)物理研究所等院內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)的聯(lián)合攻關(guān)。6年深耕，他們創(chuàng)建了一條利用二氧化碳和電能合成淀粉的人工路線。

能量轉(zhuǎn)化效率從自然的2%到人工的10%

植物之所以被稱為食物鏈的生產(chǎn)者，是因?yàn)樗鼈兡軌蛲ㄟ^(guò)光合作用，利用無(wú)機(jī)物生產(chǎn)有機(jī)物，并且貯存能量。通過(guò)食用，食物鏈中的消費(fèi)者可以吸收到植物及細(xì)菌所貯存的能量。對(duì)于生物界的幾乎所有生物來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程是它們賴以生存的關(guān)鍵。地球上的碳氧循環(huán)，光合作用是必不可少的。

歸根到底，我們吃的食物是植物通過(guò)光合作用生產(chǎn)出來(lái)的。極簡(jiǎn)化的光合作用就是以綠色植物為反應(yīng)平臺(tái)，以太陽(yáng)能為能量，經(jīng)過(guò)一系列生化反應(yīng)，將空氣中的二氧化碳（無(wú)機(jī)碳）以及水轉(zhuǎn)化為碳水化合物（有機(jī)碳）并釋放氧氣的過(guò)程。

其中最重要的也是限制性的因素就是“反應(yīng)平臺(tái)”（植物），它關(guān)系到碳水化合物轉(zhuǎn)化的數(shù)量及效率。農(nóng)業(yè)中，糧食種植的本質(zhì)是為了提供光合作用的“反應(yīng)平臺(tái)”。保護(hù)耕地，增加種植面積，是為了增加“反應(yīng)平臺(tái)”的數(shù)量;培育高產(chǎn)品種是為了提高“反應(yīng)平臺(tái)”的轉(zhuǎn)化效率。而搭建植物這個(gè)“反應(yīng)平臺(tái)”是個(gè)漫長(zhǎng)且困難的過(guò)程。從播種到收獲，整個(gè)過(guò)程需要經(jīng)歷幾個(gè)月到幾年的時(shí)間，還會(huì)受到很多非人為因素的影響，如適宜生長(zhǎng)的環(huán)境（溫度、光照、水分、土地養(yǎng)分等），病蟲害、自然災(zāi)害等。

在這些難以完全可控的因素背后，中國(guó)有像袁隆平一樣的水稻專家，致力于農(nóng)作物的豐產(chǎn)擴(kuò)種，解決世界糧食短缺問題;也有像馬延和一樣的生物科學(xué)研究員，完全跳出光合作用的路徑，采用了純工業(yè)的手段來(lái)搭建“反應(yīng)平臺(tái)”。

還原植物的生存反應(yīng)環(huán)境，涉及模擬葉綠體的環(huán)境、各種膜系統(tǒng)和各種酶。在植物體內(nèi)，反應(yīng)過(guò)程涉及大約60步生化反應(yīng)、復(fù)雜的生理調(diào)節(jié)，理論上總體能量轉(zhuǎn)換效率在2%左右。由于光合作用的過(guò)程極為復(fù)雜，人工光合作用的研究進(jìn)展很慢。而在人工合成淀粉技術(shù)中，耕地、氣候等限制因素基本排除，理論上只要原料和能量充足，在各種環(huán)境下都能穩(wěn)定生產(chǎn)淀粉（食物）。

天津工業(yè)生物技術(shù)研究所聯(lián)合中科院大連化學(xué)物理研究所的研究者設(shè)計(jì)了一條利用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉的人工路線。這條路線僅涉及11步核心生化反應(yīng)，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

“從能量角度看，光合作用的本質(zhì)是將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)藏在淀粉中的化學(xué)能。”馬延和解釋。

如何更高效地將光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能？模擬和借鑒自然過(guò)程，構(gòu)筑新的人工光合途徑，科研人員想到了“光能—電能—化學(xué)能”的能量轉(zhuǎn)變方式。研究人員首先通過(guò)光伏發(fā)電將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄟ^(guò)光伏電水解產(chǎn)生氫氣;然后通過(guò)催化利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇，將電能轉(zhuǎn)化為甲醇中儲(chǔ)存的化學(xué)能，該過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化效率超過(guò)10%，遠(yuǎn)超光合作用的能量利用效率。

甲醇儲(chǔ)存了來(lái)自太陽(yáng)能的能量，但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命過(guò)程。于是，科研人員又利用合成生物學(xué)的思路，從海量的生物化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)中設(shè)計(jì)出了一條僅包含10步主反應(yīng)的從甲醇到淀粉的人工路線。

為將設(shè)計(jì)藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，科研人員還挖掘與改造了來(lái)自動(dòng)物、植物、微生物等31個(gè)不同物種的62個(gè)生物酶催化劑，最終優(yōu)中選優(yōu)，使用10個(gè)酶逐步將一碳的甲醇轉(zhuǎn)化為三碳的二羥基丙酮，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為六碳的磷酸葡萄糖，最終合成了直鏈和支鏈淀粉。

具體來(lái)看，研究者創(chuàng)建的新路線是通過(guò)“搭積木”的方式建立的。他們整合了化學(xué)和生物的催化模塊，以生物技術(shù)創(chuàng)新的方式利用了高密度能量和高濃度二氧化碳。研究人員解決了底物競(jìng)爭(zhēng)、產(chǎn)物抑制和熱力學(xué)適應(yīng)等問題，使用空間和時(shí)間分隔，系統(tǒng)地優(yōu)化了這種混合系統(tǒng)。

按照目前的技術(shù)參數(shù)，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(dāng)于5畝土地的玉米淀粉年平均產(chǎn)量，為淀粉生產(chǎn)的車間制造替代農(nóng)業(yè)種植提供了一種可能。此外，根據(jù)報(bào)道，其效率也比較高，自然界合成淀粉的效率約為2%（玉米），而工業(yè)合成效率可以達(dá)到10%以上。

任重而道遠(yuǎn)

盡管在科研上，從二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)已經(jīng)取得突破性進(jìn)展，但想要實(shí)際應(yīng)用，依然還有不少問題需要解決：

第一，合成實(shí)驗(yàn)是酶化學(xué)，不是全化學(xué)合成。酶既昂貴，反應(yīng)條件又異?？量?，反應(yīng)溫度調(diào)整一兩攝氏度所造成的結(jié)果是十分懸殊的。如果是全化學(xué)合成，或許可以通過(guò)加大投料、提高反應(yīng)溫度和反應(yīng)裝置壓力等方式提高反應(yīng)速率，但酶化學(xué)反應(yīng)變動(dòng)幅度大。

第二，反應(yīng)需要二氧化碳和氫氣。氫氣在當(dāng)前很貴且存在儲(chǔ)運(yùn)難度，大規(guī)模應(yīng)用的階段必須解決氫氣來(lái)源問題。

第三，反應(yīng)所需的“充足能源”基本很難實(shí)現(xiàn)。根據(jù)科研結(jié)果中1立方米反應(yīng)器相當(dāng)于5畝玉米田淀粉產(chǎn)量的數(shù)據(jù)，能量消耗應(yīng)該不小。目前，用這項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)淀粉的總成本遠(yuǎn)高于通過(guò)農(nóng)作物生產(chǎn)同樣多的淀粉。

總之，目前這一成果尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的距離。據(jù)介紹，科研人員正在針對(duì)工業(yè)化的問題進(jìn)行攻關(guān)，比如解決酶的穩(wěn)定性、活力、成本等問題，探索多條技術(shù)路線等，預(yù)計(jì)未來(lái)5到10年能夠建立起工業(yè)化示范裝置。

技術(shù)背后意味著什么？寫就這篇科研論文的第一作者蔡韜解釋，該成果為從二氧化碳到淀粉生產(chǎn)的工業(yè)車間制造打開了一扇窗。有了人工工業(yè)合成淀粉的能力，糧食問題、耕地、生態(tài)以及氣候問題都可以得到很好的解決。

秋收已經(jīng)結(jié)束，農(nóng)民豐收節(jié)也已落幕，我們不約而同地想起袁老，或許正是因?yàn)閭鹘y(tǒng)農(nóng)業(yè)的生生不息和沉甸甸的豐收喜悅，我們未曾忘記那些凝視風(fēng)雨和土地的人。如今，我們對(duì)馬老師團(tuán)隊(duì)同樣報(bào)以敬佩，認(rèn)同這一代大國(guó)工匠的堅(jiān)韌品質(zhì)以及在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)換擋升級(jí)中穿云破霧的思想力量。

“后續(xù)，研究團(tuán)隊(duì)還需要盡快實(shí)現(xiàn)從0到1的概念突破，以及從1到10、從10到100的轉(zhuǎn)換，最終真正成為解決人類發(fā)展中面臨的重大問題和需求的有效手段和工具?！敝锌圃焊痹洪L(zhǎng)周琪表示，中科院將凝聚相關(guān)科技力量，一如既往地支持該項(xiàng)研究深入推進(jìn)。

（編輯 宦菁 huanjing0511@sohu.com）