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你能不能想象，有一天，我們所食用的米飯、饅頭、包子，都不用從地里長(zhǎng)出來？我們?nèi)梭w需要的淀粉、糖，直接可以在車間里用空氣和水生產(chǎn)出來？ 今天，中國的科學(xué)家打開了一扇門。 繼上世紀(jì)60年代在世界上首次完成人工合成結(jié)晶牛胰島素之后，中國科學(xué)家又在人工合成淀粉方面取得重大顛覆性、原創(chuàng)性突破——國際上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成。 大家不要睡了，醒一醒，好好思考一下，這有可能是人類文明史上的一大步！ 當(dāng)初人類學(xué)會(huì)利用陽光和植物種地，收獲各種“淀粉”的時(shí)候，人類便跳出了野蠻和蒙昧，創(chuàng)造出了輝煌燦爛數(shù)千年的農(nóng)業(yè)文明，今天，中國的科學(xué)家不需要土壤，不需要種子，靠著二氧化碳和電憑空創(chuàng)造出了淀粉......這預(yù)示著什么樣的未來？ 讀修仙小說的朋友，應(yīng)當(dāng)熟悉以下設(shè)定： 修仙者靠消耗“靈石”生存，靈石就相當(dāng)于人類的糧食，靈石都是天生的，天地靈氣匯聚沉淀的，需要開采，用來消耗修煉，普通修士天天為了這些爭(zhēng)得頭破血流，但是某大能橫空出世，虛空造物，徒手一捏，天地靈氣匯集，頂級(jí)靈石就出現(xiàn)了，要多少有多少。 二氧化碳人工合成淀粉，差不多就是圣人虛空造物的感覺。 人類的科技和工業(yè)，就是要“奪天地之造化”，“自然創(chuàng)造的東西，人類也能創(chuàng)造”。 因?yàn)?，淀粉本身就是碳水化合物，自然界中二氧化碳到處都是，水也到處都是，但二氧化碳和水不能自己變成碳水化合物，變成淀粉，變成糖?/p> 淀粉是光合作用產(chǎn)生的：6CO2+6H2O=C6H12O6+6O2。 綠色植物在陽光照射下，將外界吸收來的二氧化碳和水分，在葉綠體內(nèi)，利用光能制造出以碳水化合物為主的有機(jī)物，并釋放出氧氣，光合作用首先產(chǎn)生葡萄糖，葡萄糖聚合成淀粉，淀粉被動(dòng)物吃下，再次轉(zhuǎn)化成能量，這是能量的轉(zhuǎn)化過程……我們這顆星球上的一切生命，都來自于太陽光這種能量。 二氧化碳和水在植物光合作用下變成碳水化合物，碳水化合物在被動(dòng)物吸收排泄后會(huì)變成二氧化碳和水……但這在自然界中是個(gè)比較長(zhǎng)的過程。 太陽光照在你身上，只會(huì)讓你發(fā)燙，不能給你提供動(dòng)力，但是太陽光照射玉米、紅薯、水稻一年半載，就能讓它們結(jié)出淀粉果實(shí)、塊莖，你把這些吃下去，你就有了可以驅(qū)動(dòng)的能量…… 二氧化碳對(duì)人體來說，沒有什么用，但把二氧化碳變成碳水化合物，那就是人體的能量。 學(xué)過中學(xué)物理的同學(xué)都知道“能量不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，只能轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)換”。 能量轉(zhuǎn)化的過程也是可逆的，但問題在于過程非常復(fù)雜、苛刻、損耗極大，你想要得到一種特殊的能量，就得付出想當(dāng)多的能量，如果想要工業(yè)化產(chǎn)出，就必須做到高效、低損、少步驟、輸出能量大于輸入能量。 你得盡可能把流程簡(jiǎn)單化，成本最小化，周期還得短。半年長(zhǎng)出水稻，你一周就能合成淀粉，你就碾壓了六千年的農(nóng)耕文明。
針對(duì)植物只能利用空氣中低濃度二氧化碳（0.04%）、低能量密度的太陽能（10 w/m2）、生長(zhǎng)周期長(zhǎng)（3-4個(gè)月）、天然淀粉合成途徑長(zhǎng)（大約60個(gè)步驟）、催化效率低（需要關(guān)鍵酶RuBisco）等關(guān)鍵問題，科研人員耦合化學(xué)催化與生物催化技術(shù)，充分發(fā)揮化學(xué)催化速度快與生物催化可合成復(fù)雜化合物的優(yōu)勢(shì)，從頭設(shè)計(jì)和構(gòu)建了從二氧化碳到淀粉合成只有11步反應(yīng)的人工途徑(Artificial Starch Anabolic Pathway, ASAP)，在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的全合成。 在充足能量供給的條件下，按照目前技術(shù)參數(shù)推算，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量，相當(dāng)于我國5畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量。 如果未來二氧化碳人工合成淀粉的系統(tǒng)過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)的生物基社會(huì)，提高人類糧食安全水平。同時(shí)，最新研究成果實(shí)現(xiàn)在無細(xì)胞系統(tǒng)中用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉的化學(xué)-生物法聯(lián)合的人工淀粉合成途徑(ASAP)，為推進(jìn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線提供一種新思路。 想象一下，有一天，不需要土壤，不需要植物，只靠二氧化碳和充足的電能，就能造出源源不斷的淀粉，且不說口味如何，這是所有生物體的生命之源啊，我們將徹底解決所有人和牲畜的吃飯問題。 當(dāng)然，這個(gè)成果還只是實(shí)驗(yàn)室條件下的成果，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)?；?，還需要很長(zhǎng)的一段路要走，特別是“充足的電能”……（令人念念不忘的那個(gè)“托卡馬克煉丹爐”）。 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的奧秘就在于工業(yè)化和規(guī)?；?，擁有現(xiàn)代化的農(nóng)田水利、工業(yè)化肥、食品制造的國家，對(duì)那些傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)文明，是降維打擊，你全家老小辛辛苦苦精耕細(xì)作幾年的成果，比不上人家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)一個(gè)季度的產(chǎn)量，你的糧食安全就會(huì)出問題，你的飯碗就端不穩(wěn)。 糧食安全，是國家安全的重要組成部分，把飯碗端穩(wěn)了，才不會(huì)受制于人。 當(dāng)自然的一切產(chǎn)物都能在工業(yè)化流水線上批量生產(chǎn)的時(shí)候，那就是“物質(zhì)極大豐富” 。 |
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