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【菜鳥集運自提點香港】1立方米=5畝玉米產量,中國人工合成澱粉轟動全球,意義有多大?

2021-09-25  徐德文科...

作者:天涯愛科學

近日,中國科學院天津工業生物技術研究所在澱粉人工合成方面取得重大突破性進展,國際上首次在實驗室人工合成了澱粉,此項成果昨天在著名期刊《科學》雜誌發表。合成澱粉説是人類發展史上開天闢地的成就也不為過,筆者梳理一下整個事件,發現以下7個要點是最值得關注的:

中國科學院天津工業生物技術研究所蔡韜副研究員在實驗室展示人工合成澱粉樣品

一、合成澱粉六年磨一劍

事實上早在2018年7月24日,也就是三年多前,就已經第1次成功人工合成澱粉了。但是當時並沒有急於公佈,為慎重起見,天津工業生物技術研究所反覆安排不同的科研人員不斷重複實驗,不但確認了實驗的可重現性,而且還不斷提高了合成效率,在此後兩三年時間裏,將合成效率提高了150多倍。事實上這個項目早在2015年就開始了,在長達6年的冷板凳時光裏,這個平均年齡才30多歲的團隊始終沉得住、坐得穩,以“6年磨一劍”精神讓實驗數據無懈可擊,經得起一切科學檢驗。

二、合成速度遠超自然合成

自然條件下,植物合成澱粉經歷了數10億年的自然進化,才形成了澱粉合成的生理機制。在光合作用下,從二氧化碳到澱粉的生成,植物合成要經過60多步的代謝反應和複雜的生理調控,前後至少要經過100~120天時間(以玉米為例),而在實驗室條件下,合成步驟大幅減低到11步,時間僅需大概11天左右,人工合成澱粉的速率是玉米合成澱粉速率的8.5倍。

三、合成能效遠超自然合成

植物合成澱粉本質上是將太陽能轉化成化學能,這個過程之中,太陽能的理論利用效率不超過2%。人工合成澱粉的太陽能理論利用效率高達7%甚至是10%,理論能量轉化效率是玉米的3.5倍以上。

四、合成本質是精簡版光合作用

合成澱粉其實就是“光能—電能—化學能”的能量轉變方式。首先通過光伏發電將光能轉變為電能,然後電水解產生氫氣;然後通過催化劑利用氫氣將二氧化碳還原生成甲醇,將電能轉化為甲醇中儲存的化學能,最終合成了直鏈和支鏈澱粉。值得一提的是,經核磁共振等方法分析鑑定,合成的澱粉樣品無論成分還是理化性質,都和自然生產的澱粉一模一樣。而且不僅能合成易消化的支鏈澱粉,還能合成消化慢、升糖慢的直鏈澱粉。

五、合成過程依然是生物酶自然轉化

從報道中可知,雖然説是人工合成,但來自生物的自然因素還是在其中起到了關鍵的作用。報道中提到,在甲醇轉化為澱粉的過程之中,利用了“生物酶催化劑”。科研人員精心研究了動植物、微生物等31個不同物種的62個生物酶催化劑,反覆挑選比對,最終選出了10個生物酶。正是在這些生物酶的作用下,實驗室條件下甲醇轉化為澱粉才得以快速實現。而生物酶的生理機制更加複雜,估計在可預見的未來,還不能由人工合成。慶幸的是,這些生物酶人類目前還可以在生物多樣性的地球上提取到,只是未來,如果人類離開地球,又到哪裏去找這些生物酶呢?

六、合成產量1立方米=5畝玉米

從報道中可知,人工合成澱粉整個過程都是在一個生物反應器中進行的。在能量、原料供給充足的條件下,理論上1立方米反應器年產澱粉量相當於5畝玉米的澱粉平均年產量。未來如能工業化生產,不僅可以節約90%以上的耕地和淡水資源,還能夠避免農藥、化肥等對環境的負面影響,促進碳中和的生物經濟發展。這對人口爆炸性增長的地球來説,有着開天劈地的意義,人類社會以後或許能從根本上解決糧食安全、環境安全等諸多問題。

七、負排放拯救地球和人類

地球正在人類的額外碳排放中不斷變暖,阻止這一過程的任何努力目前都沒有看到實現的希望,根本原因就是所有這些努力都無法帶來正向的價值,比如把二氧化碳封存起來,或轉變為能源,都還無法達到產出大於投入。而澱粉是人類及很多生命的必須品,而且消耗量驚人,如果這項技術能達成量產,可以將大量的二氧化碳轉變食物,釋放更多的耕地成林地森林,存儲更多的碳,從而從根本上扭轉目前淨排放的格局,讓發燒的地球逐漸降温。

目前網絡上對這種技術的前景充滿了各種各樣的美好想象。筆者覺得,人工合成澱粉技術的實現,在給地球人帶來一系列美好的前景中,“星際移民”是一個切切實實完全可期的願望,當然,這還需要可控核聚變等方式來提供能源。

在過去的科幻小説中,所謂的星際航行無一不是建立在光速或超光速旅行的基礎上,然而目前已知的物理學還不支持這種方式。但如果解決了糧食和能源問題,人類就可以在一艘巨大的宇宙飛船中,經過數百代甚至數萬代繁衍生息後,到達另外一個系外甚至是河外星球。用時間換取空間,這將是“星際移民”最具可行性的途徑。 

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