申鹏:夺天地之造化——人工合成淀粉

作者: 申鹏 日期: 2021-09-25 来源: 平原公子

  你能不能想象,有一天,我们所食用的米饭、馒头、包子,都不用从地里长出来?我们人体需要的淀粉、糖,直接可以在车间里用空气和水生产出来?

  今天,中国的科学家打开了一扇门。

  继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后,中国科学家又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成。

  大家不要睡了,醒一醒,好好思考一下,这有可能是人类文明史上的一大步!

  当初人类学会利用阳光和植物种地,收获各种“淀粉”的时候,人类便跳出了野蛮和蒙昧,创造出了辉煌灿烂数千年的农业文明,今天,中国的科学家不需要土壤,不需要种子,靠着二氧化碳和电凭空创造出了淀粉......这预示着什么样的未来?

  读修仙小说的朋友,应当熟悉以下设定:

  修仙者靠消耗“灵石”生存,灵石就相当于人类的粮食,灵石都是天生的,天地灵气汇聚沉淀的,需要开采,用来消耗修炼,普通修士天天为了这些争得头破血流,但是某大能横空出世,虚空造物,徒手一捏,天地灵气汇集,顶级灵石就出现了,要多少有多少。

  二氧化碳人工合成淀粉,差不多就是圣人虚空造物的感觉。

  (参拜各位造物大能)

  人类的科技和工业,就是要“夺天地之造化”,“自然创造的东西,人类也能创造”。

  因为,淀粉本身就是碳水化合物,自然界中二氧化碳到处都是,水也到处都是,但二氧化碳和水不能自己变成碳水化合物,变成淀粉,变成糖。

  淀粉是光合作用产生的:6CO2+6H2O=C6H12O6+6O2。

  绿色植物在阳光照射下,将外界吸收来的二氧化碳和水分,在叶绿体内,利用光能制造出以碳水化合物为主的有机物,并释放出氧气,光合作用首先产生葡萄糖,葡萄糖聚合成淀粉,淀粉被动物吃下,再次转化成能量,这是能量的转化过程……我们这颗星球上的一切生命,都来自于太阳光这种能量。

  二氧化碳和水在植物光合作用下变成碳水化合物,碳水化合物在被动物吸收排泄后会变成二氧化碳和水……但这在自然界中是个比较长的过程。

  太阳光照在你身上,只会让你发烫,不能给你提供动力,但是太阳光照射玉米、红薯、水稻一年半载,就能让它们结出淀粉果实、块茎,你把这些吃下去,你就有了可以驱动的能量……

  二氧化碳对人体来说,没有什么用,但把二氧化碳变成碳水化合物,那就是人体的能量。

  学过中学物理的同学都知道“能量不能被创造,也不能被消灭,只能转移、转换”。

  能量转化的过程也是可逆的,但问题在于过程非常复杂、苛刻、损耗极大,你想要得到一种特殊的能量,就得付出想当多的能量,如果想要工业化产出,就必须做到高效、低损、少步骤、输出能量大于输入能量。

  你得尽可能把流程简单化,成本最小化,周期还得短。半年长出水稻,你一周就能合成淀粉,你就碾压了六千年的农耕文明。

  人工合成淀粉整体设计思路是将热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料。将低密度太阳能转化为高密度电/氢能作为能源,形成简单的碳氢化合物。然后设计出从碳氢化合物到淀粉的生物合成过程。生物合成过程大致是先做化学反应——利用高密度电/氢能将二氧化碳还原为碳一化合物。再做生物反应——将碳一化合物聚合为碳三化合物、碳六化合物(即葡萄糖) 直至长链淀粉分子。

  针对植物只能利用空气中低浓度二氧化碳(0.04%)、低能量密度的太阳能(10 w/m2)、生长周期长(3-4个月)、天然淀粉合成途径长(大约60个步骤)、催化效率低(需要关键酶RuBisco)等关键问题,科研人员耦合化学催化与生物催化技术,充分发挥化学催化速度快与生物催化可合成复杂化合物的优势,从头设计和构建了从二氧化碳到淀粉合成只有11步反应的人工途径(Artificial Starch Anabolic Pathway, ASAP),在实验室中首次实现了从二氧化碳到淀粉的全合成

  在充足能量供给的条件下,按照目前技术参数推算,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量,相当于我国5亩土地玉米种植的平均年产量。

  如果未来二氧化碳人工合成淀粉的系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性,将会节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的负面影响,推动形成可持续的生物基社会,提高人类粮食安全水平。同时,最新研究成果实现在无细胞系统中用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的化学-生物法联合的人工淀粉合成途径(ASAP),为推进“碳达峰”和“碳中和”目标实现的技术路线提供一种新思路。

  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电能,就能造出源源不断的淀粉,且不说口味如何,这是所有生物体的生命之源啊,我们将彻底解决所有人和牲畜的吃饭问题。

  当然,这个成果还只是实验室条件下的成果,要实现工业化规模化,还需要很长的一段路要走,特别是“充足的电能”……(令人念念不忘的那个“托卡马克炼丹炉”)。

  现代农业的奥秘就在于工业化和规模化,拥有现代化的农田水利、工业化肥、食品制造的国家,对那些传统农业文明,是降维打击,你全家老小辛辛苦苦精耕细作几年的成果,比不上人家现代农业一个季度的产量,你的粮食安全就会出问题,你的饭碗就端不稳。

  粮食安全,是国家安全的重要组成部分,把饭碗端稳了,才不会受制于人。

  当自然的一切产物都能在工业化流水线上批量生产的时候,那就是“物质极大丰富” 。

  天天讲“星辰大海”,这就是星辰大海啊,每一步都是。

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