中国技术,温室气体变粮食?

奇偶派

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· 9月27日

中国,在国际上首个实现二氧化碳人工合成淀粉。

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中国技术,温室气体变粮食?

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图片来源@视觉中国

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文丨奇偶派

我国科学家又搞事情了,让我们的有生之年系列再添“新成员”。

就在日前,中国科学院天津工业生物技术研究所在国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,并于北京时间9月24日将该成果发表在了国际学术期刊《科学》杂志上。

二氧化碳变淀粉?听起来像是个魔术,又有点魔幻,但它却是一项千真万确的科研成果,仿佛就是魔幻现实主义的真实写照。

淀粉是碳水化合物的一种储存形式,是人类饮食中能量的主要来源。如果这一成果能被实际应用,以后就算穷的只能喝西北风了,也管饱!

科技的日新月异给我们带来了太多的“活久见”,作为现代社会的第一生产力,科技的一次次创新突破极大的推动了社会的发展和人类的进步。

但一项科学技术想要产生变革性的影响,工业化是必经之路,而这需要科学、商业、社会等多个领域共同来完成,缺少任何一环都行不通。

我国由于科技发展较晚,曾一度远远落后,为了避免“落后挨打”,科学家们奋起直追,数十年如一日潜心科研,在短短的几十年间,取得了让世界刮目的成就。

二氧化碳到淀粉的从头合成这一原创性、颠覆性的突破,在国际上也引发了专家的热议。

对于我们大多数人来说,这一科研成果就像是把“不可能变成了可能”。那么这一超认知的过程到底是怎么实现的了?对我们未来的生活又会带来哪些影响呢?

中国原创性突破

众所周知,淀粉主要由农作物通过光合作用,将太阳光能、二氧化碳和水转化而成,这一过程涉及60余步的代谢反应和复杂的生理调控,对太阳能的理论利用效率不超过2%。

为了提高二氧化碳的转化速率和光能的利用效率,最终提升淀粉的生产效率,中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和带领团队,采用一种类似“搭积木”的方式,成功创制了一条利用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的人工路线,并在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。

图/利用二氧化碳经ASAP合成淀粉

人工淀粉代谢合成途径(ASAP)由11种核心反应组成,在一个具有时空隔离的化学酶系统中,在氢气的驱动下,ASAP以每毫克催化剂每分钟消耗22nmol的二氧化碳来合成淀粉。

图/人工淀粉合成途径的设计和模块组成

这一人工途径的淀粉合成将约60步的代谢反应缩短为11步,其合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,可谓是向设计自然、超越自然的目标迈进了一大步。

这看似短短的11步,却是“步步艰险”,马延和团队在这一项目研究过程中遇到了种种难题,但终究一一攻克并取得了重大突破。

“植物合成淀粉的机制非常复杂,但从化学本质上来看,还是还原、缩合、重排、聚合的过程。”天津工业生物所副研究员蔡韬说。

他介绍,在这一过程中主要实现了三大突破。从重新设计自然代谢途径开始,首先解决了途径计算设计中普遍存在的不适配难题,团队用计算机可以设计出很多条合成途径,通过各种模块的组装和适配,最终筛选出了符合条件的路径,跨越了从虚拟到现实的鸿沟,将自然淀粉复杂的合成过程简约至只有11步主要反应。

其次,突破了不同来源、不同遗传背景的生物酶之间热力学与动力学难以匹配的瓶颈,跨越了自然缓慢进化的鸿沟,超越了生物代谢途径亿万年的进化效果,淀粉合成速率大大提高。

最后,从二氧化碳到淀粉的人工合成克服了化学和生物协同催化的障碍,实现利用高密度的电氢能合成淀粉分子,跨越了生化反应能量传递的鸿沟,理论能量转化效率是玉米的3.5倍。

这当中最大的难题当属如何让不同来源的酶元件按照设计的路径在一起有效工作,研究团队为此测试了不同来源的酶元件,设计、改造了多个酶基因,做了上百种不同的组合测试。

得益于这些研究上的突破,二氧化碳到淀粉的碳转化速率和效率显著提升。按照目前技术参数推算,在能量供给充足的条件下,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩玉米的淀粉年平均产量(按我国玉米淀粉平均亩产量计算)。

这一成果不仅对未来农业生产特别是粮食生产具有革命性影响,而且对全球生物制造产业发展也有里程碑意义。

应用可能不远了

马延和说,这项研究不是自由探索的基础研究,而是需求导向、问题导向、目标导向的基础研究。也就是说,这项研究成果除了具有重要的科学意义,本身还具有很高的应用价值。

近年来,全球气候变化导致的极端天气频现,粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等问题也十分突出。为了应对这一系列的挑战,世界各国都在不断的寻求自救之法。

而二氧化碳到淀粉的人工合成技术的突破,为解决人类的生存危机提供了一条很有效的途径。因此,虽然这一科研成果从实验室到工业化应用还有很长的路要走,但必须走,路虽远,行者将至。

正如中科院副院长周琪所说,该成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有相当长的距离,后续还需要尽快实现从“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的转换,最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。

1831年,英国的法拉第发现了电磁感应现象,60多年后赫兹在实验中证实了电磁波的存在。如今看来,电磁波的发现,是"有线电通信"向"无线电通信"的转折点,也是整个移动通信的发源点。但在当时谁也无法想象这一实验室成果会对人类的生活带来翻天覆地的变化。

上个世纪三十年代,当第一部所谓的移动通讯电话诞生的时候,由于体积太大,研究人员只能把它放在实验室的架子上。

直到1985年,第一台现代意义上的可以商用的移动电话才诞生。

手机的出现之所以经历了漫长的发展过程,是由于电磁波的发现是基于自由探索的基础研究,对于它的应用方向一开始并不是完全明确的,支撑理论应用的硬件基础也还不够完善。

但在二氧化碳到淀粉的人工合成技术实现突破的今天,我们已经有了更加丰富的基础理论积累,硬件配套也变得足够完善。

最重要的在于,这是一项目标导向的基础研究,对于这一研究的应用方向足够明确,对于应用的需求也是十分的强烈。

如此看来,这一成果能否工业化,结果是肯定的,而且可能会来的很快。

那么,这一研究成果一旦应用到底能给我们带来哪些影响呢?

如何改变未来?

1)保障粮食安全

民以食为天,纵观历史,粮食是维系整个社会稳定的重要因素。

据联合国发布的报告显示,受蝗灾、疫情和极端天气产生的洪涝灾害等因素的影响,2020年全球新增1.3亿饥饿人口,全世界有6.9亿人正处于饥饿状态,共有25个国家面临严重饥饿风险,世界濒临至少50年来最严重的粮食危机。

俄罗斯、塞尔维亚、越南、哈萨克斯坦等国为确保本国的粮食安全均已经限制粮食出口。放眼全球的206个国家与地区中,也只有33个国家和地区能做到粮食自给自足。

粮食危机并非危言耸听。

淀粉作为人类饮食中能量的主要来源,我们可以利用合成的淀粉生产各种各样的材料和食品,因此,这项研究成果对于保障粮食安全举足轻重。

农作物的种植通常需要数月的周期,使用大量的土地、淡水、肥料等资源,对于自然环境变化的抗性也较差。

如果二氧化碳到淀粉的人工合成技术能够工业化,将使淀粉生产的传统农业种植模式向工业车间生产模式转变,淀粉的生产将不再受干旱等恶劣天气和自然灾害的影响,生产效率更是玉米淀粉合成速率的8.5倍,消除饥荒也指日可待。

即便是无法完全满足食物淀粉的需求,替代一部分粮食淀粉作为工业原料、饲料等也可极大的缓解农业压力。

2)改善环境

目前,我国土地化肥农药的使用量触目惊心,我国粮食产量占世界的16%,化肥用量占31%,每公顷用量是世界平均用量的4倍,过量的化肥很快被水冲到地下,影响土壤的营养平衡。

而我国每年180万吨的农药用量,有效利用率不足30%,多种农药造成了土壤污染,甚至使病虫害的免疫能力增强。不断加剧的农药使用,对于环境、农地粮食和食品残留带来非常严重的问题。

农业农村部部长韩长赋曾撰文指出,中国当前耕地过度利用、土壤污染,导致耕地质量的下降,正成为威胁中国粮食安全的另一个隐忧。

也就是说,土壤的污染会最终成为影响粮食安全的一个隐患,那么反过来,利用工业车间生产模式替代传统农业种植模式会减少土壤的利用,也会让土壤污染的情况得到改善。

如果未来二氧化碳合成淀粉的应用过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性,可节省超过90%的土地和淡水资源,化肥和农药对环境的污染问题也会迎刃而解。

节省的土地,还可用于退耕还林,扩大森林覆盖面积。森林是陆地生态系统中最大的碳库,森林碳汇在降低大气中温室气体浓度、减缓全球气候变暖中,具有十分重要的作用,也是短期实现“碳中和”目标的重要一环。

说到“碳中和”,二氧化碳合成淀粉为二氧化碳原料直接合成复杂分子开辟了新的技术路线,而这一技术路线又为推进“碳达峰”和“碳中和”目标的实现提供了一种新思路。

3)助力太空探索

自从人类将目光投向了宇宙,便再也没有停下过对于外太空的探索。“外星移民计划”也早已被提上了日程,二氧化碳合成淀粉,无疑是给这一畅想增加了一项技术保障。

火星、金星等星球的大气中都以二氧化碳为主,若能直接转化为淀粉,人类的主要能量供给问题便得到了解决。这将让人类长期开展星球探索,甚至星球移民变得更加容易。

虽然“外星移民计划”目前还只能在科幻电影中实现,但随着科技的发展,阻碍人类走向外太空的技术一一突破,人类终将征服星辰大海。

写在最后

我国科学家首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成,具有重要的科学意义和应用价值。

正如马延和所说,这一成果研究设计、组装出一种自然界不存在的淀粉合成代谢途径,并使其工作效率大幅高于自然生物过程,解决了生物功能从虚拟到现实、人工途径生物进化、生化反应能量传递等科学难题。

虽然从实验室到工业化应用还面临众多的科技挑战和经济性可行性问题,但孕育了巨大的产业变革新机。

对于把二氧化碳资源转变为食品、材料、化学品等绿色低碳产业发展将产生重大影响,对于保障粮食安全、改善生态环境、促进社会经济可持续发展具有重大战略性意义,同时也将为人类探索太空创造更多的可能性。

相较于这些深远宏大的影响,这种突破传统认知的变革,对人类的冲击力往往是巨大的。

对于普通人来说,可能更关心的是非自然生产食品的安全问题,即使二氧化碳合成淀粉从本质上来说与之前引起巨大争议的转基金食品并不相同。

新的技术诞生并不意味着就会扼杀人们的选择权,拥抱新的科技并不妨碍我们继续享受手中美味的玉米。

参考资料:

1.《领先全球!中国首发颠覆性成果:用CO2人工合成淀粉》科技日报

2.《我国科学家在合成生物学领域取得重大突破,系国际上首次实验室里“种”淀粉》中国科学院

3.《“从0到1”,我国用二氧化碳人工合成淀粉取得重大原创性突破》中国科学院

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