中國技術(shù)，溫室氣體變糧食？

我國科學(xué)家又搞事情了，讓我們的有生之年系列再添“新成員”。

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就在日前，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在國際上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成，并于北京時間9月24日將該成果發(fā)表在了國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。 禸嫆@唻洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ

二氧化碳變淀粉？聽起來像是個魔術(shù)，又有點(diǎn)魔幻，但它卻是一項(xiàng)千真萬確的科研成果，仿佛就是魔幻現(xiàn)實(shí)主義的真實(shí)寫照。

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淀粉是碳水化合物的一種儲存形式，是人類飲食中能量的主要來源。如果這一成果能被實(shí)際應(yīng)用，以后就算窮的只能喝西北風(fēng)了，也管飽！ 本+文+內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放（交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com

科技的日新月異給我們帶來了太多的“活久見”，作為現(xiàn)代社會的第一生產(chǎn)力，科技的一次次創(chuàng)新突破極大的推動了社會的發(fā)展和人類的進(jìn)步。

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但一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)想要產(chǎn)生變革性的影響，工業(yè)化是必經(jīng)之路，而這需要科學(xué)、商業(yè)、社會等多個領(lǐng)域共同來完成，缺少任何一環(huán)都行不通。 禸*嫆唻@洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ

我國由于科技發(fā)展較晚，曾一度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，為了避免“落后挨打”，科學(xué)家們奮起直追，數(shù)十年如一日潛心科研，在短短的幾十年間，取得了讓世界刮目的成就。

二氧化碳到淀粉的從頭合成這一原創(chuàng)性、顛覆性的突破，在國際上也引發(fā)了專家的熱議。 禸*嫆唻@洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ

對于我們大多數(shù)人來說，這一科研成果就像是把“不可能變成了可能”。那么這一超認(rèn)知的過程到底是怎么實(shí)現(xiàn)的了？對我們未來的生活又會帶來哪些影響呢？ 內(nèi).容.來.自：中`國*碳-排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fa ng.com

中國原創(chuàng)性突破 本+文+內(nèi).容.來.自：中`國`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com

眾所周知，淀粉主要由農(nóng)作物通過光合作用，將太陽光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化而成，這一過程涉及60余步的代謝反應(yīng)和復(fù)雜的生理調(diào)控，對太陽能的理論利用效率不超過2%。

為了提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化速率和光能的利用效率，最終提升淀粉的生產(chǎn)效率，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員馬延和帶領(lǐng)團(tuán)隊，采用一種類似“搭積木”的方式，成功創(chuàng)制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，并在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成。 本文+內(nèi)-容-來-自；中^國_碳+排.放_交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om

人工淀粉代謝合成途徑（ASAP）由11種核心反應(yīng)組成，在一個具有時空隔離的化學(xué)酶系統(tǒng)中，在氫氣的驅(qū)動下，ASAP以每毫克催化劑每分鐘消耗22nmol的二氧化碳來合成淀粉。

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這一人工途徑的淀粉合成將約60步的代謝反應(yīng)縮短為11步，其合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，可謂是向設(shè)計自然、超越自然的目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。 內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com

這看似短短的11步，卻是“步步艱險”，馬延和團(tuán)隊在這一項(xiàng)目研究過程中遇到了種種難題，但終究一一攻克并取得了重大突破。

“植物合成淀粉的機(jī)制非常復(fù)雜，但從化學(xué)本質(zhì)上來看，還是還原、縮合、重排、聚合的過程。”天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜說。 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ

他介紹，在這一過程中主要實(shí)現(xiàn)了三大突破。從重新設(shè)計自然代謝途徑開始，首先解決了途徑計算設(shè)計中普遍存在的不適配難題，團(tuán)隊用計算機(jī)可以設(shè)計出很多條合成途徑，通過各種模塊的組裝和適配，最終篩選出了符合條件的路徑，跨越了從虛擬到現(xiàn)實(shí)的鴻溝,將自然淀粉復(fù)雜的合成過程簡約至只有11步主要反應(yīng)。

其次，突破了不同來源、不同遺傳背景的生物酶之間熱力學(xué)與動力學(xué)難以匹配的瓶頸，跨越了自然緩慢進(jìn)化的鴻溝，超越了生物代謝途徑億萬年的進(jìn)化效果，淀粉合成速率大大提高。

最后，從二氧化碳到淀粉的人工合成克服了化學(xué)和生物協(xié)同催化的障礙，實(shí)現(xiàn)利用高密度的電氫能合成淀粉分子，跨越了生化反應(yīng)能量傳遞的鴻溝，理論能量轉(zhuǎn)化效率是玉米的3.5倍。 內(nèi).容.來.自：中`國*碳-排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fa ng.com

這當(dāng)中最大的難題當(dāng)屬如何讓不同來源的酶元件按照設(shè)計的路徑在一起有效工作，研究團(tuán)隊為此測試了不同來源的酶元件，設(shè)計、改造了多個酶基因，做了上百種不同的組合測試。 本`文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳排0放_交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om

得益于這些研究上的突破，二氧化碳到淀粉的碳轉(zhuǎn)化速率和效率顯著提升。按照目前技術(shù)參數(shù)推算，在能量供給充足的條件下，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5畝玉米的淀粉年平均產(chǎn)量（按我國玉米淀粉平均畝產(chǎn)量計算）。

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這一成果不僅對未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是糧食生產(chǎn)具有革命性影響，而且對全球生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展也有里程碑意義。

應(yīng)用可能不遠(yuǎn)了 本文@內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com

馬延和說，這項(xiàng)研究不是自由探索的基礎(chǔ)研究，而是需求導(dǎo)向、問題導(dǎo)向、目標(biāo)導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究。也就是說，這項(xiàng)研究成果除了具有重要的科學(xué)意義，本身還具有很高的應(yīng)用價值。

近年來，全球氣候變化導(dǎo)致的極端天氣頻現(xiàn)，糧食安全、能源資源短缺、生態(tài)環(huán)境污染等問題也十分突出。為了應(yīng)對這一系列的挑戰(zhàn)，世界各國都在不斷的尋求自救之法。 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m

而二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)的突破，為解決人類的生存危機(jī)提供了一條很有效的途徑。因此，雖然這一科研成果從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化應(yīng)用還有很長的路要走，但必須走，路雖遠(yuǎn)，行者將至。

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正如中科院副院長周琪所說，該成果目前尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)長的距離，后續(xù)還需要盡快實(shí)現(xiàn)從“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的轉(zhuǎn)換，最終真正成為解決人類發(fā)展面臨重大問題和需求的有效手段和工具。 本文+內(nèi)-容-來-自；中^國_碳+排.放_交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om

1831年，英國的法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，60多年后赫茲在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了電磁波的存在。如今看來，電磁波的發(fā)現(xiàn)，是"有線電通信"向"無線電通信"的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也是整個移動通信的發(fā)源點(diǎn)。但在當(dāng)時誰也無法想象這一實(shí)驗(yàn)室成果會對人類的生活帶來翻天覆地的變化。

上個世紀(jì)三十年代，當(dāng)?shù)谝徊克^的移動通訊電話誕生的時候，由于體積太大，研究人員只能把它放在實(shí)驗(yàn)室的架子上。 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com

直到1985年，第一臺現(xiàn)代意義上的可以商用的移動電話才誕生。

手機(jī)的出現(xiàn)之所以經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程，是由于電磁波的發(fā)現(xiàn)是基于自由探索的基礎(chǔ)研究，對于它的應(yīng)用方向一開始并不是完全明確的，支撐理論應(yīng)用的硬件基礎(chǔ)也還不夠完善。 本文`內(nèi)-容-來-自；中_國_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om

但在二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破的今天，我們已經(jīng)有了更加豐富的基礎(chǔ)理論積累，硬件配套也變得足夠完善。 本`文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳排0放_交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om

最重要的在于，這是一項(xiàng)目標(biāo)導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究，對于這一研究的應(yīng)用方向足夠明確，對于應(yīng)用的需求也是十分的強(qiáng)烈。

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如此看來，這一成果能否工業(yè)化，結(jié)果是肯定的，而且可能會來的很快。

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那么，這一研究成果一旦應(yīng)用到底能給我們帶來哪些影響呢？ 本`文@內(nèi)/容/來/自:中-國^碳-排-放^*交*易^網(wǎng)-tan pai fang. com

如何改變未來？ 本文`內(nèi)-容-來-自；中_國_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om

1）保障糧食安全

民以食為天，縱觀歷史，糧食是維系整個社會穩(wěn)定的重要因素。

據(jù)聯(lián)合國發(fā)布的報告顯示，受蝗災(zāi)、疫情和極端天氣產(chǎn)生的洪澇災(zāi)害等因素的影響，2020年全球新增1.3億饑餓人口，全世界有6.9億人正處于饑餓狀態(tài)，共有25個國家面臨嚴(yán)重饑餓風(fēng)險，世界瀕臨至少50年來最嚴(yán)重的糧食危機(jī)。

俄羅斯、塞爾維亞、越南、哈薩克斯坦等國為確保本國的糧食安全均已經(jīng)限制糧食出口。放眼全球的206個國家與地區(qū)中，也只有33個國家和地區(qū)能做到糧食自給自足。 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m

糧食危機(jī)并非危言聳聽。 禸嫆@唻洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ

淀粉作為人類飲食中能量的主要來源，我們可以利用合成的淀粉生產(chǎn)各種各樣的材料和食品，因此，這項(xiàng)研究成果對于保障糧食安全舉足輕重。

農(nóng)作物的種植通常需要數(shù)月的周期，使用大量的土地、淡水、肥料等資源，對于自然環(huán)境變化的抗性也較差。 本文@內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com

如果二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)能夠工業(yè)化，將使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，淀粉的生產(chǎn)將不再受干旱等惡劣天氣和自然災(zāi)害的影響，生產(chǎn)效率更是玉米淀粉合成速率的8.5倍，消除饑荒也指日可待。

即便是無法完全滿足食物淀粉的需求，替代一部分糧食淀粉作為工業(yè)原料、飼料等也可極大的緩解農(nóng)業(yè)壓力。

2）改善環(huán)境 本文`內(nèi)-容-來-自；中_國_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om

目前，我國土地化肥農(nóng)藥的使用量觸目驚心，我國糧食產(chǎn)量占世界的16%，化肥用量占31%，每公頃用量是世界平均用量的4倍，過量的化肥很快被水沖到地下，影響土壤的營養(yǎng)平衡。

而我國每年180萬噸的農(nóng)藥用量，有效利用率不足30%，多種農(nóng)藥造成了土壤污染，甚至使病蟲害的免疫能力增強(qiáng)。不斷加劇的農(nóng)藥使用，對于環(huán)境、農(nóng)地糧食和食品殘留帶來非常嚴(yán)重的問題。 本+文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部部長韓長賦曾撰文指出，中國當(dāng)前耕地過度利用、土壤污染，導(dǎo)致耕地質(zhì)量的下降，正成為威脅中國糧食安全的另一個隱憂。

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也就是說，土壤的污染會最終成為影響糧食安全的一個隱患，那么反過來，利用工業(yè)車間生產(chǎn)模式替代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式會減少土壤的利用，也會讓土壤污染的情況得到改善。 本+文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com

如果未來二氧化碳合成淀粉的應(yīng)用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，可節(jié)省超過90%的土地和淡水資源，化肥和農(nóng)藥對環(huán)境的污染問題也會迎刃而解。 禸嫆@唻洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ

節(jié)省的土地，還可用于退耕還林，擴(kuò)大森林覆蓋面積。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，森林碳匯在降低大氣中溫室氣體濃度、減緩全球氣候變暖中，具有十分重要的作用，也是短期實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要一環(huán)。

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說到“碳中和”，二氧化碳合成淀粉為二氧化碳原料直接合成復(fù)雜分子開辟了新的技術(shù)路線，而這一技術(shù)路線又為推進(jìn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了一種新思路。 本*文`內(nèi)/容/來/自:中-國-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m

3）助力太空探索 本`文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳排0放_交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om

自從人類將目光投向了宇宙，便再也沒有停下過對于外太空的探索。“外星移民計劃”也早已被提上了日程，二氧化碳合成淀粉，無疑是給這一暢想增加了一項(xiàng)技術(shù)保障。 本`文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳排0放_交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om

火星、金星等星球的大氣中都以二氧化碳為主，若能直接轉(zhuǎn)化為淀粉，人類的主要能量供給問題便得到了解決。這將讓人類長期開展星球探索，甚至星球移民變得更加容易。 本*文@內(nèi)-容-來-自；中_國_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om

雖然“外星移民計劃”目前還只能在科幻電影中實(shí)現(xiàn)，但隨著科技的發(fā)展，阻礙人類走向外太空的技術(shù)一一突破，人類終將征服星辰大海。

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寫在最后

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我國科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

正如馬延和所說，這一成果研究設(shè)計、組裝出一種自然界不存在的淀粉合成代謝途徑，并使其工作效率大幅高于自然生物過程，解決了生物功能從虛擬到現(xiàn)實(shí)、人工途徑生物進(jìn)化、生化反應(yīng)能量傳遞等科學(xué)難題。

雖然從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化應(yīng)用還面臨眾多的科技挑戰(zhàn)和經(jīng)濟(jì)性可行性問題，但孕育了巨大的產(chǎn)業(yè)變革新機(jī)。
 

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對于把二氧化碳資源轉(zhuǎn)變?yōu)槭称贰⒉牧?、化學(xué)品等綠色低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展將產(chǎn)生重大影響，對于保障糧食安全、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略性意義，同時也將為人類探索太空創(chuàng)造更多的可能性。 禸*嫆唻@洎：狆國湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ

相較于這些深遠(yuǎn)宏大的影響，這種突破傳統(tǒng)認(rèn)知的變革，對人類的沖擊力往往是巨大的。 本/文-內(nèi)/容/來/自:中-國-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com

對于普通人來說，可能更關(guān)心的是非自然生產(chǎn)食品的安全問題，即使二氧化碳合成淀粉從本質(zhì)上來說與之前引起巨大爭議的轉(zhuǎn)基金食品并不相同。

新的技術(shù)誕生并不意味著就會扼殺人們的選擇權(quán)，擁抱新的科技并不妨礙我們繼續(xù)享受手中美味的玉米。

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參考資料：

1.《領(lǐng)先全球！中國首發(fā)顛覆性成果：用CO2人工合成淀粉》科技日報 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ

2.《我國科學(xué)家在合成生物學(xué)領(lǐng)域取得重大突破，系國際上首次實(shí)驗(yàn)室里“種”淀粉》中國科學(xué)院

3.《“從0到1”，我國用二氧化碳人工合成淀粉取得重大原創(chuàng)性突破》中國科學(xué)院

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