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二氧化碳人工合成澱粉,這項技術能讓我們成功喝上“西北風”嗎

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發表時間:2021-10-01 12:25作者:鄭琳來源:錢江晚報·小時新聞

最近,同學們一定在媒體上看到了一條大新聞——據人民日報報道,中國科學院天津工業生物技術研究所在《科學》雜誌上發表論文稱,他們已成功將二氧化碳人工合成爲澱粉。

對此,有網友評論說:“完全看不懂,也想象不出二氧化碳和澱粉有啥關係?難道意思是我們呼吸時產生的二氧化碳可以被轉化爲澱粉?”

也有網友開玩笑講:“這好比是,‘喝西北風’成真了,實在是太科幻!”

即便不可思議,但科學家們確實做到了。那他們是如何做到的?這項技術對人類來說又有什麼樣的意義?本期我們邀請杭州學軍中學化學老師趙宇爲我們解讀二氧化碳變成澱粉的祕密。

人工光合作用:將60多個步驟“濃縮”到11個

先說說我國這個技術的突破性,有多大呢?相當於人類用了另一種方法完成了光合作用。

首先複習一下中學科學課中學過的光合作用的化學反應方程式——

6CO2+6H2OC6H12O6+6O2

二氧化碳(CO2)和水(H2O),通過光照和葉綠體的作用,產生葡萄糖(C6H12O6)和氧氣(O2)。

那麼澱粉又是什麼呢?實際上澱粉就是葡萄糖分子脫去一個水分子,聚合成長鏈的產物。遊離的葡萄糖分子式以C6H12O6表示,脫水後葡萄糖單位則爲C6H10O5,因此,澱粉分子可寫成(C6H10O5)n,其中n爲不定數。組成澱粉分子的結構單體(脫水葡萄糖單位)的數量稱爲聚合度。

葡萄糖和澱粉都是糖類,它們共同的特點,從分子式上看都是Cn(H2O)m這樣的形式,也就是n個碳加m個水,所以說糖類通常又叫“碳水化合物”。

雖然光合作用的表達式看起來很簡單,但如果仔細探索其中的過程,會發現其反應非常複雜,需要60多個步驟。

而我國科學家,不用生物細胞,單純用工業的方式實現了二氧化碳到澱粉的合成。並且,大大縮短了自然光合作用的步驟,設計出一條只有11個步驟的“捷徑”。

雖然他們的實驗過程非常複雜,不過我們可以簡單地拆分成幾個步驟來理解——

首先把二氧化碳還原爲甲醇(CH4O),這個步驟在國際上已經有很多突破性的研究。

接下來進入了生物酶促反應。實驗人員從62種來自動植物和其他微生物的酶中,優選出了10種加以改造。通過這些優選改造出來的生物酶,將甲醇轉換成三碳糖,繼而又合成六碳糖(這已經是葡萄糖了),最後聚合成澱粉。

這10種酶促過程,就是本次突破的精華所在。最後合成的澱粉與植物生成的澱粉一樣,並且這種合成澱粉還是可控的。甚至,其結構和鏈長都可以控制,這爲以後批量工業化生產澱粉提供了一條通路。

一旦工業化,將能節省超90%的土地和淡水資源

上面講到,澱粉其實也是一種糖類。

糖類是自然界中廣泛分佈的重要有機化合物。我們食用的蔗糖、糧食中就含有的澱粉。甚至植物體中的纖維素、人體血液中的葡萄糖也都屬於糖類。糖類是一切生物體維持生命活動所需能量的主要來源。

大家都知道生物細胞的能源都是靠ATP提供的,而ATP的合成離不開糖類、脂類和氨基酸的三羧酸循環。簡單地說, 當葡萄糖徹底氧化以後,會重新生成水和二氧化碳,並釋放出能量,這相當於和光合作用相反的過程。這個過程中釋放出的能量,就提供了我們肌肉收縮、神經的傳導等等生理過程的能量。

此外,糖類能與蛋白質結合形成糖蛋白,在生命活動中發揮重要作用。糖類和免疫系統、血液凝固和生長也都有很大的關聯。

那麼,人工合成澱粉相比自然光合作用合成澱粉,效率如何呢?

這次實驗合成的速率是玉米澱粉合成速率的8.5倍。按照目前的技術參數推算,在能量供給充足的條件下,1立方米大小的生物反應器年產澱粉量相當於5畝玉米種植的澱粉年平均產量。

所以,工業車間製造澱粉一旦成功,與農業種植相比,將有機會節省超過90%的土地和淡水資源,而且可以消除化肥和農藥對環境的負面影響。這對提高人類糧食安全水平,促進碳中和的生物經濟發展具有十分重大的意義。

“西北風”變成澱粉

火星移民不是夢

當我國科學家宣佈二氧化碳成功合成澱粉的消息傳遍全網,網友們紛紛調侃:“西北風”真的可以“喝”了!

雖說這是玩笑,但大家也很認真的詢問:那麼,這個技術的前景究竟怎樣呢?

對此,我們也提出了一些猜想。

首先,如果該技術工業化成功,可以極大解決糧食問題。比如我國,耕地面積爲19.179億畝,我國的糧食問題一直備受重視。有了工業化的人工合成澱粉的技術,高山、峽谷、沙漠、冰原都可以有效的成爲農業產地。

當然,以目前的技術,人工合成澱粉的成本還是要遠遠高於種玉米的。不過,這是在適宜生物生存的地球上而言,如果到太空裏去呢?情況就完全不同了。因爲,無論是空間站,還是月球或火星,要改造當地的自然條件,使人們能像電影《火星救援》一樣在太空裏種土豆,以目前的技術是根本做不到的。即便做到了,代價也非常巨大。

然而現在我們有了人工合成澱粉的技術,土豆不用種了,直接用空氣就可以生產糧食!

比如,火星大氣主要成分是二氧化碳,比例高達96%,這簡直是個巨大的糧倉!

更何況,二氧化碳本身也是人體代謝產物,可以直接循環利用。

這裏還涉及到能量問題。二氧化碳變成澱粉,是需要輸入能量的。這個能量從哪裏來呢?其實,這次我國科研團隊採用的就是太陽能。在他們的論文中,用到了一個合作單位——中科院大連化物所的“液態陽光”技術。把太陽能變成液體燃料,提供合成澱粉的部分能源。

當然,真正實現量產還需要更多額外的能源。如何利用新能源技術解決這個問題,也是科學家們正在努力的方向。但是,我們距離火星移民,確實又近了一步!