2021年9月23日，中國(guó)科學(xué)院召開了本年度首次新聞發(fā)布會(huì)。

這場(chǎng)充滿著匆忙意味的發(fā)布會(huì)，只為了宣布一件事情——中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所完成不依賴植物光合作用，直接使用二氧化碳與氫氣作為材料合成淀粉。

這項(xiàng)技術(shù)的成功意味著，我們可以直接將電能轉(zhuǎn)化成人類可以吸收的化學(xué)能，對(duì)解決中國(guó)糧食供應(yīng)問題，以及太空、深海等地區(qū)食物供應(yīng)問題有著非常重大的意義。

中科院對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)評(píng)價(jià)如下：

繼上世紀(jì)60年代在世界上首次人工合成結(jié)晶牛胰島素之后，中國(guó)科學(xué)家又在人工合成淀粉方面取得了重大顛覆性、原創(chuàng)性突破——國(guó)際上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成。

為什么要人工合成淀粉

二氧化碳和水在陽光的作用下合成淀粉，這個(gè)反應(yīng)在自然界并不少見。

只要有一個(gè)花盆，種植一顆綠色植物，就可以以最低的代價(jià)完成這項(xiàng)反應(yīng)——光合作用。

但是植物的光合作用有著兩項(xiàng)先天劣勢(shì)：

1.植物光合作用效率多在0.3%~0.5%之間，只有極少數(shù)物種能夠達(dá)到1%；并且植物光合作用產(chǎn)生的能量大部分都被植物本身消耗，合成的可收集淀粉數(shù)量極少，一般來講一畝地的收成才夠一個(gè)人一年的消耗。

2.植物生長(zhǎng)對(duì)土地、水分、光照等要求高，并且培養(yǎng)周期長(zhǎng)；這也是為何古代中國(guó)規(guī)劃了龐大的漕運(yùn)體系，就為了老百姓能吃上一口飯。

之前的科學(xué)研究已經(jīng)證明，我們可以利用催化劑促進(jìn)氫氣與二氧化碳合成甲醇，再將甲醇轉(zhuǎn)化為淀粉，而氫氣可以通過光伏轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電能電解水獲得。

從原理上來講，如果可以將上述過程工業(yè)化，就能夠直接完成電能到人類所需碳水化合物的轉(zhuǎn)換過程，對(duì)人類整體文明水平都有著不小的提升。

至少不至于在火星上還得種土豆

如何合成人工淀粉

這整個(gè)實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)有兩個(gè)就在于：1.如何找到能夠促進(jìn)氫氣與二氧化碳合成甲醇的高效催化劑；2.如何通過甲醇直接合成淀粉？

氫氣與二氧化碳合成甲醇的技術(shù)，世界上有不少實(shí)驗(yàn)室在做，但是無一不卡在了轉(zhuǎn)換效率這個(gè)門檻上。

這也是二氧化碳合成甲醇，不過因?yàn)樾实拖?，主要角度還是廢氣治理

而根據(jù)天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在《科學(xué)》期刊上發(fā)表的文章顯示：目前所里已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中，完成了通過太陽能板產(chǎn)生電能——電解水產(chǎn)生氫氣——使用催化劑將氫氣與二氧化碳轉(zhuǎn)換為甲醇的實(shí)驗(yàn)。

這整個(gè)過程能量轉(zhuǎn)化效率超過10%，遠(yuǎn)超光合作用對(duì)陽光的能量利用率，在世界范圍內(nèi)也是頂尖水平。

冰島的合成甲醇工廠

而這項(xiàng)成果之所以能稱得上是“人工合成牛胰島素之后的又一大成就”，就在于中科院的科研人員解決了甲醇合成淀粉的難題。

在自然界，甲醇作為一種有毒物質(zhì)，很難被生物直接利用，自然也不存在甲醇合成淀粉的生命過程。

所以人工設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程的難點(diǎn)就在于設(shè)計(jì)出一種原本并不存在的酶催化劑，完成甲醇——淀粉的轉(zhuǎn)換。

中科院的科研人員采取了廣撒網(wǎng)、深挖掘的研究方法，從動(dòng)植物、微生物等31個(gè)物種中提取了62種不同的生物酶催化劑，橫向?qū)Ρ?，去劣存?yōu)，最終探索出一條使用十個(gè)不同的酶催化劑逐步將甲醇轉(zhuǎn)化為淀粉。

整個(gè)合成過程歷時(shí)11步，是同等條件下玉米合成淀粉速度的8.5倍，并且對(duì)生產(chǎn)場(chǎng)地需求較低，按照論文第一作者、中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員蔡韜的說法：該實(shí)驗(yàn)向設(shè)計(jì)自然、超越自然目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)了一大步。

人工淀粉的廣闊用途

目前，人類通過大量種植農(nóng)業(yè)作物的方式固化太陽能，生成生存與工業(yè)所需的各種淀粉資源。

但是，實(shí)際上農(nóng)作物合成淀粉效率極低，在玉米等作物中，合成淀粉需要經(jīng)過60多復(fù)雜的代謝反應(yīng)和生理調(diào)節(jié)，這是的玉米的太陽能轉(zhuǎn)化率僅有2%不到。

人工淀粉合成方法一方面簡(jiǎn)化了這個(gè)過程，而另一方面目前中科院太陽能——淀粉的能量轉(zhuǎn)換效率在10%以上。

清空下每平方米太陽能功率大約為14W，各地全體的日照輻射換算成標(biāo)準(zhǔn)日照大概在3~4小時(shí)，按照人類70W的平均功率來說，20平方米不到的光照面積就能供應(yīng)一個(gè)人一天所需的全部碳水化合物。

這可比種地簡(jiǎn)單多了

再者說，電力的來源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止太陽能這種低效的方式。

在水電站附近建設(shè)大型淀粉生產(chǎn)廠是一個(gè)目前看來呼之欲出的構(gòu)想。

大江大河在提供電能的同時(shí)，還有著豐富的水與水運(yùn)資源。

外加上中國(guó)西部地區(qū)原本就是能源豐富、糧食緊缺的狀態(tài)，這項(xiàng)技術(shù)的誕生，對(duì)于減輕糧食儲(chǔ)運(yùn)壓力，也有著深刻的意義。

總結(jié)

當(dāng)然，對(duì)于這種新興技術(shù)我們也不能一味地捧殺，我們還是需要認(rèn)識(shí)到中科院的這項(xiàng)技術(shù)目前還是處于實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)，低效率+高成本肯定是技術(shù)工業(yè)化前最難邁過去的兩道坎。

但是如同，法拉第被人問及發(fā)電機(jī)的作用時(shí)講的那句話一樣，“夫人，一個(gè)剛剛出生的嬰兒有什么作用呢？”

淀粉合成設(shè)備

現(xiàn)在人工淀粉合成技術(shù)在可以預(yù)見的十年之內(nèi)，依舊可能沒有辦法直接改變我們的世界。

但是，好歹我們把通向未來更加高級(jí)的能量轉(zhuǎn)換方法的大門打開了一條縫隙。

并且，我們可以自豪地講，這條縫隙是由我們中國(guó)人打開的。

中科院，牛！