二氧化碳合成淀粉是全球首创吗（科学汇二氧化碳人工合成淀粉）

钱江晚报·小时新闻记者 郑琳

最近，同学们一定在媒体上看到了一条大新闻——据人民日报报道，中国科学院天津工业生物技术研究所在《科学》杂志上发表论文称，他们已成功将二氧化碳人工合成为淀粉。

对此，有网友评论说：“完全看不懂，也想象不出二氧化碳和淀粉有啥关系？难道意思是我们呼吸时产生的二氧化碳可以被转化为淀粉？”

也有网友开玩笑讲：“这好比是，‘喝西北风’成真了，实在是太科幻！”

即便不可思议，但科学家们确实做到了。那他们是如何做到的？这项技术对人类来说又有什么样的意义？本期我们邀请杭州学军中学化学老师赵宇为我们解读二氧化碳变成淀粉的秘密。

人工光合作用：将60多个步骤“浓缩”到11个

先说说我国这个技术的突破性，有多大呢？相当于人类用了另一种方法完成了光合作用。

首先复习一下中学科学课中学过的光合作用的化学反应方程式——

6CO2 6H2O→C6H12O6 6O2

二氧化碳（CO2）和水（H2O），通过光照和叶绿体的作用，产生葡萄糖（C6H12O6）和氧气（O2）。

那么淀粉又是什么呢？实际上淀粉就是葡萄糖分子脱去一个水分子，聚合成长链的产物。游离的葡萄糖分子式以C6H12O6表示，脱水后葡萄糖单位则为C6H10O5，因此，淀粉分子可写成(C6H10O5)n，其中n为不定数。组成淀粉分子的结构单体（脱水葡萄糖单位）的数量称为聚合度。

葡萄糖和淀粉都是糖类，它们共同的特点，从分子式上看都是Cn(H2O)m这样的形式，也就是n个碳加m个水，所以说糖类通常又叫“碳水化合物”。

虽然光合作用的表达式看起来很简单，但如果仔细探索其中的过程，会发现其反应非常复杂，需要60多个步骤。

而我国科学家，不用生物细胞，单纯用工业的方式实现了二氧化碳到淀粉的合成。并且，大大缩短了自然光合作用的步骤，设计出一条只有11个步骤的“捷径”。

虽然他们的实验过程非常复杂，不过我们可以简单地拆分成几个步骤来理解——

首先把二氧化碳还原为甲醇（CH4O），这个步骤在国际上已经有很多突破性的研究。

接下来进入了生物酶促反应。实验人员从62种来自动植物和其他微生物的酶中，优选出了10种加以改造。通过这些优选改造出来的生物酶，将甲醇转换成三碳糖，继而又合成六碳糖（这已经是葡萄糖了），最后聚合成淀粉。

这10种酶促过程，就是本次突破的精华所在。最后合成的淀粉与植物生成的淀粉一样，并且这种合成淀粉还是可控的。甚至，其结构和链长都可以控制，这为以后批量工业化生产淀粉提供了一条通路。

一旦工业化，将能节省超90%的土地和淡水资源

上面讲到，淀粉其实也是一种糖类。

糖类是自然界中广泛分布的重要有机化合物。我们食用的蔗糖、粮食中就含有的淀粉。甚至植物体中的纤维素、人体血液中的葡萄糖也都属于糖类。糖类是一切生物体维持生命活动所需能量的主要来源。

大家都知道生物细胞的能源都是靠ATP提供的，而ATP的合成离不开糖类、脂类和氨基酸的三羧酸循环。简单地说， 当葡萄糖彻底氧化以后，会重新生成水和二氧化碳，并释放出能量，这相当于和光合作用相反的过程。这个过程中释放出的能量，就提供了我们肌肉收缩、神经的传导等等生理过程的能量。

此外，糖类能与蛋白质结合形成糖蛋白，在生命活动中发挥重要作用。糖类和免疫系统、血液凝固和生长也都有很大的关联。

那么，人工合成淀粉相比自然光合作用合成淀粉，效率如何呢？

这次实验合成的速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。按照目前的技术参数推算，在能量供给充足的条件下，1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩玉米种植的淀粉年平均产量。

所以，工业车间制造淀粉一旦成功，与农业种植相比，将有机会节省超过90%的土地和淡水资源，而且可以消除化肥和农药对环境的负面影响。这对提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展具有十分重大的意义。

“西北风”变成淀粉

火星移民不是梦

当我国科学家宣布二氧化碳成功合成淀粉的消息传遍全网，网友们纷纷调侃：“西北风”真的可以“喝”了！

虽说这是玩笑，但大家也很认真的询问：那么，这个技术的前景究竟怎样呢？

对此，我们也提出了一些猜想。

首先，如果该技术工业化成功，可以极大解决粮食问题。比如我国，耕地面积为19.179亿亩，我国的粮食问题一直备受重视。有了工业化的人工合成淀粉的技术，高山、峡谷、沙漠、冰原都可以有效的成为农业产地。

当然，以目前的技术，人工合成淀粉的成本还是要远远高于种玉米的。不过，这是在适宜生物生存的地球上而言，如果到太空里去呢？情况就完全不同了。因为，无论是空间站，还是月球或火星，要改造当地的自然条件，使人们能像电影《火星救援》一样在太空里种土豆，以目前的技术是根本做不到的。即便做到了，代价也非常巨大。

然而现在我们有了人工合成淀粉的技术，土豆不用种了，直接用空气就可以生产粮食！

比如，火星大气主要成分是二氧化碳，比例高达96%，这简直是个巨大的粮仓！

更何况，二氧化碳本身也是人体代谢产物，可以直接循环利用。

这里还涉及到能量问题。二氧化碳变成淀粉，是需要输入能量的。这个能量从哪里来呢？其实，这次我国科研团队采用的就是太阳能。在他们的论文中，用到了一个合作单位——中科院大连化物所的“液态阳光”技术。把太阳能变成液体燃料，提供合成淀粉的部分能源。

当然，真正实现量产还需要更多额外的能源。如何利用新能源技术解决这个问题，也是科学家们正在努力的方向。但是，我们距离火星移民，确实又近了一步！

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