人工合成淀粉将推动人类文明进程吗?

编辑:北京科技报社 文章类型:科学 发布于2021-10-02 15:49:52 共413人阅读
文章导读 中国科学院天津工业生物技术研究所科研团队经过6年探索,在实验室里首次实现了淀粉分子的人工合成。这一结果于9月24日凌晨在线发表于美国《科学》杂志。……

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中国科学院天津工业生物技术研究所科研团队经过6年探索,在实验室里首次实现了淀粉分子的人工合成。这一结果于9月24日凌晨在线发表于美国《科学》杂志。

撰文/ 张田勘(专栏作者) 编辑/吉菁菁

新媒体编辑/李云凤

人工淀粉的合成是一个典型的从0到1的原创性突破。如果这一研究结果能进入成熟的商业化生产,将对未来的农业领域,特别是粮食生产带来革命性的影响,且对全球生物制造产业的发展具有里程碑式的意义,还可能加速推动人类文明发展的进程。


(图片来源:视觉中国)

人类从原始文明起步,到迄今的农业文明、工业文明,并正在向工业文明发展的较高阶段——生态文明发展。工业文明虽然为人类提供了充足的食粮和财富,但同时也对地球资源和生态环境进行了过度索取。为满足人类与日俱增的需求的同时又保证可持续发展,需要一种优于农业文明和工业文明的手段。

淀粉在日常生活中随处可见,它既是粮食最主要的成分,也是重要的工业原料。烹饪调味料、护肤化妆品、杂志封面纸、胶囊外壳、棉纱纺织……无一不用到淀粉。全球以淀粉为原料的产品大约有3万多种,能够人工合成淀粉意味着可以把粮食生产从农业转换到工业生产,人工合成淀粉是以热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料,将低密度太阳能转化为高密度电/氢能作为能源,形成简单的碳氢化合物,然后再从碳氢化合物生物合成淀粉。显然,人工淀粉的生产是向生态文明的方向跨出了一大步,效率高,对环境污染少,对能源需求较少,而且还会利用温室气体——二氧化碳。

实验室初步测试显示,人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍。在充足能量供给的条件下,按照目前技术参数,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。

可能在50年后,2071年9月的某一天,生活在北京的一位女士想下单采买高筋面粉,生产车间合成人工淀粉只需比将直链淀粉的比例调高于支链淀粉,即可快速生产送货。那时的人们可能已经逐渐习惯了食用人工淀粉,后者口感和营养也与小麦面粉差不多,并且价格更低。同时,全国各地的城市也可能基本没有雾霾了,夏天也不热了,因为热电厂、钢铁厂和水泥厂等工业生产排放的高浓度二氧化碳都被用来生产人民的食粮了,天更蓝,水也更绿,人们的生活和生产方式也转变了。

另一方面,规模化的人工合成淀粉在解决人类的口粮问题后,也会促进人类文明的转移或与其他文明融合。当人类走向太空探索地外文明和拓展生存空间时,人工合成淀粉能最大程度地满足人类向太空探索的饮食需求,实际上也是在为人类文明形态的向外发展和与外星文明交流和融合提供基础和可能。

可能仍在50年后,2071年9月的某一天,中国西北某航天飞机发射站正一片忙碌,中国的神舟501正准备发射升空,准备飞向太阳系之外的另一个行星开普勒-62e进行探索,这颗行星和地球高度相似,这颗行星几乎被海洋覆盖,存在土壤和岩石表面,有着多云的天空,温暖潮湿的气候。因此,这是人类探索和接触地外生命的一个理想场所。

飞向开普勒-62e可能需要一年半载,在地面的准备中,在神舟501舱内,安装了5个1立方米的人工淀粉生成器,还有几个水生成器。保障在飞往开普勒-62e整个旅途中,航天员和研究人员不会缺食少水。这是人工合成淀粉获得普及并成为人们主要食粮之后,改变人类生活并推进人类文明发展和转换的一种理想应用场景。能否实现,可能需要长期的努力。

人工合成淀粉只是开了一个好头,从投入和产出来计算,只有当二氧化碳到淀粉合成的电能利用效率再提高数倍,淀粉合成的碳素转化速率再提高数十倍,才能与农业种植竞争。如此,也可以节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的负面影响。

▲中国科学院天津工业生物技术研究所蔡韬副研究员在实验室展示人工合成淀粉样品(9月16日摄)。新华社记者 金立旺 摄

现在人工合成淀粉至少需要10种酶,才能逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮,进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖,最后转化为淀粉,而且,这个过程涉及11步生化反应,因此,人工淀粉要成为比农业生产的小麦、大米、玉米等产品成本更低、产量相同和营养、口感更好的粮食产品,还需要在技术方面改进,而且,在产品生成后的加工上需要投入更多的工作。

人工合成淀粉以及类似发明,可能会加速人类文明的进程,但还有很长的路要走。


 
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