二氧化碳變淀粉：算多大事兒？

作者 :正文注明 2022-11-14 06:43:19 圍觀 : 次評論

作者：老和山下的小學僧
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給大伙轉幾則新聞標題，回顧一下當時的熱鬧景象。

我國首次實現二氧化碳到淀粉的從頭合成。

我國發明二氧化碳還原合成葡萄糖新方法。

我國實現二氧化碳到油脂的人工合成。

中國農科院實現從一氧化碳到蛋白質的合成。

技術細節且不提，先聊聊這算多大一事兒。

墑增定律與碳

在物理學眾多定律中，“墑增定律”經常被人賦予極高的地位，因為它的另類表述非常符合普羅大眾對未來的幻想：宇宙演化是一個從有序到無序的過程。

既然宇宙是從有序到無序，那么我想問問：最早的“有序”是從哪里來的？其實，按照現有的宇宙大爆炸模型，宇宙在誕生之初只是一鍋粒子湯，非常的“無序”，后來粒子湯演化出恒星，恒星爆炸又產生了重元素，重元素形成了行星，行星上出現了生命，然后才有了你和我……貌似是一個從無序變有序的過程。

如果我們從能量轉化角度來看這一切就舒服多了。首先，宇宙炸開之后的粒子湯具備很高的能量，接著這群高能量的粒子慢慢變成了低能量狀態，多余的能量用來把所謂的無序變有序。整個過程當然會有些反復，有序變無序時就釋放能量，無序變有序時就消耗能量。

對地球生物來說，在有序無序轉化過程中，碳元素是一個非常重要的角色。地球上的動物植物幾乎可以算是太陽能驅動的，植物通過光合作用，把無機物的碳變成有機物的碳，把太陽能存了進去；然后動物把植物吃了，獲取能量的同時，把一部分有機物碳變回無機物碳，另一部分碳則繼續各種轉化，變成蛋白質、油脂等，最終通過呼吸作用、死亡腐敗等不同途徑變回二氧化碳。

從整個過程來看，碳就是一種能量載體，積累能量變成碳鏈，釋放能量變回二氧化碳，生命就在這種循環中誕生、逝去。

不過，這一套流程的效率不太高。首先植物利用太陽光的效率不到1%，接著，動物每吃一輪，能量損失80%～90%，比如一頭牛吃的青草含有100的能量，其中只有10～20積累到牛身上，然后我們再把這頭牛吃了，最終只能獲得1～4的能量。

那么問題來了，地球上接受太陽能的面積是恒定的，這些能量扣掉大氣環流、水汽蒸發、地球熱輻射等等基本開支，剩下的能量再經過動植物層層盤剝，最終能養活的人類數量也就有了上限。

所以，從長遠來看，人類想要更高的發展，遲早得跳出食物鏈那種你吃我、我吃你的模式。

至于怎么跳嘛，這里有兩條思路：其一，通過基因工程把人改造成能量利用率更高的生物，這路子太野，先放放；其二，采用效率更高的方式合成食物，這路子看著就靠譜多了，就它了。

之前我提過一個說法：純天然的東西雖然不差，但往往不是最好的，只要人類搞清楚了微觀機理，幾乎沒有一種純天然的東西能好過人工合成的。淀粉這事兒，咱就有眉目了。

淀粉的代價

全球每年生產30億噸糧食，從成分上講，其中20億噸是淀粉。從二氧化碳到淀粉，天然合成的路徑有60多個反應，所以效率就有點勉強，對太陽光的利用率只有0.7%，因此，植物必須長時間、大面積接收太陽能，才能積累足夠的能量。

換句話說，這30億噸糧食消耗了大量土地、淡水資源以及100～150天左右的生長時間，這有多麻煩呢？

當前全球耕地總面積占陸地面積的10%，剩下的90%里，刨去南極、沙漠、高原、熱帶雨林等等，可耕種土地就剩20%了，也就是說，地球上可耕種的土地里已經有三分之一在耕種了。聽著似乎潛力還有不少，但實際上，人類發展本身也會不可避免占掉一些好土地，所以耕地面積并沒有那么樂觀。

退一步說，即便耕種土地面積還能再擠出一倍，可淡水是真不充裕了，目前的糧食生產消耗了70%的淡水資源（注意，是淡水資源，不是淡水總量）。即便未來育種技術、肥料技術再上幾個臺階，自然合成淀粉的理論效率只有2%，這就算到頂了。

顯然，就算一年365天都在種地，也不可能指望這2%來徹底解決土地和淡水的問題，所以接下來的局面就很明朗了，提高淀粉合成的能量利用率，勢在必行。

生物反應說到底就是一堆化學反應的組合，植物把二氧化碳合成淀粉有60多步反應，雖然能利用大氣中稀薄的二氧化碳和能量密度并不高的太陽能，成本不高，但效率也不高，綜合下來不算是最佳方案。

于是，中國科學家設計了一條全新的合成路徑，整個過程只要11步反應。簡單來說，就是利用氫氣還原二氧化碳合成甲醇（只有1個碳原子），再用甲醇繼續拼接出更多的碳鏈，直到最后的淀粉，從核磁分析和吸收光譜看，合成的淀粉與自然淀粉完全一致。

不過這里有個問題，氫氣可不是白來的，也得花成本，假設我們用太陽能制氫來驅動整個反應的話，太陽能的利用率可以超過10%，而且碳轉化速率是自然界玉米淀粉合成的8.5倍。什么概念呢？一噸的反應罐年產淀粉相當于5畝玉米的產量。更可喜的是，研究人員表示，目前只是起步，未來能量轉化效率和淀粉合成速率還能繼續提高。

其實從經濟層面講，甲醇也是一個不錯的工業原料，如果二氧化碳制甲醇利索的話，后面要不要合成淀粉并不著急。實際上，現在很多人都在想辦法把二氧化碳變成各種工業原料，比如咱山上恰好有一僧，從事二氧化碳合成聚氨酯的工作，而且已經有產業化的趨勢了。

不過從技術層面講，找到一條比自然界更高效的淀粉合成路徑，當然是更值得慶賀的事情。但是對生命來說，搞定一個淀粉是遠遠不夠的，最好能把果蔬禽畜的所有成分都像工業品一樣生產出來。眼下雖然做不到，這話卻也不是天方夜譚。

這次人工合成淀粉的最大亮點是模塊化，合成淀粉的過程很像是搭積木。淀粉分子有N個碳原子，但甲醇只有1個碳原子，科學家把1個碳拼接成N個碳的過程分成了幾個模塊，這就為將來拼接蛋白、油脂等其他物質提供了想象空間。

雖然現在我們也能用二氧化碳合成脂肪酸，但過程中要用微生物，不算純粹意義上的人工合成，更像是一種發酵工藝，而合成淀粉則是單純的化學法，每一步反應都清清楚楚。

不過，無論是發酵還是化學合成，都已經具備了工業化的曙光（只是曙光而已）。說得極端一點，農業可以升級為工業，農產品不再是地里長出來的，而是流水線上生產出來的。

這是不是意味著我們可以使勁糟蹋耕地了呢？

為時尚早

往遠了看，別說是淀粉這點事，宇宙間所有規律都可以被認識并加以利用。從這個角度說，只要有了能量和元素，便可萬事不愁，你可以用碳氫氧合成任何你想要的有機物。

從人類誕生到現在，一直干著“把有機物變二氧化碳并獲取能量”的勾當，至于“如何消耗能量把二氧化碳變回有機物”這種費力氣的事情很少有人考慮。也就是說，在人類的生產活動中，二氧化碳循環并沒有形成閉環。那大氣中的二氧化碳都去哪里了呢？

大氣層中的二氧化碳一部分靠植物光合作用消耗，一部分溶于海洋，再轉化成別的形態，還有一部分溶于水中與巖石土壤反應，生成碳酸鹽，地球上絕大部分碳原子就在碳酸巖中。這些途徑每年吸收的二氧化碳總量是相對穩定的。

隨著人類人類排放二氧化碳的增加，這種平衡就會被打破。且不說二氧化碳增加與地球變暖的關系吧，眼看著大氣里的二氧化碳濃度不斷上升，你能放心？可惜，二氧化碳是能量較低的一種碳形態，把二氧化碳變成別的任何東西，都要消耗能量，很難有經濟性。

于是，我們就迎來了一道計算題。

已知，二氧化碳增加會導致人類付出代價，又知，處理二氧化碳會消耗能源，那么，二氧化碳增加到什么程度，人類付出的代價會超過處理二氧化碳的成本？

顯然，這道題沒有標準答案，大家各有各的想法。有人認為二氧化碳就是大忽悠，大家敞開了干，保證啥事兒沒有；也有人認為世界末日說來就來，現在寧可餓死也不能呼出更多二氧化碳了。

咱們這邊的策略相對理性，大力發展綠色能源（包括核能），先確保二氧化碳不再快速增加，然后徐徐圖之。說個題外話，中國核能的發展快到有點讓人意外，在這里本僧斗膽放個狠話：核聚變之前的能源革命，大概率會發生在中國。

等未來能源成本下降了，甚至再奢望一下，搞定了核聚變，那就可以考慮大規模處理二氧化碳了。不然的話，除非人類因為二氧化碳增加付出的代價已經超過了能源成本，否則是絕不會那么自覺的。其實，看看最近的歐洲就知道了，能源價格一漲，二氧化碳排放的事情就立馬放一邊了。

最后，咱們把心思放遠一點，如果能熟練的利用二氧化碳合成各種有機物，別的不說，至少帶地球去流浪的時候，我們再也不用吃蚯蚓干了。

標簽多大淀粉事兒

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