人工合成淀粉

前两天我国中国科学院天津工业生物技术研究所的科学家们在Science上发表了一项重要的研究成果，首次从二氧化碳出发合成了淀粉（以下简称人工合成淀粉或合成淀粉）。既然是首次，也就是说以前人们做不了这件事，这事在自然界是通过植物的光合作用完成的。有些网友说希望我讲讲这个话题，不过植物、太阳能、化学合成、固碳都不是我熟悉的领域，我只能站在生物学大领域的角度谈一谈，也不能保证说得对。

（一）研究的意义
这项研究的意义非常重大。我们知道地球上所有生命所需的能源归根结底都来自太阳光，但动物和真菌以及大部分的细菌都不会利用太阳光，只有植物和一些细菌（主要是蓝细菌）才能利用阳光的能量合成有机物，而我们动物只会把这些有机物氧化分解成二氧化碳和水等小分子。因此，在生态学上，植物是生产者，而我们是消费者，这是不是有点惭愧？现在如果我们也能从二氧化碳出发来合成糖类，那是不是意义很大？当然，这只是一种好玩的说法。实际上，这项研究在理论和技术上贡献都很大。比如，它并不是通过反复摸索试验最后侥幸成功的，而是先通过理论计算，找出候选途径，再去实验。虽然还是少不了摸索和试错，但计算显然起了非常大甚至是决定性的作用。其次，合成本身的技术对今后的研究也相当有价值。媒体的报道过于强调它潜在的应用价值，实际上它直接的贡献是理论和技术方面的，而应用还是比较远期的，现在还不好说。

（二）人工合成淀粉与光合作用的对比
光合作用是“光驱动的合成作用”的简称。光合作用分为光反应和暗反应。光反应这一步是通过叶绿素等色素吸收光子的能量来做两件事，一是获取高能量高活性的ATP；二是裂解水分子，放出氧气，并获得氢和电子（也就是还原力）。这一步的本质是把光能转变成了化学能，但这些化学能的存在形式是高活性，高反应性，不能长期储存，而暗反应那一步则是用这些化学能来固定二氧化碳，生成能够长期储存的化学能——糖类（葡萄糖和淀粉等）。显然，合成淀粉模拟的是暗反应这一步。
前两天看到一种说法，认为光合作用关键的是光反应，而合成淀粉的反应既没有利用太阳光的能源，也没有裂解水，也没有放出氧气，后面的固定二氧化碳以及合成淀粉还都得耗电，因此这项研究是蒙人的。这个说法看似有理，其实非常有失公允。暗反应也是光合作用中很重要的一步，怎么能当成无足轻重呢？而且涉及到光反应还有更重要的一个问题，就是我们下一节要讨论的能量转化效率的问题。

（三）光能转化的效率
既然这项技术是在模拟暗反应，那么有没有模拟光反应的技术呢？当然有了，那就是光伏发电啊。光伏发电一方面获得了电能，同时电能还可以分解水得到单质的氢和氧。你看这一步和植物的光反应是不是很像？而且，现在光伏发电的效率已经明显高于植物对阳光的利用。那么，我们用光伏发电，再用电能去驱动暗反应，生产有机物，岂不是很好？又怎么能叫蒙人呢？也就是说，人工光合作用的瓶颈其实并不在光反应，而是在暗反应。光伏发电有个短板是电能不好储存，合成淀粉恰恰能把电能变成化学能长期储存和运输。这项研究恰好在帮助人们突破这个瓶颈，这意义难道还不够大吗？
当然，所用电能也不局限于光伏发电，也可以是风电、水电、核电，总之只要成本合算就好。假如将来有了可控热核反应就更好。

（四）人工合成淀粉的应用前景
媒体报导的时候大多会着重于技术的应用，毕竟这一点容易牵动读者的神经，但是从目前看应用应该还是比较遥远的事。回想一下，大多数技术在应用之前不都是先有了汗牛充栋的论文吗？哪有开天辟地第一篇论文一出来就应用的？论文的作者在接受采访时说“从控制过程成本初步计算，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。因此，要想实现工业化生产，还需解决诸多的科技难题。”我觉得这个说法还是公允的。一方面是效率有待提高，另一方面还有其他的技术难题，比如设备的成本，就是说即使它的效率比农业高，但如果设备成本远远高于种子、化肥、农药、农机等等，那么还是不合算；另外，作物本身是0污染的（化肥农药农机有污染），那么这种合成反应除了产生淀粉还有没有其他有毒有害的副产物呢？凡此种种，都需要考虑。一项技术从诞生到应用，我们很难说从0到1更难，还是从1到10更难。但不论如何，人们已经完成了从0到1这一步。虽不应盲目乐观，但适度乐观展望一下还是可以的。

（五）合成食物
关于合成淀粉的应用，媒体讲的最多的是合成食物。然而，从应用的角度，合成食物可能会排得比较靠后。首先，食物的要求很高。农作物虽然生产效率不高，但它们是无毒无害的，农产品通常只需要碾米磨面这样的粗提就可以食用。而且，米糠、麦麸也无害，反而有益健康。可是，人工合成的淀粉就不一样了，很可能伴有有毒的副产物，这样提取的难度和成本就会很高。况且，人类也不需要吃纯淀粉。甚至，家畜家禽也不太需要吃纯淀粉。因此，合成淀粉应用的大头应该首先是作为工业原料。事实上，粮食产品很多也作为工业原料，比如说抗生素的发酵就要用掉大量的玉米淀粉、玉米油、玉米浆、豆油、豆饼等等；人们还用玉米淀粉来生产酒精作为汽车的能源等等。如果合成淀粉能够作为这些工业的原料，我们就能省下更多的耕地来种植人类食物和牲畜的饲料。另外，纤维素和淀粉的结构非常相似，都是多聚葡萄糖。如果能够合成纤维素，就可以生产纸张和布匹，也能节约森林并减少棉麻等纤维作物的种植。总之，我们不必太纠结合成淀粉的“能好怎”。
还有的媒体刻意提到中国人的主食是淀粉来彰显这项研究的意义，这个也大可不必。我国主食淀粉已然太多，应该减少，更不该添加纯淀粉。这项研究已经非常伟大的，不必找不合适的理由给它贴金。

（六）外星球移民
还有不少媒体讲到这项技术在移民外星球上的应用的，这个就属于畅想了。如果一个星球有光、二氧化碳和水，温度也合适，那就可以投放蓝细菌了。实际上，这样的星球很难找，而且我们除了月球也很难登上任何其他的星球，能不能合成淀粉有什么重要的呢？我还是那句话，地球上的南北极、青藏高原、撒哈拉沙漠都比外星球环境好，先把那些地方建成合成淀粉的基地再说外星球吧。

（七）农牧业与医学的工业化
跟工业相比，农牧业和医学这两个基于生物学的行业一直是发展非常滞后的。大趋势上，它们的未来也应该工业化，比如农牧业应该不局限于用植物来生产营养物质，而医学上用的器官和血液也应该不受限于人类供体，都应该能够工业化生产。那样，人类社会的结构会发生天翻地覆的改变。当然这个也属于远景的畅想了。

（八）固定二氧化碳
固碳这事我有点懒得讲，虽然它很热门。合成淀粉固然可以固碳，但淀粉大多不会囤着不用，一用又变成二氧化碳了。而且，目前固碳的声势很大程度是政治上的考量，常常偏离实际。这次的突破国内一片欢腾，外网好像动静不大（也许我眼拙，如果你看到很多报道请告诉我）。发在Science上的真材实料总也值得很多报道吧，假如是西方人做的研究或许会不一样。

最后想说这样两句话：
不要指望一项伟大的研究能够毕全功于一役，也不要因为一项研究不能毕全功于一役就否定它是伟大的研究，这就好比人类第一次发射火箭是一些伟大的成就，但它还远远不能把人类送上火星，后者需要无数伟大的研究串起来才行，但你总不能说发射火箭也算不了什么，反正也上不了火星。

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他摸了摸自己身體掏出一個鐵盒，打開後是一盒煙，他拿出一支點燃他吸了幾口後如釋負重的吐出煙霧後繼續說「雖然無人機前面走著小青仍然發出小心翼翼的堤防著她從包裡掏出三個紫色藥劑，她遞給我和小倩後她服下後說（這個可以預防空氣中有害物質與身體接受新環境適應，你們服下後我們繼續往前走）她緩慢繼續往前走，她不但觀測平板電腦中的無人機飛行狀態也開啟了許多安全防護系統我們跟著她走過走廊後準備壞完繼續往前走，我印象中我從其中一間辦公室出來沿著走廊到樓梯一切沒有什麼奇怪的發生，繼續往前走我們拐彎後仍然是一頭筆直且很長的走廊小青不是漫無目的的對每一間房間進行勘查而是根據之前預設來到一個玻璃門房間門口上面標示牌寫著28007號，公司名稱已經被拆除只剩餘一些殘留物，小青從包裡掏出一個金屬瓶子，把平板電腦遞給我後在雙手噴了一下。片刻間雙手被噴區域變成膠類手套她接過平板電腦後示意我們兩個都鬆開手後給我們雙手也噴了這個奇怪的東西後小青看了看我們倆後說（為了盡可能不打擾到這裡生靈我們不要大聲喧嘩，不要隨意挪動這裡的東西。不要留下或者帶走這裡的物品。我們只是過客，來過就走僅此而已，好嗎？）我和小倩互相看了看彼此後點點頭。小青看了看我們點點頭轉身敲了一下塵封已久的玻璃門等待片刻又敲了一下在敲了敲一下後小青低下頭嚴肅的說（打擾了，我們路過）小青走到門口推開右側的玻璃門，這家公司應該非常富有玻璃門有兩個人那麼高，非常氣派而玻璃門也非常厚重大氣給人一種非常安心可靠的感覺雖然是玻璃門外面卻看不見屋裡的一切小青打開一點縫隙後，一頓操作無人機利用縫隙率先進入屋內小青觀察後確定屋裡安全後我們打開門進入，進入後是一個半遮掩的造型牆用來遮擋公司和外界。在往裡走是一條盡頭黑暗的走廊看到那條走廊自己彷彿心被刺痛了一般，我們繼續往前走是一個超大的開放式辦公區現在已經滿目狼藉破舊不堪，小青環顧四周來到一塊空場操作後讓無人機落下我們的食物。此時無人機噴射出一些霧氣有一點香香無人機等候片刻吹出一陣風，小青看了看平板電腦後點點頭我們走到食物旁，此時地面突然慢慢的自然形成了一張長桌和一條長凳看的我都目瞪口呆了不會吧，不會吧，這麼先進的嘛？無人機噴射一點東西然後吹一下竟然可以形成桌子和凳子？我內心哇賽了一下，小倩坐了下來我剛剛準備提我們的食物被小青制止了，她搖搖頭後示意我坐下。此時無人機也停止了飛行在補充電量。我們三人坐好後看著遠處」......

他繼續抽了幾口煙說「此時小青拿著平板電腦繼續操作，我們的食物竟然開始緩慢向上提升，抵達桌子高度後出現屏幕顯示內部消毒釋放氣體且無害會與五分鐘後自動打開。我們看了看都感覺好神奇呀，小青看了看我跟小倩說（這個很輕的碳纖維材質也就500克重量，它可以重複使用目前通常用於國際航天航空領域範疇，這個是我們之前參加模擬演練每個人搭配裝置，裡面可以容納一個人半個月食物、水、日常用品和藥品以及營養康復等物品存儲。今天這個裡面東西主要是食物一餐三人份以及水和藥品和應急用品以及補充物品）我們從這裡看著遠處的摩天輪，突然有一個國感覺這裡和公寓看摩天輪有些相似之處。就在我們等待的時候小青說（這裡就是那個人的公司所在，這個就是他們總部辦公室神秘28層。我們外界喜歡叫它28樓曉聾堡。為什麼呢？這座大樓28層是不對外開放甚至是物業啊什麼部門，這個公司為了管理員工購買了10層做公司配套使用，也就是說他們公司員工一般不會離開這個大樓。據傳聞說有些員工離職後竟然發現外面的世界如此美妙。這裡全封閉化高壓管理模式，這裡只有剛剛開始運營前幾年對外開放後來說這裡發生了最大金融事件後這裡成為整個城市最神祕地方，我們沒有去電梯，電梯沒有26層至52層按鈕。並且樓梯有三個，一部是低層B6-25層。高層53層-99層。一部26層至52層。就是今天我們剛剛爬上來的，你們沒有發現這裡全封閉嗎？為什麼叫28樓曉聾堡呢。因為這個核心在28樓，曉是無人知曉的意思，沒有人知道這裡做什麼發生什麼，甚至這座大廈廢棄大家都不知道發生什麼，荒廢7年後才有探險者進入但手沒有什麼線索。聾是大家對這裡一無所知，只是知道老闆之前做城市貨運公司後了籌到了遊樂園高管和社會老大幾千萬然後消失從此以後大家對於這裡完全不知道更不要提這裡是否存在發生什麼。堡是城堡的意思，不要小看這個公司所屬樓層而這裡可以說是一個不折不扣的城堡一般人進不來裡面人不出去。可以說有人進來過那這個人可以出去吹牛相當於徒步從地球走到月球然後走回地球一樣。這裡神秘的封鎖性對於整個地區都是高度話題）小青剛剛講到這裡機器發出滴滴聲」。

他的煙灰已經將要掉落，他抬起手繼續抽的時候煙灰在半空中掉落地面玻璃頂面的煙灰讓我和他之間有了一層神秘的隔膜。他笑了笑繼續說「機器打開蓋子通過傳輸帶把食傳遞了出來三份熱熱的食物還有一杯熱湯和一份冰涼甜點，隨後機器自動關閉，我們吃著飯看著遠處此時我突然說（小青有沒有這樣一種可能，我裝一箱子你給的那個飽腹的藥品可以堅持一年不吃飯呢？）小青聽完笑了一聲說（你可能有些誤解我的意思，那個不能連續服用超過6片即一天三天維持兩天，這是最高值，期間必須使用食物來調整生體機能得以恢復正常。它更多作為野外求生應急藥品使用，例如你的計畫是一週可是第七天你們遭遇意外發生下暴雨、迷路等你們食物即將消耗完的前提下你們可以一天服下一個應急使用，不能單純使用它代替食物和水，它是一個日常維持超強混合藥片喔）我聽完點點頭後說（我以為有了它我可以獨自一人穿越沙漠不需要背負食物和水這樣會高效補充我的體能）小青聽完笑著搖搖頭。此時小倩突然說到（我聽說黑市上有一種非常神奇的東西出自一個國外實驗室但是這個東西價格非常昂貴且需要連續性使用據說有後遺症）我們聽到這裡互相看了看彼此就當小倩準備繼續說的時候突然小青指了指窗戶外面說（有沒有興趣做一件好玩的事情呀）我和小倩異口同聲的啊了一聲，小青繼續說（我們之前呆過的遊樂園，我們可以改造一下它）看著小青信心滿滿的樣子我有點迫切渴望她的想法，小倩說（那麽大的遊樂園，荒廢那麼久了，我們三人怎麼做啊？某種程度上說二次改造不亞於重建成本並且它的體量那麼大有些難度太大了吧）小倩講完大家陷入了沈思片刻間空氣變的異常安靜，大家低頭吃著東西」。