2021年9月23日，中國科學(xué)院召開了本年度首次新聞發(fā)布會。
這場充滿著匆忙意味的發(fā)布會，只為了宣布一件事情——中國科學(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，對解決中國糧食供應(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。
中科院對于這項(xiàng)技術(shù)評價如下：
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。
二氧化碳和水在陽光的作用下合成淀粉，這個反應(yīng)在自然界并不少見。
只要有一個花盆，種植一顆綠色植物，就可以以最低的代價完成這項(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：
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人一年的消耗。
2.植物生長對土地、水分、光照等要求高，并且培養(yǎng)周期長；這也是為何古代中國規(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
這整個實(shí)驗(yàn)中的難點(diǎn)有兩個就在于：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)。
這整個過程能量轉(zhuǎn)化效率超過10%，遠(yuǎn)超光合作用對陽光的能量利用率，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，從動植物、微生物等31個物種中提取了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不同的酶催化劑逐步將甲醇轉(zhuǎn)化為淀粉。
整個合成過程歷時11步，是同等條件下玉米合成淀粉速度的8.5倍，并且對生產(chǎn)場地需求較低，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。
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化了這個過程，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，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)一個人一天所需的全部碳水化合物。
這可比種地簡單多了
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)廠是一個目前看來呼之欲出的構(gòu)想。
大江大河在提供電能的同時，還有著豐富的水與水運(yùn)資源。
外加上中國西部地區(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，對于減輕糧食儲運(yùn)壓力，也有著深刻的意義。
當(dāng)然，對于這種新興技術(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)的作用時講的那句話一樣，“夫人，一個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人打開的。
中科院，牛！
