人工合成淀粉实现,如果完成工业化,未来农业是否会因此消失?
地球上最重要的化学反应是哪一种?核裂变、核聚变、呼吸作用还是消耗作用?对于每一个人来说都有不同的答案,但植物的光合作用一定是大多数人心中的第一。
植物利用太阳的光照吸收二氧化碳,制造氧气,同时利用无机物合成有机物,让地球充满生机。淀粉就是其中最重要的产物之一,它在许多植物当中都存在。在过去几千年的时光里,我们都是通过农业种植植物来提取淀粉的,如果这个过程在未来被工业化取代,那农业会因此消失吗?
淀粉不只是一种食物,更是一种重要的工业原料。谁能掌握人工系统固定二氧化碳合成淀粉,那将是影响世界的科技。
就在近日,这一难题被我国科学家率先突破,成功地在实验室中实现了用二氧化碳人工合成淀粉的全过程,相关研究获得了国际期刊《科学》杂志的报道。今天我们就来聊聊关于它的故事!
淀粉合成
淀粉在人类扮演着重要的角色,其中含有碳、氢、氧三种元素,进入人体之后会被消化成葡萄糖,而葡萄糖在血液中与氧气结合会产生热量,我们身体中很大一部分热量都是来源于淀粉。
淀粉作为一种高分子碳水化合物,其形成过程相当复杂,生物体内合成需要数十个步骤才能完成。
而这次的人工合成淀粉,科研团队从头设计反应链,将该过程缩短到了11步,就能实现二氧化碳转变为淀粉分子的全合成。简单解释一下这次实验的原理,二氧化碳中存在1个C和2个O,经过催化、反应得到"碳一化合物"。
通过类似于堆积木的方式,把"碳一化合物"合成"碳三化合物"(相当于三个二氧化碳压缩成的化合物),紧接着按照同样的道理,在"碳三化合物"在搭一层积木,使其变为"碳六化合物"。
淀粉的化学式C6H10O5, "碳六化合物"分子式与其相近,在经过进一步催化、合成,就能将"碳六化合物"转变为淀粉了。
这不是第一次在实验室里合成淀粉,但是是第一次在实验室里,利用二氧化碳全过程合成淀粉,其价值足以获得诺贝尔奖。同时,最值得我们高兴的并不是合成了淀粉,而是淀粉合成路径的节减、高效。
提高淀粉生产效率
传统淀粉的生产,是通过农业种植的模式,大部分依靠玉米、马铃薯生产,想要提高效率,需要改良生物品种、扩大种植面积等等,是一件周期长、过程复杂、资源投入巨大的事。
而合成淀粉技术的应用,将会把淀粉生产从农业转变为工业化生产,这带来了 两个好处:
第一,生产效率提高了。根据马延和教授的介绍,这项技术合成淀粉的效率,是普通农业的8.5倍,这是最值得被关注的一点。根据推算,1立方米大小的生物反应器年产淀粉量,相当于5亩玉米地。
最新数据显示,我国玉米种植面积约6.4亿亩,如果全部换成生物反应器来制造淀粉,只需要1.28亿立方,按1平方x1米高来计算容器,只需要1.28亿平方,也就是1.92万亩,就能生产出原先6.4亿亩的玉米淀粉产量。
节约了3万倍的土地,这还只是横向的,如果纵向建立,那土地使用将再次压缩。土地使用效率、淀粉生产效率,都将得到质的提升。
第二,该技术解决了环境痛点。还有一点值得注意的是,该技术使用的是温室气体(CO₂ )来合成淀粉,可以用"变废为宝"来形容。首先,这可以解决温室效应问题,完成我国定下的碳中和目标。
其次,这项技术还能为星际远航提供技术帮助。在星际远航中,食物、水是重要的资源,携带数量有限,在航行过程中还会排出CO₂废气,消耗氧气。这次的技术的突破,完美解决了这两个问题,既解决了食物问题、又消耗了废气。
能否替代农业?
就目前的技术来看,仅仅只能在实验室阶段合成,只是走道处从0到1的一步,后面还需要从1到10,从10到100的转变过程,这是一个不断试错、改正,提高磨合度的过程。这个时间需要几年甚至数十年,在此期间是无法替代现代农业的。
其次,这项技术只能替代一部分淀粉农业,农业中还包括许多的分支,比如瓜果、蔬菜等等,这些都是现在的科技无法替代的。因此农业并不会消失,反而会催生新型的农业产业。
不过,当我们的技术达到科幻片中,利用粒子重组技术,直接创造出物品来,估计到时候农业也就消失了。不过这样的技术,或许还要等待几个世纪!