二氧化碳变淀粉算多大事儿？

　　给大伙转几则新闻标题，回顾一下当时的热闹景象。
　　我国首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成。
　　我国发明二氧化碳还原合成葡萄糖新方法。
　　我国实现二氧化碳到油脂的人工合成。
　　中国农科院实现从一氧化碳到蛋白质的合成。
　　技术细节且不提，先聊聊这算多大一事儿。
　　墒增定律与碳
　　在物理学众多定律中，墒增定律经常被人赋予极高的地位，因为它的另类表述非常符合普罗大众对未来的幻想：宇宙演化是一个从有序到无序的过程。
　　既然宇宙是从有序到无序，那么我想问问：最早的有序是从哪里来的？其实，按照现有的宇宙大爆炸模型，宇宙在诞生之初只是一锅粒子汤，非常的无序，后来粒子汤演化出恒星，恒星爆炸又产生了重元素，重元素形成了行星，行星上出现了生命，然后才有了你和我貌似是一个从无序变有序的过程。
　　如果我们从能量转化角度来看这一切就舒服多了。首先，宇宙炸开之后的粒子汤具备很高的能量，接着这群高能量的粒子慢慢变成了低能量状态，多余的能量用来把所谓的无序变有序。整个过程当然会有些反复，有序变无序时就释放能量，无序变有序时就消耗能量。
　　对地球生物来说，在有序无序转化过程中，碳元素是一个非常重要的角色。地球上的动物植物几乎可以算是太阳能驱动的，植物通过光合作用，把无机物的碳变成有机物的碳，把太阳能存了进去；然后动物把植物吃了，获取能量的同时，把一部分有机物碳变回无机物碳，另一部分碳则继续各种转化，变成蛋白质、油脂等，最终通过呼吸作用、死亡腐败等不同途径变回二氧化碳。
　　从整个过程来看，碳就是一种能量载体，积累能量变成碳链，释放能量变回二氧化碳，生命就在这种循环中诞生、逝去。
　　不过，这一套流程的效率不太高。首先植物利用太阳光的效率不到1，接着，动物每吃一轮，能量损失80～90，比如一头牛吃的青草含有100的能量，其中只有10～20积累到牛身上，然后我们再把这头牛吃了，最终只能获得1～4的能量。
　　那么问题来了，地球上接受太阳能的面积是恒定的，这些能量扣掉大气环流、水汽蒸发、地球热辐射等等基本开支，剩下的能量再经过动植物层层盘剥，最终能养活的人类数量也就有了上限。
　　所以，从长远来看，人类想要更高的发展，迟早得跳出食物链那种你吃我、我吃你的模式。
　　至于怎么跳嘛，这里有两条思路：其一，通过基因工程把人改造成能量利用率更高的生物，这路子太野，先放放；其二，采用效率更高的方式合成食物，这路子看着就靠谱多了，就它了。
　　之前我提过一个说法：纯天然的东西虽然不差，但往往不是最好的，只要人类搞清楚了微观机理，几乎没有一种纯天然的东西能好过人工合成的。淀粉这事儿，咱就有眉目了。
　　淀粉的代价
　　全球每年生产30亿吨粮食，从成分上讲，其中20亿吨是淀粉。从二氧化碳到淀粉，天然合成的路径有60多个反应，所以效率就有点勉强，对太阳光的利用率只有0。7，因此，植物必须长时间、大面积接收太阳能，才能积累足够的能量。
　　换句话说，这30亿吨粮食消耗了大量土地、淡水资源以及100～150天左右的生长时间，这有多麻烦呢？
　　当前全球耕地总面积占陆地面积的10，剩下的90里，刨去南极、沙漠、高原、热带雨林等等，可耕种土地就剩20了，也就是说，地球上可耕种的土地里已经有三分之一在耕种了。听着似乎潜力还有不少，但实际上，人类发展本身也会不可避免占掉一些好土地，所以耕地面积并没有那么乐观。
　　退一步说，即便耕种土地面积还能再挤出一倍，可淡水是真不充裕了，目前的粮食生产消耗了70的淡水资源（注意，是淡水资源，不是淡水总量）。即便未来育种技术、肥料技术再上几个台阶，自然合成淀粉的理论效率只有2，这就算到顶了。
　　显然，就算一年365天都在种地，也不可能指望这2来彻底解决土地和淡水的问题，所以接下来的局面就很明朗了，提高淀粉合成的能量利用率，势在必行。
　　生物反应说到底就是一堆化学反应的组合，植物把二氧化碳合成淀粉有60多步反应，虽然能利用大气中稀薄的二氧化碳和能量密度并不高的太阳能，成本不高，但效率也不高，综合下来不算是最佳方案。
　　于是，中国科学家设计了一条全新的合成路径，整个过程只要11步反应。简单来说，就是利用氢气还原二氧化碳合成甲醇（只有1个碳原子），再用甲醇继续拼接出更多的碳链，直到最后的淀粉，从核磁分析和吸收光谱看，合成的淀粉与自然淀粉完全一致。
　　不过这里有个问题，氢气可不是白来的，也得花成本，假设我们用太阳能制氢来驱动整个反应的话，太阳能的利用率可以超过10，而且碳转化速率是自然界玉米淀粉合成的8。5倍。什么概念呢？一吨的反应罐年产淀粉相当于5亩玉米的产量。更可喜的是，研究人员表示，目前只是起步，未来能量转化效率和淀粉合成速率还能继续提高。
　　其实从经济层面讲，甲醇也是一个不错的工业原料，如果二氧化碳制甲醇利索的话，后面要不要合成淀粉并不着急。实际上，现在很多人都在想办法把二氧化碳变成各种工业原料，比如咱山上恰好有一僧，从事二氧化碳合成聚氨酯的工作，而且已经有产业化的趋势了。
　　不过从技术层面讲，找到一条比自然界更高效的淀粉合成路径，当然是更值得庆贺的事情。但是对生命来说，搞定一个淀粉是远远不够的，最好能把果蔬禽畜的所有成分都像工业品一样生产出来。眼下虽然做不到，这话却也不是天方夜谭。
　　这次人工合成淀粉的最大亮点是模块化，合成淀粉的过程很像是搭积木。淀粉分子有N个碳原子，但甲醇只有1个碳原子，科学家把1个碳拼接成N个碳的过程分成了几个模块，这就为将来拼接蛋白、油脂等其他物质提供了想象空间。
　　虽然现在我们也能用二氧化碳合成脂肪酸，但过程中要用微生物，不算纯粹意义上的人工合成，更像是一种发酵工艺，而合成淀粉则是单纯的化学法，每一步反应都清清楚楚。
　　不过，无论是发酵还是化学合成，都已经具备了工业化的曙光（只是曙光而已）。说得极端一点，农业可以升级为工业，农产品不再是地里长出来的，而是流水线上生产出来的。
　　这是不是意味着我们可以使劲糟蹋耕地了呢？
　　为时尚早
　　往远了看，别说是淀粉这点事，宇宙间所有规律都可以被认识并加以利用。从这个角度说，只要有了能量和元素，便可万事不愁，你可以用碳氢氧合成任何你想要的有机物。
　　从人类诞生到现在，一直干着把有机物变二氧化碳并获取能量的勾当，至于如何消耗能量把二氧化碳变回有机物这种费力气的事情很少有人考虑。也就是说，在人类的生产活动中，二氧化碳循环并没有形成闭环。那大气中的二氧化碳都去哪里了呢？
　　大气层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，再转化成别的形态，还有一部分溶于水中与岩石土壤反应，生成碳酸盐，地球上绝大部分碳原子就在碳酸岩中。这些途径每年吸收的二氧化碳总量是相对稳定的。
　　随着人类人类排放二氧化碳的增加，这种平衡就会被打破。且不说二氧化碳增加与地球变暖的关系吧，眼看着大气里的二氧化碳浓度不断上升，你能放心？可惜，二氧化碳是能量较低的一种碳形态，把二氧化碳变成别的任何东西，都要消耗能量，很难有经济性。
　　于是，我们就迎来了一道计算题。
　　已知，二氧化碳增加会导致人类付出代价，又知，处理二氧化碳会消耗能源，那么，二氧化碳增加到什么程度，人类付出的代价会超过处理二氧化碳的成本？
　　显然，这道题没有标准答案，大家各有各的想法。有人认为二氧化碳就是大忽悠，大家敞开了干，保证啥事儿没有；也有人认为世界末日说来就来，现在宁可饿死也不能呼出更多二氧化碳了。
　　咱们这边的策略相对理性，大力发展绿色能源（包括核能），先确保二氧化碳不再快速增加，然后徐徐图之。说个题外话，中国核能的发展快到有点让人意外，在这里本僧斗胆放个狠话：核聚变之前的能源革命，大概率会发生在中国。
　　等未来能源成本下降了，甚至再奢望一下，搞定了核聚变，那就可以考虑大规模处理二氧化碳了。不然的话，除非人类因为二氧化碳增加付出的代价已经超过了能源成本，否则是绝不会那么自觉的。其实，看看最近的欧洲就知道了，能源价格一涨，二氧化碳排放的事情就立马放一边了。
　　最后，咱们把心思放远一点，如果能熟练的利用二氧化碳合成各种有机物，别的不说，至少带地球去流浪的时候，我们再也不用吃蚯蚓干了。