近期，中国科学院天津工业生物技术研究所 马延和团队 在 淀粉人工合成 方面取得突破性进展，在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成，相关成果于9月24日在国际顶尖学术期刊《科学》上发表。 这是新农深一度的第002篇文章，本期关注——人工合成淀粉。 资料来源：新华社、科技日报、中科院官网 作者：柒柒新农研究院 全文共 3680 字，阅读大约需要 15 分钟 当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染、土地种植面积短缺等一系列重大挑战，科技创新已成为关键因素。 想象一下，未来，我们不需要养殖，仅需要一颗动物身上的干细胞，就可以人工培育出一整块肉。五月份，法国细胞肉公司Gourmey就利用鹅的干细胞，成功培育出了鹅肝。 再想象一下，未来我们可以不依赖植物光合作用，以二氧化碳为原料，直接人工合成淀粉——这个貌似天方夜谭的想法，中国科学家历时6年多科研攻关，终于将它变成了现实。 什么？ 以二氧化碳为原料直接合成淀粉？ 没错！ （图源《科学》杂志官网） 毫不夸张地讲，这是一项比肩 杂交水稻 的技术，媒体称它为 诺贝尔奖级别 的大突破。 本期新农深一度，我们来聊聊近期轰动世界的一项科研成果——人工合成淀粉。 我们将从耕地、生态、能源、气候、粮食、太空移民等几个方面告诉您 这项技术的意义在哪里，又为何说它伟大 。 淀粉对人类的重要性 淀粉在日常生活中几乎随处可见，烹饪调味料、护肤化妆品、杂志封面纸、胶囊外壳、棉纱纺织……无一不用到淀粉。 淀粉也是人类生命活动的主要能源。 人体的主要供能物质是 糖 、脂肪、蛋白质， 淀粉 吃到肚子里后，会变成 葡萄糖 ，进入血液中，同吸进的氧气化合产生热量，供给人体肌肉和各器官，保证人体正常生活。 人类的三大主食为水稻、小麦、玉米，它们都含有较多的淀粉。 常吃的玉米、土豆、红薯等，从某种程度上说，其实也都是淀粉制造机器。 它们在阳光的照射下，在叶绿素的催化下，通过光合作用把空气中的二氧化碳和水，转化为淀粉、纤维素、氧气等。 可以说，人类 种植农作物的本质就是获取淀粉 。 人工合成淀粉的原理 在太阳光下，植物的叶绿体可以把二氧化碳和水合成淀粉，整个过程极其复杂，各种调控和和反应大概有 60 个步骤。 合成淀粉的实验方法另辟蹊径，仅需要 11 个步骤。 和植物合成淀粉相比，人工合成淀粉操作简单，工序少，速率快，转化率和利用率都得到了大幅度的改善，以前自然界合成淀粉时，对于光能的利用率不到2%，而这次的利用率 超过了10% 。 也就是说，研究人员靠着太阳能、电能加上二氧化碳和水，就可以自己制备出淀粉来。 简单示意如下： CO2 C1 （分子内1个碳原子的有机物） C3 C6 Cn（即淀粉） 这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的 8.5 倍。 人工合成淀粉的口感和外观 对于吃货来说，最关心的问题无非是能不能吃？安不安全？ 论文第一作者蔡韬回答：人工合成淀粉和标准天然淀粉对比，无论是吸收峰，还是核磁共振信号，都佐证了这种合成和天然淀粉 几乎一致 。 能吃！ 那么口感呢？ 马延和教授说：＂如果把人工合成淀粉做成面条、粉丝，大概会 像意大利面 那样劲道。＂ ＂在外观上，人工合成淀粉跟从玉米、薯类等农作物中提纯出来的淀粉看起来是一样的。＂蔡韬说，实验室里通过人工合成产生的淀粉处于溶解状态，＂是比较稀的淀粉 糊糊 ，干燥后会变成 粉状 ＂。 中国的耕地问题 淀粉并非稀缺资源。 想得到淀粉，最简单的方法是直接从玉米、薯类等农作物中提取。 那么，科研人员为什么还要费时费力地人工合成淀粉呢？ 这里我们不得不提一个人，那就是中国科学院天津工业生物所所长、研究员马延和教授。 马延和教授 科技日报记者对马延和教授进行了专访，问到为什么会选择＂从二氧化碳到淀粉的人工合成＂这个项目进行攻关。 马教授回答：粮食安全是国家安全的重要基础。 多么铿锵有力的一句话，这背后有一个无法忽视的事实。 我国的耕地面积为150多万平方千米,占国土面积的16%左右，也就是说，不到五分之一，剩下 五分之四的国土面积都是不能作为耕地 的，这也使得我国的粮食问题一直非常严峻。 1983年，马教授从南开大学生物系微生物学专业本科毕业，历任中国科学院微生物研究所研究员、生物技术中心副主任、极端环境微生物中心主任、中科院天津工业生物技术研究所所长。 38年来，马教授一直致力于发展采样、分离、培养、分子操作等新的方法技术，进行极端环境的物种与基因分析，开发极端酶等新产物，探讨其在寡糖生产、生物催化等方面的应用途径。 ＂这就是我们最初的梦想——凭空制造，随心所欲。＂ 有时候，科学家比科幻作家更有想象力。 的确，在食物获取上，如今人类虽然已经开发出了无土种植、立体化种植等多种手段，但是其本质，依旧没有脱离光合作用、细胞合成的古老方式。 现在，变成了在分子层面，直接实现从二氧化碳人工合成淀粉，创立了一个全新的赛道。 人类首次 找到了 替代植物光合作用 获取淀粉的方法，使耕地面积不再成为粮食生产的限制条件。 从此以后，中国960万平方公里的土地上，处处都能产粮食，如同马教授的梦想一样，我们真的可以＂随心所欲＂。 世界的资源问题 传统的农作物种植通常需要较长周期，需要使用大量土地、淡水资源以及肥料、农药等农业生产资料。 地球上可用的土地，除了部分用于建造工厂、道路和住宅之外，绝大部分都被分配给农作物生产。 而有了这种技术，高山峡谷、沙漠、冰原......都可以成为 农业产地 ，人们可以不受气候地理限制，直接在世界各地的工厂里高效率地生产食物、酒精、动物饲料、工业原材料等生活必需品，且 不需要依赖长途输送 。 与此同时，土地资源进一步被释放。 绝大部分的耕地都可以退耕还林，还原生态，改善人类的居住条件。 业内专家称，如果未来二氧化碳人工合成淀粉的成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性，将会 节约90%以上的耕地和淡水资源 ，还能避免农药、化肥等对环境的负面影响，推动形成可持续的生物基社会，提高人类粮食安全水平。 非洲的饥荒问题 按照目前技术参数，在能量供给充足条件下，理论上 1立方米 大小的 生物反应器 年产淀粉量相当于 5亩 土地 玉米种植 的年平均产量。 也就是说，人工合成淀粉技术能 大大提高粮食产能， 对于解决土地依赖问题、让人类摆脱粮食危机有着巨大意义。 即使是土壤最贫瘠的非洲，有一天也可以依靠这项技术不再挨饿。 缓解全球变暖 2020年，全球能源消耗碳排放量总计约为320亿吨，其中，中国碳排放总量为99亿吨，占全球碳排放的31%！ 然而就是在这样的背景下。 2020年9月22日，在第七十五届联合国大会上中国代表突然提出： 中国将采取有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于 2030年 前 达到峰值 ，努力争取 2060年 前实现 碳中和 。 人工合成淀粉技术，不仅能让粮食、耕地、生态问题可以得到一定程度的解决，还为推进＂碳达峰＂和＂碳中和＂目标提供了一种新的思路，对于缓解 全球变暖 问题也有着巨大意义。 造成全球变暖的核心因素在于二氧化碳这种温室气体。 工业生产、汽车尾气排放等等都是导致二氧化碳增多的因素。 而用电低峰所导致的电力浪费，一直以来都是困扰全球电力行业的大问题。 在用电低谷时期发出来的电，直接合成淀粉储存起来，不仅能确保电能合理利用，还能消耗二氧化碳，降低温室效应。 可谓 一举三得 。 人工合成淀粉和火星移民 从2015年开始，天津工业生物所科研团队启动了人工合成淀粉项目。 而之所以选择做 淀粉 的人工合成研究，是因为科研人员认为它是农耕文明的 核心分子 ，提供了人类生存所需的热量。 这一点，中美两国不谋而合。 2018年，美国国家航空航天局（NASA）发起了名为＂二氧化碳转化挑战赛＂的＂百年挑战计划＂，希望能将火星上最充足的资源——二氧化碳，转化成 葡萄糖 等有用的化合物，以满足人类在火星上生存和生活所需。 过去我们预想中的解决宇宙远行问题，必须携带粮食，要不就是让人类进入冬眠来减少能量消耗。 而即便进入了宇宙深处，只要醒来，那总是需要粮食的。 比如美国大片《火星救援》中，美国宇航员马克·沃特尼被遗留在了火星，同伴们都已离开，食物也只能够维持一个月左右，但他凭借着植物学家的知识，在太空中种植土豆，依靠着土豆存活了下来，并成功等到了地球的救援。 通过这部电影我们可以看出，在美国的想象中，人类移民火星的食物来源是地球供给，以及在火星表面种植农作物。 作为肉体凡胎，人类迄今其实完全无法在太空或其他行星上长期生存，呼吸和水的问题以当代的技术并不难解决， 核心 就卡在 食物 这里。 如果，无论何时何地，带上一个淀粉生成器，就能够快速简单解决食物问题，再叠加上目前的航天技术，无论在太空还是其他星球生活，都将不再是一个问题。 人工合成淀粉技术成功之后，未来人类移民火星，根本不用在火星表面种植农作物，而是可以 直接利用二氧化碳在 火星表面制作淀粉，况且火星大气中二氧化碳比例高达 96% ，那简直是新的粮仓啊。 而且，二氧化碳本身还是人体代谢的废物，可以直接循环起来。 未来航天员探索外星球，或者人类移民外星球时，人工合成的淀粉、人工合成的肉质等食物或许就会成为太空食物。 中国的可控核聚变技术独步全球，中科院天津工业生物所主导牵头的＂二氧化碳人工合成淀粉技术＂成果，完美地与可控核聚变实现了无缝匹配。 中国集齐了人类迈向星际文明的最后一把钥匙，人类距离星际文明的到来，似乎真的只差临门一脚....