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神话还是科技?“西北风”真的能喝了

994    2021-10-29    发布者:中国测试杂志社    来源:航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司

神话故事里神仙才能“餐风饮露”不吃饭,“喝西北风”也常被用来调侃挨饿。而你能想象吗?看似天方夜谭的情景正在实验室里发生着——“风”或将能用来填饱肚子。近期,我国科学家国际上首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,并在国际知名学术期刊《科学》上线发表。一经问世,便得到国内外领域专家的高度评价,被誉为是一项具有“顶天立地”重大意义的科研成果。

淀粉经人体消化后变成葡萄糖,葡萄糖通过代谢最终产物是二氧化碳和水。“风”里含二氧化碳,“露”里含水,两者恰恰就是这最终产物。那么拿着一堆原材料,人工合成淀粉有那么困难吗?这项成果的意义就那么重大吗?

答案是肯定的。

首先我们来看看人类在其中涉及到的“有机物合成”与“能源应用”这两方面科技树的点亮情况。


有机物合成

学习过有机化学的不难知道,人类第一次成功用无机化合物人工合成的有机物是尿素。在那之前,科学家认为用有机和无机来区分化学反应是必然的,用无机物来合成为生物体代谢之后的有机物被看作完全不可能的事。所以当1828年,德国化学家弗里德里希·维勒(Friedrich Wohler)将无机物氰酸铵(NH4CNO)溶液蒸发得到了有机物尿素[CO(NH2)2]时,科学界为之震惊,这冲破了当时有机化合物“生命力”学说的束缚,从此揭开了人工合成有机物的序幕。

时至今日,各种合成有机物已经渗透到各个领域,如聚乙烯塑料、腈纶衣物、人造血管等,有机化学也与其它学科融合形成了多个新型学科。上世纪60年代,初生的共和国第一次在科研领域站在了世界前沿——1965年我国首次人工合成结晶牛胰岛素蛋白,那是世界上首次人工合成与天然胰岛素分子相同化学结构并具有完整生物活性的蛋白质,是我国科技史上的一次里程碑,也是人类在探索科学奥秘征途中迈出的又一步。


能源应用

在19世纪随着电磁感应理论提出以及发电机制成,“电”开始作为一种能源走进人们视野。结合工业革命中发明出的各种电器,人类开创了电气时代,社会发展速度开始腾飞,诸多领域中用到的人力、畜力逐步被机械、电能替代,更别说如今还有核聚变能等新能源。

即便有如此突破,人类对自身机体需要消耗的“燃料”合成研究,却并未取得实质性进展。换句话说,如何把人类已经消化完全最终代谢为二氧化碳和水的最终产物,还原成我们摄取能量时的形式——淀粉,此前这是困扰科学家的一个重大问题。而现在我国科学家实现了这个突破,人类第一次以人工合成的方式让自身机体的“燃料”有了一个被代替的可能。


“从头合成”的难度

进一步认识“原料”——淀粉不仅是粮食的最主要成分,同时也是重要的工业原料。淀粉是一种高分子碳水化合物,属于多聚葡萄糖,游离葡萄糖的分子式以C6H12O6表示,淀粉通式可写成(C6H10O5)n,那么淀粉中的化学元素无非就是C、H、O,这三种元素在二氧化碳(CO2)和水(H2O)里面也有,把它们组起来很难吗?

葡萄糖分解化学反应

事实确实如此。从常见的来看,坚硬的钻石,质软的石墨,以及在材料学、电子学和纳米技术等方面都有潜在应用价值的富勒烯(C60),本质上它们都是碳元素的单质,是碳同素异形体。再比如氧和臭氧是氧元素同素异形体,不同原子堆叠模型出来的材料物理性质可能相去甚远。虽化学元素相同,但要将石墨重新组成钻石,这恐怕是另一件神仙水平的事,我们已有一个成语——点石成金。

从二氧化碳合成淀粉,植物采取的策略是光合作用,需要60多步复杂的反应和精细的调控,包含多种生物酶的参与,这是历经上万亿年演变而来的结果,理论能量转化效率仅在2%左右。

光合作用过程图解


“0到1”原创性突破

此次论文标题《Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide》中有个词非常醒目:Cell-free,无细胞的。生物化学反应中酶是一种生物催化剂,只能特异催化某种或某几种反应,60多步反应环环相扣,且对温度和pH等环境条件要求较严格,催化效率低;而没有细胞参与,则意味着环境适应性好,可复制性、可推广性强,效率也有了大幅提高的基础。

论文发表页面

我国科学家从多种生物的生物化学反应中计算出了一条仅11步的极简路径,研制了利用二氧化碳和“绿氢”(太阳能电力电解水制取氢)合成淀粉的人工途径。我们了解一下其中核心原理:科研人员将整条途径拆分为四个模块,分别命名为C1(一碳化合物),C3(三碳化合物),C6(六碳化合物)和Cn(多碳化合物)模块;首先将二氧化碳用无机催化剂还原为甲醇,接着将甲醇转换为三碳化合物,三碳化合物再合成六碳化合物,最后聚合成为淀粉。

人工合成淀粉路径 | Cai et al., Science 373, 1523–1527 (2021)

科学家们将人工合成淀粉与和标准天然淀粉进行对比,合成支链淀粉在碘处理后呈红棕色,吸收最大值与标准支链淀粉相当(下图 左),合成的直链淀粉和支链淀粉与其标准对比淀粉都具有相近的核磁共振信号(下图 中、右),吸收峰和核磁共振信号都佐证了这种合成淀粉与天然淀粉结构基本一致、性质非常接近。

合成淀粉与标准天然淀粉对比

令人振奋的是,合成“质量”这么好的同时,还做到了速度快、效率高。目前,根据数据推算,使用人工合成方法,从太阳能到淀粉的能量效率是自然界玉米的3.5倍,淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量。这次科学家们完成了光能—电能—化学能的转化,该过程能量转化效率超过10%,远超光合作用的能量利用效率2%!


助推人类发展

业内专家预计,如果未来该系统过程成本能够降低到可与农业种植相比的经济可行性,将可能会节约90%以上的耕地和淡水资源,而且能避免农药、化肥对环境的负面影响。

我们试想一下,届时粮食安全与供给量得到确保,耕地生产压力减小进而解放出部分农村劳动力,电能、太阳能等能源被充分合理利用,过程中消耗的还是温室气体二氧化碳。这对推进“碳中和”(Carbon neutrality,节能减排术语,指设法抵消二氧化碳排放量使其净排放量达到零,也就是让二氧化碳排放量“收支相抵”,即“中和”。)目标实现的技术路线提供了一种新思路,更对当今世界面临的全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战影响深远。

我们再看向星空深处,从航天角度来说人工合成淀粉应用前景同样广阔,太空中二氧化碳和氢并不稀少,比如金星、火星大气层更是以二氧化碳为主,而氢还能利用太阳光制取。虽然技术上离实际应用还有很长的一段路要走,但星际旅行对人类似乎不再那么科幻了。

现如今我国科学家实现了“0到1”的概念突破,当之无愧配得上“顶天立地”一词。这相当于我们造出了一把金钥匙,可以用它尝试打开很多领域的科学之门,这颗科研明珠的璀璨光辉充满无限可能,人类正在用科技书写神话!


参考文献

[1]陆成宽. 我科学家在国际上首次实现人工合成淀粉[N]. 科技日报,2021-09-24(001).

[2]吴月辉. 实验室里“种”淀粉[N]. 人民日报,2021-09-24(011).

[3]宋心琦等.有机化学基础(选修5)[M]. 人民教育出版社,2007.

[4]本刊编辑部.1965年 中国首次人工合成结晶牛胰岛素蛋白[J].创新科技,2009(10):49.

[5]“碳中和”词义来源:生态经济建设大辞典·下册. 江西科学技术出版社. 2013


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