我国科学家完成人工合成淀粉，让化解粮食和气候危机成为可能

9月17日，世界顶级学术期刊《科学》发表了中国中科院天津工业生物技术研究所所做的人工合成淀粉重大技术突破，这一研究是世界上首次实现人工通过二氧化碳合成淀粉，也就意味着淀粉的生产方式从传统的农业种植向工业制造转变成为可能。科学家认为，这对未来的农业生产和生物制造产生革命性的影响，或许在不远的将来，我们所面临的粮食危机和气候危机，都能够得到很好地化解。

二氧化碳究竟是如何变成淀粉的？

我们都知道，淀粉是碳水化合物的储存形式，是粮食的主要成分，也是重要的工业原料。淀粉是通过光合作用合成的，光合作用对地球上的所有生命形式都很重要，而不仅仅是植物。它存在于植物、藻类和某些细菌物种中，间接地帮助了所有不能自己生产食物的生物，包括人类。

自然界的淀粉是如何形成的？

在自然界中，我们把可以自己生产食物的植物、藻类和细菌种类称为光合自养生物。这些生物，尤其是植物，依靠光合作用，利用来自太阳的能量将二氧化碳转化为淀粉（一种糖类物质），这一过程也被称为碳固定过程，因为它产生碳水化合物，储存化学能，用于细胞生长。那它是怎么实现的呢？

• 第一步：大气中的二氧化碳通过气孔进入植物的茎叶，即植物叶子和茎中的微小表皮孔，促进各种气体和水蒸气的转移。
• 第二步：水主要是通过根部吸收，然后经由茎秆将其输送到叶片上。
• 第三步：当阳光照射在叶子表面时，叶片中的叶绿素将阳光中的能量捕获。
• 第四步：植物通过使用来自太阳的能量将水转化为氢气和氧气。

12H2O +阳光→ 12H2 + 6O2 【光反应】

然后，氢气与二氧化碳结合为植物生长所需的食物，多余的物质会被积累在植物的种子、茎秆、叶片等中，当动物和人类消耗植物物质时，植物中储存的多余能量就会转移到动物和人类身上，而氧气则通过植株的气孔释放。同样，藻类和细菌也是使用二氧化碳和氢气来制备食物，而氧气则作为废弃物被排出。这一过程可以用下面这个简单的化学反应方程式来表示：

12H2 （来自光反应） + 6CO2 → C6H12O6 （葡萄糖） + 6H2O 【碳反应】

在这个过程中，光合作用所产生的氧气被人类和其它生物的呼吸作用所使用，而呼吸作用所释放的二氧化碳又被植物、藻类、细菌等吸收后进行光合作用，再次释放氧气以及生产能量，如此形成循环。

光合作用的确是一个神奇的存在，它让世界运转了起来，它提供我们呼吸的氧气、我们吃的食物和我们使用的燃料。尽管它是一个奇迹，但它的效率也低得惊人，光合作用的过程需要涉及到大约60个生化反应和复杂的生理调节，大多数植物将不到5%的光能转化为生物质，在某些环境条件下，转化率仅为可怜的1%。

人工合成淀粉的合成过程

人工合成淀粉，简单点说，就是在研究了光合作用复杂的过程后，将这一系列复杂的过程简单化，将植物的化学反应和生理调节进行模块整合，以生物技术创新的方式利用高密度能量和高浓度 CO2。然后通过一种化学酶系统以及一种仅由11个核心反应组成的人造淀粉合成代谢路线，最终将CO2转化为淀粉。

或许你会认为这不就是通过化学反应制造了一种糖分吗？如果你这样认为那你就大错特错了。尽管整个核心反应只有简单的11个，但却聚合了光合作用所有的过程，其难度可想而知，要不怎么会是世界上首次完成。

人工合成淀粉代谢途径的设计和模块化组装

人工合成淀粉的重大意义

人类迫切需要有持续供应的淀粉和利用多余二氧化碳的方法，来克服人类面临的重大挑战，其中粮食危机和气候变化危机则是我们目前最为迫切需要解决的问题。

人工合成淀粉让化解气候变化危机成为可能

人类和其他物种在地球上之所以能够生存，很大程度上得益于空气中一层薄薄气体的保护，我们称它为大气层。大气层是由二氧化碳和一定量的其他气体共同组成，它对地球的保护有双重作用。

首先，它能够保护外层空间寒冷对我们的侵袭。其次，当太阳光照射到地球表面时，会通过反射作用反射回太空，而大气层会像毯子一样阻止大量热量逃逸。事实上，如果地球上空没有了大气层，地球表面的平均气温大约只有-18℃，而正因为大气层的存在，让地球平均气温保持在了15℃左右，这是一个适宜人类和其他生物生存的温度。

在大气层中，保持一定二氧化碳含量，是地球生命微妙平衡的重要组成部分，我们人类和其它地球生物所产生的二氧化碳，除了一部分被海洋吸收，大部分都漂浮到大气层中，尽管大气层中适量的二氧化碳有助于保护地球温度的恒定。

但科学家们发现，在过去的一百年时间里，大气中的二氧化碳含量一直在持续增加，而且远远高于地球上数万年来的任何时候。你可以想象一下，如果你在大夏天捂着一个厚厚的棉被睡觉会是什么感觉，你就能够知道地球拥有更多二氧化碳时的感受。

也就是说过多的二氧化碳会阻止太阳照射到地球上的热量逸出，也就是我们常说的地球温室效应。据研究，从1880年至今，大气层中的二氧化碳浓度从0.29%上升至0.35%左右，但地球温度却上升了8℃，这对人类是毁灭性的，近些年气候变化异常，如干旱、洪涝灾害逐年加重，和我们的碳排放有着更直接的关系。

但如果将这项技术走出实验室，我们就完全可以将地球上多余的二氧化碳变废为宝，化解气候危机的同时，合成粮食甚至是生物燃料。

人工合成淀粉让化解粮食危机成为可能

人工合成淀粉另外一个重大意义就是让化解粮食危机成为了可能。我们知道，农作物的栽培通常需要很长的时间，需要使用大量的土地、水、化肥、农药等农业生产资料，而人工合成淀粉使淀粉生产从传统的农业种植转向工业制造成为可能。#人工合成淀粉能解决粮食危机吗#

之前我们说过，植物等自然合成淀粉的效率非常低下，在土地资源、水资源以及其它矿物质资源有限的情况下，粮食生产不得不面临瓶颈。初步实验室表明，人工合成淀粉的效率比传统农业生产淀粉的效率高出大约8.5倍。

在能源供应充足和现有技术参数条件下，1立方米生物反应器年产淀粉相当于在5亩土地上种植玉米所产出的淀粉。这和农业生产淀粉相比，它将节省90%以上的耕地和淡水资源，并且避免了农药和化肥对环境造成的负面影响。因此，未来有可能在不耕作的情况下就能满足我们对碳水化合物的需求。

当然，人们对人工淀粉究竟能不能食用仍然存在疑虑，但好消息是，通过核磁共振检测，人工合成淀粉和自然界生产的淀粉分子结构完全相同，因此，从理论上讲，人类食用是完全没有问题的。但尽管这样，从实验室走上餐桌，还需要更多的测试和生物安全检验。#人工合成的淀粉可以食用吗#

总之，人工和成淀粉虽然目前仅仅停留在实验阶段，从走出实验室到实际应用，还有很长的路要走，但这为粮食淀粉的可持续供应和二氧化碳的转化利用，无疑寻找出了一条创新的解决方向。