人工合成淀粉，离社会意义还很远

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　　9月24日，中国科学院天津工业生物技术研究所研究员马延和团队的《科学》杂志上发表文章，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。

　　这个突破引来科学界乃至社会的强烈关注与兴奋，是因为光合作用非常重要。光合作用是地球生态圈最重要的机制之一。绿色植物利用太阳的光能，吸收二氧化碳和水，制造有机物，并释放氧气的过程，被称为光合作用。

　　合成复杂有机物，不是新鲜事。1965年我国科学家完成了牛结晶胰岛素的合成，这是世界上第一次人工合成多肽类生物活性物质。不过，淀粉的意义更加特殊。

　　首先，它是粮食的主要成分，是包括人类在内的异养动物的食物链基础。

　　其次，它是地球上化学能的源头之一，由淀粉可以制造酒精。

　　第三，它可以衍生出一系列的材料，供应造纸、塑料等制造业。

　　人类最早在1771年发现了植物可以“净化空气”，即发现了植物能释放氧气。但人类了解光合作用的分子机理，是在200多年后的20世纪初。1915年，Wilstatter等因为提纯了叶绿素并阐明其化学结构获得了诺贝尔奖。

　　淀粉由许多葡萄糖单元通过糖苷键连接而成，也是广泛应用的工业原料（造纸、塑料等），目前主要由玉米、小麦、红薯等农作物通过光合作用固定二氧化碳产生。

　　高等植物固定CO₂的生化途径有3条：卡尔文循环、C4途径和景天酸代谢途径。

　　其中以卡尔文循环为最基本的途径，同时，也只有这条途径才具备合成淀粉等产物的能力；在植物体内，这个过程涉及大约60步生化反应、复杂的生理调节，理论上总体能量转换效率在2%左右。

　　自然界中的光合作用，自身效率并不低的，大约33%。但保持光合作用的条件比较复杂，水、温度、二氧化碳浓度等都有影响。另外，光合作用只在阳光直接照射到植物时才有，受到植物结构限制，大多数阳光从植物间隙漏过去了。所以，普通植物的太阳能利用率（能源转换效率），在条件较为有利时，效率大约为2％。

　　这一次中国科学家采用一种类似“搭积木”的方式，从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。

　　实验室初步测试显示，其效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍，工业合成效率可以达到17%以上。更形象的说，理论上1立方米大小的生物反应器，年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。这超越了自然界的效率。

　　说到光合作用的效率，还牵涉到中国历史上的一段公案。

　　毛泽东曾被问到，自己小时候还曾亲自下地干过活，为什么会相信亩产十万斤。毛泽东说，他本来将信将疑，但看见钱学森在报纸上写的，再加地方上的跟风报道，才深信不疑。

　　钱学森多次写文章提到光合作用的效率。

　　第一次是在1958年4月29日在《人民日报》上发表《发挥集体智慧是唯一好办法》，说“可以在1亩面积上年产约8千市斤的淀粉。”

　　当年6月份，他又发表了三篇文章。

　　一篇是在《科学大众》杂志第6期发表《展望十年──农业发展纲要实现以后》，说“……那么稻麦的每年亩产量就不是现在达到的2000多斤，而是这个数量的20多倍，……”

　　第二篇是6月份在《农业科学》第12期发表《可以实现的理想》，说“稻麦年产量就可以达到4万斤谷子！”该杂志为半月刊，编辑来电话询问是否计算准确？钱学森即用计算尺再核算后说“计算准确无误”，让秘书张可文回复编辑部。

　　第三篇的影响力最大，是在《中国青年报》上发表的《粮食亩产量会有多少？》。其中写道：“土地所能给人们的粮食碰顶了吗？科学的计算告诉人们，还远得很……那么稻麦每年的亩产量就不仅仅是现在的两千多斤或三千多斤，而是两千多斤的20多倍！”

　　到了1959年2月，他又在《科学通报》第3期发表《谈宇宙航行的远景和从化学角度考虑农业工业化》，其中写道：“……那么稻、麦、玉米等的年产量可以是每亩12万斤”。

　　这一年9月，他在《知识就是力量》第8～9期合刊发表《农业中的力学问题》，其中写道：“我们算了一下，一年中落在1亩地上的阳光，一共折合约94万斤碳水化合物。如果植物利用太阳光的效率真的是百分之百，那么单位面积干物质年产量就应该是这个数字，94万斤！”

　　钱学森一直坚持他的说法，直到90年代，他还在给友人的信中说：“在中国大地上每年每平方厘米上接受的日光能量为120-200大卡，即每年每亩地接受日光能量为8～13.3×108大卡。如百分之百地用空气中的CO₂和从根吸取的水合成碳水化合物，则每亩地每年有190～320吨。光合作用的能量效率可达50%，而粮粒只占全部产物的1/3，故理想最高年亩产是32～53吨。说亩产万斤，才5吨，远远小于理想数。所以充分发挥科学技术的作用是可以实现的，现在我国的亩产最高纪录为1.5吨。”

　　然而，现实是，光合作用的效率只有2%。如果把钱学森推算的量，除以50，那么，就是亩产900公斤到1500公斤。这个数字是现实的，根据媒体报道，由袁隆平院士团队培育的第三代杂交水稻“叁优一号”测产结果，早晚两季加起来，已经实现了亩产超1500公斤。所以，只要诚实，科学就会告诉你一个现实的答案。

　　如果按人工合成淀粉的效率来计算，某种意义上，人工合成淀粉，也算从转换率上，实现了亩产万斤。最终，依靠科学，实现了中国人的一个梦想。这个梦想意味着美好的未来。

　　淀粉是人类的重要物质。通过工业生物制造生产淀粉，首先会改变农业生产，以前人们的想象中的农业工厂，都是无土种植之类的，现在，农业彻底转化为工业车间与化工业了，能节约耕地和淡水资源，彻底解决人类的粮食问题。人工合成淀粉的最大优势，就是不需要耕地了，只要有电、有空气，把厂房一盖，就能生产出淀粉。

　　或许有人会疑虑：人工合成的淀粉可以吃吗？复杂有机化合物的性质，和自然中产生的都是一样的。目前市场上销售的维生素制剂，有些是从食物中提取并加以纯化、浓缩制造出来的天然维生素，有些是由人工合成方法生产的。如维生素B1是人工合成的硫胺、丙硫硫胺和呋喃硫胺等，药用维生素C和维生素K3、K4等也是人工合成品。人工合成的胰岛素，也是有生物活性的。无论是天然产品，还是人工合成品，它们在效果上没有差别。

　　不过，这只是理论上的远期展望，因为人类社会是按照成本、收益运行的，还要考虑是否划算。在目前科学条件下，二氧化碳向甲醇的转变是关键的第一步。但这一步很贵，近十年，不管是催化剂、酶等等方式，没有大的突破。

　　就目前的工业条件而言，工业甲醇的成本都要2000～3000元/吨。氢气的价格，德国的氢价为9.5欧/公斤，折合人民币约74000元/吨。美国目前氢气价格15美金/公斤，折合人民币约106000元/吨。淀粉现在的价格是2000元/吨。显然，用甲醇和氢气来合成粮食，是不太现实的。

　　实际上，现在的技术，甚至都还没有到计算成本这一步。在工程生物学基础理论和工程设计方面还有很多问题没有解决。只有二氧化碳到淀粉合成的电能利用效率再提高数倍，淀粉合成的碳素转化速率再提高数十倍，才能与农业种植竞争。

　　利用人工光合作用的研究还有一些其他途径，比如，东芝试制了模仿植物光合作用的“人工光合作用”系统，可利用水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）和太阳能制造有机物。利用入射光能量除以生成的一氧化碳（CO）能量所得的转换效率达到了1.5％。注意，这里不是转化为淀粉，而是仅仅转化为一氧化碳作为燃料。虽然这里的转化率低一些，但如果成本更低，那这种途径更可能提前工业化。

　　还有人认为，人工淀粉主要消耗的是二氧化碳。如今，全球都在强调减碳，我们也正在搞“碳达峰、碳中和”，有了人工淀粉技术消耗二氧化碳，有利于抑制全球气候变暖。这个看法虽然是科学家所说，但并不符合技术与社会现实。

　　人工固碳，需要各种设备、中间材料、比如氢。这本身就是一个耗能过程。虽然总体上仍然是消耗光能，生成淀粉，固定二氧化碳。但绿藻固碳，只需要一个种子、光和水。种树也只需要挖坑浇水。这些方式的成本比人工合成淀粉低太多太多。

　　化工固碳，不可能是人类对抗气候变暖的方法。这就有点像为了土地，我们征服火星，但是，为什么不是改造撒哈拉沙漠呢？

　　所以，从这个角度，人工合成淀粉的意义，更多的是科学意义，离社会意义还非常远。当然，科学就是这样，为了拓展那无尽的前沿而奋斗，这本身就是意义。

　　「 图片 | 视觉中国 」

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