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酷玩實(shí)驗(yàn)室作品

小時(shí)候，我們很多人都會(huì)聽家長(zhǎng)說(shuō)，你如果不好好學(xué)習(xí)的話，長(zhǎng)大了就只有去喝西北風(fēng)了。

但是你想過(guò)嗎，未來(lái)我們?cè)谔湛赡芫鸵亢任鞅憋L(fēng)活著。甚至你不光要喝西北風(fēng)，東西南北風(fēng)都要喝。

這句話就要從火星登陸開始說(shuō)起。

馬斯克有一句豪言，他希望死在火星上，但不是在降落過(guò)程中。這是一個(gè)很美好的設(shè)想，畢竟上次世界頂級(jí)富豪貝索斯上太空，一堆人就想投票讓他別回來(lái)了。

但是想在火星優(yōu)雅地死去，似乎有些難度。畢竟，我們現(xiàn)在都還沒能在“近鄰”月球種菜。如果到了“遠(yuǎn)鄰”火星，把球籍改成火星人之后卻因?yàn)槿鄙俑鞣N東西餓死、乃至憋死的話那就不太好了。

那我們能在“殖民”火星之前改造火星嗎？不可能，畢竟我們甚至還不是一型文明。

有人就要說(shuō)了，那可以搞個(gè)生態(tài)圈，我們以前都學(xué)過(guò)。確實(shí)，我們小時(shí)候都學(xué)過(guò)生態(tài)圈2號(hào)實(shí)驗(yàn)，就是有人試圖創(chuàng)造一個(gè)人造小型生態(tài)圈，并且成功維持了實(shí)驗(yàn)內(nèi)部的能量和二氧化碳循環(huán)并讓參與實(shí)驗(yàn)的人都生存下來(lái)了。這事以前大家在教科書里都學(xué)過(guò)。

起初，由于技術(shù)落后，基于生物循環(huán)的生態(tài)圈2號(hào)農(nóng)作物產(chǎn)量一直沒有辦法達(dá)到預(yù)期效果，讓這八位科學(xué)家長(zhǎng)期處于吃不飽的狀態(tài)。在第二次任務(wù)中，通過(guò)改進(jìn)，防止混凝土吸收二氧化碳，生態(tài)圈2號(hào)終于實(shí)現(xiàn)了一個(gè)比較好的生態(tài)循環(huán)。但即便成功了，這也不是太空殖民能考慮的東西。

因?yàn)?，太空里?/span>沒一點(diǎn)重量是可以浪費(fèi)的，而整個(gè)生態(tài)圈2號(hào)占地1.3萬(wàn)平方米，高度有8層樓那么高。整個(gè)生態(tài)圈2號(hào)總共引進(jìn)了約4000個(gè)物種，生態(tài)環(huán)境中最重要的微生物、細(xì)菌、真菌這些種類也是一應(yīng)俱全。

殖民火星造一個(gè)生態(tài)圈肯定不需要把上述所有東西都拉過(guò)去，有些可以就地取材。但是需要搬家的東西那肯定還是不少，比如泥土和里面的微生物。而所有必須的物資都只有靠火箭拉過(guò)去，一發(fā)巨型火箭能送到火星的的物資總量都是寥寥無(wú)幾，最多幾十噸。而這個(gè)項(xiàng)目建造花的材料，連帶的泥土，那可是千萬(wàn)噸級(jí)的。

如果我們什么都靠火箭運(yùn)過(guò)去的話，經(jīng)濟(jì)性問題先不談（畢竟世界富豪們有一萬(wàn)種方法解決錢的問題）。運(yùn)力是個(gè)巨大的問題。而且一旦出現(xiàn)什么意料之外的問題，依賴地球物資運(yùn)輸建設(shè)的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都是很脆弱的，可能會(huì)崩潰。所以深空生態(tài)建設(shè)最好還是盡可能就地取材。

那么有什么東西是火星多的呢？那自然是二氧化碳啦。在經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的演變過(guò)程之后，現(xiàn)有的火星大氣中95%是二氧化碳。當(dāng)然火星風(fēng)大，那里也不缺西北風(fēng)。

那么火星上面缺什么呢？在火星的多數(shù)地方是缺少氧氣、而且水資源也極為有限，甲烷什么的有也不多。

但是如果我們能夠就地取材解決多數(shù)問題，第一批人過(guò)去殖民是不是就會(huì)容易些呢？畢竟火箭單程最快也要7個(gè)月才能到，而且這個(gè)窗口期每隔大約780天一次，也就是大約是26個(gè)月才有一次。

所以我們?cè)趺礃酉鄬?duì)高效地利用近乎無(wú)限的二氧化碳和相對(duì)不那么豐富的甲烷以及水這類資源維持小生態(tài)循環(huán)就顯得十分重要。

畢竟我們不光不能改造星球，未來(lái)登陸火星的時(shí)候，可控核聚變或許也沒法搞定。火星能源主要可能還得靠電池+太陽(yáng)能這種落后組合，所以一切都要精打細(xì)算著用。

那么怎么高效利用二氧化碳呢？作為全宇宙最會(huì)種田的民族，我們沒有田也要?jiǎng)?chuàng)造田，而且是一種前所未有高效的田。

2021年9月24日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表一篇來(lái)自中科院天津工業(yè)生物所的論文，宣告了在人類歷史上首次完成了從二氧化碳到淀粉的合成。

這事是怎么做到的呢？說(shuō)實(shí)話我也不知道。

根據(jù)公開信息，研究團(tuán)隊(duì)采用了一種類似“搭積木”的方式，聯(lián)合中科院大連化學(xué)物理研究所，利用化學(xué)催化劑而不用生物細(xì)胞，單純用工業(yè)的方式實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的合成“捷徑”。人工合成淀粉的技術(shù)工藝路線大致為：

CO2→C1→FADH→DHA→DHAP→GAP→F-6-P→G-6-P→G-1-P→G→淀粉。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一（C1）化合物（甲醇）。

然后通過(guò)設(shè)計(jì)構(gòu)建碳一聚合新酶，依據(jù)化學(xué)聚糖反應(yīng)原理將碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物（二羥基丙酮）。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)人員選出了10種加以改造的生物酶，將碳三化合物又聚合成碳六（C6）化合物（磷酸葡萄糖），再進(jìn)一步合成直鏈和支鏈淀粉（Cn化合物）。

這種合成淀粉還是可控的。甚至，其結(jié)構(gòu)和鏈長(zhǎng)都可以控制，這為以后批量工業(yè)化生產(chǎn)淀粉提供了一條通路。

這個(gè)東西的牛X之處，我們一般人也聽不懂。只不過(guò)，我們這種外行人衡量一個(gè)生產(chǎn)線厲害與否，最主要的就看：1、生產(chǎn)周期；2、生產(chǎn)效率。而這款新的人工合成方法可比天然的快多了。

傳統(tǒng)的生物反應(yīng)原理，你就算南方的大米，做到一年三熟、四熟，二氧化碳到可以吃的淀粉的周期也是幾個(gè)月。但是這個(gè)人工合成淀粉不一樣，實(shí)驗(yàn)室條件下，弄順利了。二氧化碳的固化，淀粉生成直接按小時(shí)計(jì)算。

而且這次合成整個(gè)過(guò)程只涉及11步重要的生化反應(yīng)。要知道生物合成淀粉的反應(yīng)，整個(gè)需要60多個(gè)步驟。

這樣，在充足能量供給的條件下，按照目前技術(shù)參數(shù)推算，理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量，相當(dāng)于我國(guó)5畝土地玉米種植的平均年產(chǎn)量。而且即使是只計(jì)算反應(yīng)能量轉(zhuǎn)換率，人工途徑從太陽(yáng)能到淀粉的理論能量轉(zhuǎn)化效率是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米的8.5倍。

這可是一個(gè)巨大的突破，要想想一個(gè)1立方米的生物反應(yīng)器，可以產(chǎn)生5畝地的玉米淀粉量，這個(gè)量可是太大了。眾所周知，我們現(xiàn)在是人多地少，用全球約7%的耕地,養(yǎng)活了全球22%的人口。現(xiàn)在我國(guó)糧食產(chǎn)量可以保證全國(guó)主食供應(yīng)不依賴外部進(jìn)口，但是極端條件下副食品供應(yīng)會(huì)產(chǎn)生極大影響。

美國(guó)的科學(xué)家認(rèn)為，二氧化碳人工合成碳水化合物可以同時(shí)解決溫室氣體排放和糧食安全。因?yàn)樗娃r(nóng)業(yè)種植相比，土地節(jié)約將高于500倍，用水將節(jié)約1300到1600倍。

如果以后淀粉之類的東西工業(yè)化生產(chǎn)，我國(guó)農(nóng)民就可以更加關(guān)注經(jīng)濟(jì)作物或者副食品生產(chǎn)了。

而我們到了外太空，還可以直接把反應(yīng)釜搬過(guò)去，然后就可以拿著二氧化碳在火星硬造淀粉。這可比到那邊造個(gè)生態(tài)圈容易多了。

那這個(gè)技術(shù)只是在實(shí)驗(yàn)室里面做么？那肯定不會(huì)，作為人類歷史第一工業(yè)國(guó)，只是放在實(shí)驗(yàn)室里就可惜了。

在今年的5月27日舉行的中關(guān)村論壇第二屆碳達(dá)峰碳中和科技論壇上，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長(zhǎng)馬延和就表示，目前科研團(tuán)隊(duì)建立了二氧化碳人工合成淀粉噸級(jí)中試裝置，正在進(jìn)行測(cè)試。

這也意味著，我國(guó)“二氧化碳人工合成淀粉”正在理論、技術(shù)和工程上三方面同步推進(jìn)。噸級(jí)淀粉，意味著什么呢？

一般來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)一個(gè)人一年吃240斤左右大米之類的主食，也就120kg，換算上副食品、養(yǎng)豬養(yǎng)其他的東西，每個(gè)人每年差不多要消耗掉的糧食在425公斤左右。

這就意味著項(xiàng)目成功落地后，哪怕是剛開始工業(yè)化嘗試的噸級(jí)人工淀粉合成裝置也能，至少可以提供一年內(nèi)兩人以上所有主食和副食品等淀粉消耗量。

這可是太誘人了，而且發(fā)展?jié)摿薮?，畢竟最初在?shí)驗(yàn)室（也就是2021年）合成出來(lái)的淀粉只有1克左右。

但是這還沒完，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所實(shí)驗(yàn)室的功能糖與天然活性物質(zhì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提高了相關(guān)效率，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)二氧化碳精準(zhǔn)合成己糖（也就是六碳糖，指含有6個(gè)碳原子的單糖）取得新進(jìn)展。

這個(gè)東西看似是比合成淀粉簡(jiǎn)單，畢竟六碳糖只是合成淀粉的中間產(chǎn)物。但是這個(gè)突破是革命性的。因?yàn)樗恼麄€(gè)過(guò)程與中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所科研團(tuán)隊(duì)合作，重新設(shè)計(jì)構(gòu)建化學(xué)-酶耦聯(lián)的非天然轉(zhuǎn)化途徑。

真正意義的人工二氧化碳到六碳糖的“精準(zhǔn)”合成。

這套反應(yīng)過(guò)程，不僅整套實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)只需要約17小時(shí)。產(chǎn)量也是更加驚人，糖合成的效率可以達(dá)到0.67克每升每小時(shí)，比之前多10倍以上。

碳固定合成效率達(dá)到每毫克催化劑每分鐘59.8納摩爾碳，是目前已知的國(guó)內(nèi)外人工制糖最高水平。

想象一下，如果這玩意一年到頭不停下來(lái)檢修什么的，一株玉米大小的空間就能產(chǎn)生多少葡萄糖。

我們還是以玉米來(lái)比較，用一種狂野算法計(jì)算，如果按照一株成熟的玉米植株所占的面積在0.3至0.5㎡之間，玉米高株在2.5米左右，低株在1.8米左右計(jì)算。則我們可以認(rèn)為一株玉米占有空間在0.54㎡到1.25㎡。那么這點(diǎn)空間，一年能產(chǎn)生多少糖呢？

那就是0.67*0.54*1000*24*365=3,169,368克=3.17噸；到0.67*1.25*1000*24*365=7,336,500克=7.34噸。

震驚吧，當(dāng)然這種算法非常不科學(xué)。但是這可以最直觀體現(xiàn)這個(gè)裝置的高效。

而且由于工程化設(shè)計(jì)改造酶蛋白分子的催化特性，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制合成不同結(jié)構(gòu)與功能的己糖。這種路線理論上是可以實(shí)現(xiàn)“通過(guò)控制不同酶的不同催化效果，理論上可以合成幾乎任一類型的糖?！?/span>

也就是說(shuō)，這個(gè)技術(shù)路線成熟以后，無(wú)論是各種糖的制作還是加入淀粉等生物大分子的制作的工序，其合成效率都將會(huì)高于天然生物酶的效率上限。

這些技術(shù)的突破，其背后的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止說(shuō)明我們?nèi)祟愐呀?jīng)可以在外太空長(zhǎng)期喂飽自己，僅僅滿足這種低級(jí)需求已經(jīng)不是我們現(xiàn)在追求的目標(biāo)了，更重要的是為人類未來(lái)發(fā)展謀劃出路。畢竟人不能一直在地球這個(gè)搖籃里生活。為外星工業(yè)發(fā)展創(chuàng)造條件才是我們孜孜以求的目的，同時(shí)也是我們解決地球內(nèi)部環(huán)保問題的出路之一。

從之前談到的葡萄糖來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)在在印染制革工業(yè)中，工業(yè)葡萄糖就常被當(dāng)做還原劑，在制鏡工業(yè)和熱水瓶膽鍍銀工藝中常用。工業(yè)上還大量用葡萄糖為原料合成維生素C(抗壞血酸)。而且葡萄糖還能合成纖維素，之后基于精準(zhǔn)合成葡萄糖，搞點(diǎn)人造纖維素什么的，就能搞些基于二氧化碳為原料的高分子化工業(yè)了。

而淀粉的作用就更多了，它是淀粉在造紙工業(yè)中也是一個(gè)重要的原料，可以增加紙張的厚度、硬度和強(qiáng)度。在紡織工業(yè)中，淀粉被用作印花和紡織的漿料。在建筑工業(yè)中，淀粉可以用來(lái)制作環(huán)保型水泥、石膏板、石膏粉等材料，可以增加材料的強(qiáng)度和韌性，提高其耐用性……

如果說(shuō)造葡萄糖和淀粉什么的還比較抽象的話，那么我們模仿天然過(guò)程利用二氧化碳制造油脂、汽油之類的嘗試就更加明顯。

在今年4月28日，《自然·催化》以封面文章的形式發(fā)表了一項(xiàng)最新研究成果。經(jīng)過(guò)一年半的努力，我國(guó)科研人員通過(guò)電催化結(jié)合生物合成的方式，將二氧化碳高效合成高濃度乙酸，并進(jìn)一步利用微生物合成葡萄糖和脂肪酸（油脂）。

它的核心步驟是先用二氧化碳先高效得到一氧化碳，再?gòu)囊谎趸嫉揭宜帷?/span>之后研究人員嘗試?yán)脧U除了釀酒酵母微生物來(lái)合成葡萄糖和游離的脂肪酸等高附加值產(chǎn)物。

這意味著，我們以后如果要在太空或者相對(duì)資源緊張的地方建立食品工廠和化工廠的話，所需的化工原料就可以少搬很多了，甚至也可以試試從零開始自產(chǎn)潤(rùn)滑油了。

當(dāng)然我們?nèi)祟悓?duì)于二氧化碳包括氫氣、甲烷這種宇宙中相對(duì)容易獲得的物質(zhì)的利用野心絕對(duì)不止于制造糖、淀粉和脂肪。事實(shí)上二氧化碳合成一些其他更低難度的碳?xì)浠衔镞@種事情，就已經(jīng)比較成熟了。

還記得合成淀粉的第一步嗎？二氧化碳能合成甲醇，那乙醇肯定沒有問題，那么汽油呢？

早在2017年5月的時(shí)候，中科院大連化學(xué)物理研究所就利用新的催化劑實(shí)現(xiàn)了二氧化碳和氫氣化學(xué)反應(yīng)制造高辛烷值汽油。

在2022年2月，《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》的論文顯示科學(xué)家發(fā)明了一種由“釕”組成的新型催化劑，可以提高將二氧化碳轉(zhuǎn)化為汽油的效率。

同年，中科院大連化學(xué)物理研究所和珠海福田能源公司聯(lián)合開發(fā)了全球首套年產(chǎn)千噸的二氧化碳加氫制汽油中試裝置，且這種方式產(chǎn)出的汽油符合國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)隨著相關(guān)技術(shù)發(fā)展，搞出二氧化碳柴油、二氧化碳瀝青之類的東西也不會(huì)很奇怪。

有人可能會(huì)說(shuō)，現(xiàn)在燃油車都要淘汰了，難不成我們還要在外太空造汽油車么？這恰恰可能是一個(gè)誤解，二氧化碳造汽油盤活整個(gè)新能源能量循環(huán)有潛在重要意義。

之前我們就反復(fù)提到，隨著我們新能源的裝機(jī)容量提升，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)新能源發(fā)展尤其是光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電拓展的最大的問題毫無(wú)疑問就是怎么把沒有及時(shí)被用到的電儲(chǔ)存起來(lái)，在需要的時(shí)候用掉。

二氧化碳制造汽油，你需要加氫氣。而氫氣則是新能源配套儲(chǔ)能技術(shù)中十分重要的技術(shù)路線，同時(shí)也是對(duì)于存儲(chǔ)要求比較高的技術(shù)路線。

如果說(shuō)你在制造氫氣的時(shí)候就通過(guò)二氧化碳直接轉(zhuǎn)化為汽油。雖然損失了能量，但是無(wú)論是運(yùn)輸還是存儲(chǔ)的成本都會(huì)比氫氣或者是液氫要低很多。

未來(lái)成本下降以后，不僅汽油是環(huán)保的，還能為氫儲(chǔ)能商業(yè)化全球鋪開創(chuàng)造一種潛在路徑。而且隨著人造柴油等各種化合物被制造出來(lái)，那就可以實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到塑料、橡膠之類的跨越啊。

雖然我們現(xiàn)在也還在研發(fā)基于生物技術(shù)實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到柴油乃至橡膠的生物化學(xué)合成路徑的探索。未來(lái)搞清楚相關(guān)機(jī)理之后，搞點(diǎn)什么在宇宙里面直接用二氧化碳和氫氣制造塑料、橡膠什么的，那可是必需品。

這樣的話，我們就不用考慮要運(yùn)太多原材料到火星之類的其他星球了。需要的就只是各類反應(yīng)催化劑以及就地取材的水、二氧化碳、二氧化硅之類的東西了。

然后就可以利用3D打印和其他常見的制造術(shù)，原地開始建造各類設(shè)施和工廠，以相對(duì)火箭運(yùn)輸更低成本的制造出需要的各種化工原料和基礎(chǔ)物質(zhì)了。

這可比什么改造星球之類的成本會(huì)低很多，未來(lái)隨著農(nóng)業(yè)工業(yè)化的推進(jìn)，水培農(nóng)場(chǎng)、淀粉工廠、二氧化碳合成橡膠等等在外太空建造成為可能。地球以及未來(lái)的外星殖民地的能源利用效率和人口承載能力都將會(huì)得到極大的提升。更多的土地和資源可以解放出來(lái)，做更多有意義的事情。

看著這些東西一個(gè)一個(gè)變成現(xiàn)實(shí)，我真心覺得如果多活些時(shí)候，我們也許真能在太空殖民地好好感受一下宇宙的神奇和人類科技的偉大。也許到了那個(gè)時(shí)候，我們也有機(jī)會(huì)和馬斯克做一樣的夢(mèng)，安眠于浩瀚的太空中。

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