人工合成淀粉問(wèn)鼎諾獎(jiǎng)需 2 個(gè)條件
這兩天有一個(gè)刷屏的科技新聞：中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所聯(lián)合大連化物所在著名的《科學(xué)》雜志發(fā)表論文，公布了一項(xiàng)重大科研成果，即在實(shí)驗(yàn)室中以人工合成的方式，用二氧化碳和氫氣作為原料，合成出了淀粉，也有人把這個(gè)成果通俗地稱(chēng)為“空氣變饅頭”。（饅頭其實(shí)是用面粉做的，不過(guò)面粉里面也含有大量淀粉，一個(gè)比喻不用太較真）
很多人問(wèn)我：這個(gè)成就值不值一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)？我今天試著回答一下，個(gè)人淺見(jiàn)，僅供參考。我先說(shuō)我的答案：現(xiàn)在還很難講。我承認(rèn)，這個(gè)回答有點(diǎn)像是降雨概率 50%，聽(tīng)上去像是廢話。其實(shí)并不是廢話，你需要聽(tīng)我詳細(xì)解釋一下。從歷史經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的成就一般都需要符合 2 個(gè)特征：
它是從 0 到 1 的重大科學(xué)突破；
它對(duì)人類(lèi)的生活產(chǎn)生了重大影響。即這項(xiàng)科研成果必須要有一定規(guī)模的應(yīng)用。以這 2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，我們來(lái)考察一下人工合成淀粉獲得諾獎(jiǎng)的可能性有多大。
這項(xiàng)技術(shù)是從 0 到 1 的突破嗎？
我認(rèn)為是。淀粉雖然是生活中最常見(jiàn)，人類(lèi)最離不開(kāi)的物質(zhì)之一，但怎么高效地把二氧化碳變成淀粉，這事只有植物會(huì)。這是它們的天賦技能，其他的生物，不管是動(dòng)物還是真菌，都不會(huì)。從二氧化碳到淀粉的合成過(guò)程非常復(fù)雜。植物要想做到這一點(diǎn)需要進(jìn)行 60 步代謝過(guò)程，其中涉及到的生化調(diào)控更是無(wú)比復(fù)雜。要經(jīng)過(guò)光合作用、卡爾文循環(huán)、碳碳縮合、聚合生成等等等等，我估計(jì)除了光合作用大多數(shù)人都聽(tīng)過(guò)，其他這些名詞可能還是第一次聽(tīng)到。一直以來(lái)，盡管無(wú)數(shù)科學(xué)家想實(shí)現(xiàn)人工合成，但都沒(méi)有取得突破性進(jìn)展。所以，從科研的角度來(lái)說(shuō)，這肯定算得上是 0 的突破，與人類(lèi)第一次合成化肥、第一次合成蛋白質(zhì)、第一次成功克隆細(xì)胞是差不多等級(jí)的突破。
而且，這個(gè)突破還不只是把植物早就做到的事情又做一遍，我們甚至比植物做得還要好。就拿生成淀粉效率比較高的玉米舉例，玉米把二氧化碳變成淀粉的能量轉(zhuǎn)換效率只有 2%，而這次的人工合成淀粉技術(shù)，理論上可以把效率提高到 7%。換句話說(shuō)，種植玉米從播種到收獲大概要 2-4 個(gè)月的時(shí)間，而人工合成淀粉呢只需要 1-2 天的時(shí)間。我們都知道，種植玉米需要大量的土地，還需要看天氣。太冷太熱，發(fā)水干旱，有蟲(chóng)害都會(huì)造成減產(chǎn)甚至絕收，但人工合成就沒(méi)有這些麻煩事。我們可以在工廠里面全天 24 小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)。按照論文中公布的數(shù)據(jù)，只需要 1 立方米的生物反應(yīng)器，就能達(dá)到 5 畝玉米地的同等產(chǎn)量。
是否有可能大規(guī)模應(yīng)用？
很多媒體在報(bào)道這個(gè)新聞的時(shí)候，一般都會(huì)提到：有了這項(xiàng)技術(shù)，以后人類(lèi)就再也不用種地了，只需要像建化肥廠一樣建設(shè)糧食生產(chǎn)廠，原料就是二氧化碳和氫氣，或者就是水，水可以很容易被電解成氫氣和氧氣，這兩樣原料極為豐富，不僅地球上很豐富，火星上也一點(diǎn)都不缺。只需要有源源不斷的能源，就能生產(chǎn)出源源不斷的饅頭，這幅未來(lái)景象實(shí)在是太美好了。
這個(gè)想象本身并沒(méi)有錯(cuò)，理論上也成立，但是這幅未來(lái)圖景是不是真的能在二三十年內(nèi)到來(lái)，卻又是另外一個(gè)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題遠(yuǎn)比很多人想象得都要復(fù)雜。為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我們可以來(lái)看一下歷史上的兩個(gè)類(lèi)似案例。人類(lèi)第一次人工合成蛋白質(zhì)的壯舉也是中國(guó)科學(xué)家在 1965 年完成的，即人工合成牛胰島素，這也是從 0 到 1 的重大突破。當(dāng)時(shí)也有很多人認(rèn)為，未來(lái)世界可以用工廠生產(chǎn)出各種各樣的蛋白質(zhì)。但是，半個(gè)多世紀(jì)過(guò)去了，現(xiàn)在對(duì)于當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)，已經(jīng)足可以算得上“未來(lái)”了?，F(xiàn)在的情況是，不僅供人類(lèi)食用的蛋白質(zhì)不是人工合成的，就連胰島素也沒(méi)有走向人工合成的這條道路，而是利用基因工程，用微生物來(lái)大量制造。換句話說(shuō)，當(dāng)時(shí)暢想的未來(lái)圖景，并沒(méi)有真的實(shí)現(xiàn)。這個(gè)例子可以算是一個(gè)反例。我們?cè)賮?lái)看一個(gè)正面例子。就是人工合成化肥，更準(zhǔn)確點(diǎn)說(shuō)就是人工合成氨氣。我們都知道，在種植物的時(shí)候澆上糞便，會(huì)讓植物生長(zhǎng)得更旺盛。我記得我還是 3 歲小孩時(shí)，就已經(jīng)知道糞便是肥料了。糞便讓植物生長(zhǎng)旺盛的關(guān)鍵原因是里面含有的氨氣，氨氣實(shí)際上就是氮元素和氫元素的化合物。
圖：弗里茨·哈伯1903 年，德國(guó)化學(xué)家弗里茨·哈伯首次人工合成了氨氣。但哈伯的方法合成效率極低，人們普遍認(rèn)為沒(méi)有什么實(shí)際的生產(chǎn)價(jià)值，連哈伯自己都不看好。但是，從 0 到 1 的突破后，沒(méi)想到技術(shù)發(fā)展的速度極快，僅僅過(guò)了 10 年，世界上第一個(gè)生產(chǎn)氨氣的工廠就投產(chǎn)了，每天可以生產(chǎn) 3 ~ 5 噸的氨氣，相當(dāng)于多少噸糞便我就不算了。后面的故事不用多說(shuō)了。普遍認(rèn)為，地球人口的爆炸式增長(zhǎng)，化肥貢獻(xiàn)了一半原因，而另一半是抗生素。哈伯也獲得了 1918 年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
大規(guī)模應(yīng)用的阻礙在哪？
講到這里問(wèn)題來(lái)了：人工合成淀粉，是會(huì)更像人工合成蛋白質(zhì)一樣呢，還是會(huì)更像人工合成化肥呢？這個(gè)問(wèn)題我只負(fù)責(zé)給大家提供一些關(guān)鍵信息，結(jié)論還得你自己判斷。判斷一項(xiàng)技術(shù)最終能不能走向量產(chǎn)，成本是最關(guān)鍵的因素之一。這次人工合成淀粉的關(guān)鍵路徑是這樣的：先用二氧化碳和氫氣合成出甲醛，然后再用 10 種催化酶將甲醛通過(guò) 11 步復(fù)雜的催化反應(yīng)，最終合成出淀粉。植物生產(chǎn)淀粉基本上只需要二氧化碳和水就可以了，這次人工合成需要?dú)錃?。氫氣在自然界中基本不存在，得到氫氣需要額外的成本，但這個(gè)成本不算太高。但那三種酶的成本就不低了。我簡(jiǎn)單解釋一下什么是酶：酶也是一種蛋白質(zhì)，它們是生物體能含有的一種生物催化劑。比如說(shuō)，我們的口水中就含有大量的酶，它可以促進(jìn)食物在我們的嘴里進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，這也是為什么你咀嚼饅頭會(huì)越嚼越甜的原因。淀粉在口水中的酶的作用下，轉(zhuǎn)化成了糖。這次人工合成淀粉用到了 10 種不同的酶。據(jù)我查到的信息，這些酶首先是從各種生物中提取出來(lái)，然后再經(jīng)過(guò)人為的改造，整個(gè)技術(shù)的亮點(diǎn)或者說(shuō)難點(diǎn)就在于這 10 種酶的提取改造上。這個(gè)過(guò)程極其復(fù)雜，成本也極高?，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)肯定還不適合量產(chǎn)，跟種玉米比起來(lái)，那成本肯定是高得嚇人。
我從視頻中看到，實(shí)驗(yàn)人員展示的合成淀粉只有一小撮，根本不夠做一根粉條的，研究人員通過(guò)核磁共振成像的方式判斷出它們和真實(shí)的淀粉的分子結(jié)構(gòu)完全一樣。但記者問(wèn)他們有沒(méi)有試著做一個(gè)“饅頭”吃吃看呢？研究人員表示舍不得?？梢?jiàn)，合成出這點(diǎn)淀粉，代價(jià)和成本肯定是相當(dāng)高的。不過(guò)，任何一項(xiàng)技術(shù)都有一個(gè)從實(shí)驗(yàn)室到工廠的過(guò)程，有可能會(huì)發(fā)展的很快，也有可能一直找不到降低成本的方法，或者其他可替代技術(shù)快速發(fā)展起來(lái)，比如轉(zhuǎn)基因技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了用微生物更方便高效地生產(chǎn)淀粉，現(xiàn)在我所得到的信息還不足以讓我做出判斷。
這是星際殖民需要的核心技術(shù)嗎？
有些人可能會(huì)想：哪怕在地球上，本拼不過(guò)種植玉米，但把這個(gè)技術(shù)賣(mài)給馬斯克，他肯定要，因?yàn)榛鹦巧蠜](méi)法種玉米。這話說(shuō)得沒(méi)錯(cuò)，人工合成淀粉對(duì)于太空探索、星際殖民來(lái)說(shuō)，意義確實(shí)非常重大，它讓我們找到了不用在飛船上儲(chǔ)存很多食物的理論可能性。但你別忘了，不管是航空航天也好，火星殖民也好，他們所面臨的技術(shù)難題豈止是一個(gè)吃飯問(wèn)題，還有無(wú)數(shù)的技術(shù)問(wèn)題要解決，這是一個(gè)無(wú)比復(fù)雜的系統(tǒng)工程。人工合成淀粉要被應(yīng)用在太空探索這個(gè)領(lǐng)域，取決于我們?nèi)祟?lèi)是不是能在未來(lái)的幾十年內(nèi)用得上這項(xiàng)技術(shù)。換句話說(shuō)，要想讓生產(chǎn)淀粉的機(jī)器有用武之地，你得先生產(chǎn)出足夠好的宇宙飛船啊。就像你有一手好廚藝，但要有用，也得先有一個(gè)廚房才行。
結(jié)尾
以上就是我對(duì)人工合成淀粉的一些粗淺想法。希望大家能區(qū)分本文中哪些是事實(shí)陳述，哪些是觀點(diǎn)陳述，哪些是愿望，哪些是現(xiàn)實(shí)。對(duì)于任何一條科技新聞，全方面的收集信息，總沒(méi)壞處。希望本文能幫助你更全面地了解這項(xiàng)技術(shù)。
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