我國(guó)科學(xué)家又搞事情了，讓我們的有生之年系列再添“新成員”。
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就在日前，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在國(guó)際上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成，并于北京時(shí)間9月24日將該成果發(fā)表在了國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上。 禸嫆@唻洎：狆國(guó)湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
二氧化碳變淀粉？聽(tīng)起來(lái)像是個(gè)魔術(shù)，又有點(diǎn)魔幻，但它卻是一項(xiàng)千真萬(wàn)確的科研成果，仿佛就是魔幻現(xiàn)實(shí)主義的真實(shí)寫(xiě)照。
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淀粉是碳水化合物的一種儲(chǔ)存形式，是人類(lèi)飲食中能量的主要來(lái)源。如果這一成果能被實(shí)際應(yīng)用，以后就算窮的只能喝西北風(fēng)了，也管飽！ 本+文+內(nèi)/容/來(lái)/自:中-國(guó)-碳-排-放（交—易^網(wǎng)-tan pai fang . com
科技的日新月異給我們帶來(lái)了太多的“活久見(jiàn)”，作為現(xiàn)代社會(huì)的第一生產(chǎn)力，科技的一次次創(chuàng)新突破極大的推動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展和人類(lèi)的進(jìn)步。
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但一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)想要產(chǎn)生變革性的影響，工業(yè)化是必經(jīng)之路，而這需要科學(xué)、商業(yè)、社會(huì)等多個(gè)領(lǐng)域共同來(lái)完成，缺少任何一環(huán)都行不通。 禸*嫆唻@洎：狆國(guó)湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
我國(guó)由于科技發(fā)展較晚，曾一度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，為了避免“落后挨打”，科學(xué)家們奮起直追，數(shù)十年如一日潛心科研，在短短的幾十年間，取得了讓世界刮目的成就。
二氧化碳到淀粉的從頭合成這一原創(chuàng)性、顛覆性的突破，在國(guó)際上也引發(fā)了專(zhuān)家的熱議。 禸*嫆唻@洎：狆國(guó)湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
對(duì)于我們大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，這一科研成果就像是把“不可能變成了可能”。那么這一超認(rèn)知的過(guò)程到底是怎么實(shí)現(xiàn)的了？對(duì)我們未來(lái)的生活又會(huì)帶來(lái)哪些影響呢？ 內(nèi).容.來(lái).自：中`國(guó)*碳-排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fa ng.com
中國(guó)原創(chuàng)性突破 本+文+內(nèi).容.來(lái).自：中`國(guó)`碳`排*放*交*易^網(wǎng) t a np ai fan g.com
眾所周知，淀粉主要由農(nóng)作物通過(guò)光合作用，將太陽(yáng)光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化而成，這一過(guò)程涉及60余步的代謝反應(yīng)和復(fù)雜的生理調(diào)控，對(duì)太陽(yáng)能的理論利用效率不超過(guò)2%。
為了提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化速率和光能的利用效率，最終提升淀粉的生產(chǎn)效率，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所研究員馬延和帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，采用一種類(lèi)似“搭積木”的方式，成功創(chuàng)制了一條利用二氧化碳和電解產(chǎn)生的氫氣合成淀粉的人工路線，并在實(shí)驗(yàn)室中首次實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到淀粉分子的全合成。 本文+內(nèi)-容-來(lái)-自；中^國(guó)_碳+排.放_(tái)交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om
圖/利用二氧化碳經(jīng)ASAP合成淀粉人工淀粉代謝合成途徑（ASAP）由11種核心反應(yīng)組成，在一個(gè)具有時(shí)空隔離的化學(xué)酶系統(tǒng)中，在氫氣的驅(qū)動(dòng)下，ASAP以每毫克催化劑每分鐘消耗22nmol的二氧化碳來(lái)合成淀粉。
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圖/人工淀粉合成途徑的設(shè)計(jì)和模塊組成這一人工途徑的淀粉合成將約60步的代謝反應(yīng)縮短為11步，其合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍，可謂是向設(shè)計(jì)自然、超越自然的目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。 內(nèi)/容/來(lái)/自:中-國(guó)-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
這看似短短的11步，卻是“步步艱險(xiǎn)”，馬延和團(tuán)隊(duì)在這一項(xiàng)目研究過(guò)程中遇到了種種難題，但終究一一攻克并取得了重大突破。
“植物合成淀粉的機(jī)制非常復(fù)雜，但從化學(xué)本質(zhì)上來(lái)看，還是還原、縮合、重排、聚合的過(guò)程。”天津工業(yè)生物所副研究員蔡韜說(shuō)。 夲呅內(nèi)傛萊源?。骇鎲┨?排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
他介紹，在這一過(guò)程中主要實(shí)現(xiàn)了三大突破。從重新設(shè)計(jì)自然代謝途徑開(kāi)始，首先解決了途徑計(jì)算設(shè)計(jì)中普遍存在的不適配難題，團(tuán)隊(duì)用計(jì)算機(jī)可以設(shè)計(jì)出很多條合成途徑，通過(guò)各種模塊的組裝和適配，最終篩選出了符合條件的路徑，跨越了從虛擬到現(xiàn)實(shí)的鴻溝,將自然淀粉復(fù)雜的合成過(guò)程簡(jiǎn)約至只有11步主要反應(yīng)。
其次，突破了不同來(lái)源、不同遺傳背景的生物酶之間熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)難以匹配的瓶頸，跨越了自然緩慢進(jìn)化的鴻溝，超越了生物代謝途徑億萬(wàn)年的進(jìn)化效果，淀粉合成速率大大提高。
最后，從二氧化碳到淀粉的人工合成克服了化學(xué)和生物協(xié)同催化的障礙，實(shí)現(xiàn)利用高密度的電氫能合成淀粉分子，跨越了生化反應(yīng)能量傳遞的鴻溝，理論能量轉(zhuǎn)化效率是玉米的3.5倍。 內(nèi).容.來(lái).自：中`國(guó)*碳-排*放*交*易^網(wǎng) t a npai fa ng.com
這當(dāng)中最大的難題當(dāng)屬如何讓不同來(lái)源的酶元件按照設(shè)計(jì)的路徑在一起有效工作，研究團(tuán)隊(duì)為此測(cè)試了不同來(lái)源的酶元件，設(shè)計(jì)、改造了多個(gè)酶基因，做了上百種不同的組合測(cè)試。 本`文@內(nèi)-容-來(lái)-自；中_國(guó)_碳排0放_(tái)交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om
得益于這些研究上的突破，二氧化碳到淀粉的碳轉(zhuǎn)化速率和效率顯著提升。按照目前技術(shù)參數(shù)推算，在能量供給充足的條件下，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5畝玉米的淀粉年平均產(chǎn)量（按我國(guó)玉米淀粉平均畝產(chǎn)量計(jì)算）。
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這一成果不僅對(duì)未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是糧食生產(chǎn)具有革命性影響，而且對(duì)全球生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展也有里程碑意義。
應(yīng)用可能不遠(yuǎn)了 本文@內(nèi)/容/來(lái)/自:中-國(guó)-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com
馬延和說(shuō)，這項(xiàng)研究不是自由探索的基礎(chǔ)研究，而是需求導(dǎo)向、問(wèn)題導(dǎo)向、目標(biāo)導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究。也就是說(shuō)，這項(xiàng)研究成果除了具有重要的科學(xué)意義，本身還具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
近年來(lái)，全球氣候變化導(dǎo)致的極端天氣頻現(xiàn)，糧食安全、能源資源短缺、生態(tài)環(huán)境污染等問(wèn)題也十分突出。為了應(yīng)對(duì)這一系列的挑戰(zhàn)，世界各國(guó)都在不斷的尋求自救之法。 本*文`內(nèi)/容/來(lái)/自:中-國(guó)-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
而二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)的突破，為解決人類(lèi)的生存危機(jī)提供了一條很有效的途徑。因此，雖然這一科研成果從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，但必須走，路雖遠(yuǎn)，行者將至。
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正如中科院副院長(zhǎng)周琪所說(shuō)，該成果目前尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的距離，后續(xù)還需要盡快實(shí)現(xiàn)從“0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的轉(zhuǎn)換，最終真正成為解決人類(lèi)發(fā)展面臨重大問(wèn)題和需求的有效手段和工具。 本文+內(nèi)-容-來(lái)-自；中^國(guó)_碳+排.放_(tái)交^易=網(wǎng) t a n pa ifa ng .c om
1831年，英國(guó)的法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，60多年后赫茲在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了電磁波的存在。如今看來(lái)，電磁波的發(fā)現(xiàn)，是"有線電通信"向"無(wú)線電通信"的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也是整個(gè)移動(dòng)通信的發(fā)源點(diǎn)。但在當(dāng)時(shí)誰(shuí)也無(wú)法想象這一實(shí)驗(yàn)室成果會(huì)對(duì)人類(lèi)的生活帶來(lái)翻天覆地的變化。
上個(gè)世紀(jì)三十年代，當(dāng)?shù)谝徊克^的移動(dòng)通訊電話誕生的時(shí)候，由于體積太大，研究人員只能把它放在實(shí)驗(yàn)室的架子上。 本/文-內(nèi)/容/來(lái)/自:中-國(guó)-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
直到1985年，第一臺(tái)現(xiàn)代意義上的可以商用的移動(dòng)電話才誕生。
手機(jī)的出現(xiàn)之所以經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，是由于電磁波的發(fā)現(xiàn)是基于自由探索的基礎(chǔ)研究，對(duì)于它的應(yīng)用方向一開(kāi)始并不是完全明確的，支撐理論應(yīng)用的硬件基礎(chǔ)也還不夠完善。 本文`內(nèi)-容-來(lái)-自；中_國(guó)_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om
但在二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破的今天，我們已經(jīng)有了更加豐富的基礎(chǔ)理論積累，硬件配套也變得足夠完善。 本`文@內(nèi)-容-來(lái)-自；中_國(guó)_碳排0放_(tái)交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om
最重要的在于，這是一項(xiàng)目標(biāo)導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究，對(duì)于這一研究的應(yīng)用方向足夠明確，對(duì)于應(yīng)用的需求也是十分的強(qiáng)烈。
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如此看來(lái)，這一成果能否工業(yè)化，結(jié)果是肯定的，而且可能會(huì)來(lái)的很快。
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那么，這一研究成果一旦應(yīng)用到底能給我們帶來(lái)哪些影響呢？ 本`文@內(nèi)/容/來(lái)/自:中-國(guó)^碳-排-放^*交*易^網(wǎng)-tan pai fang. com
如何改變未來(lái)？ 本文`內(nèi)-容-來(lái)-自；中_國(guó)_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om
1）保障糧食安全
民以食為天，縱觀歷史，糧食是維系整個(gè)社會(huì)穩(wěn)定的重要因素。
據(jù)聯(lián)合國(guó)發(fā)布的報(bào)告顯示，受蝗災(zāi)、疫情和極端天氣產(chǎn)生的洪澇災(zāi)害等因素的影響，2020年全球新增1.3億饑餓人口，全世界有6.9億人正處于饑餓狀態(tài)，共有25個(gè)國(guó)家面臨嚴(yán)重饑餓風(fēng)險(xiǎn)，世界瀕臨至少50年來(lái)最嚴(yán)重的糧食危機(jī)。
俄羅斯、塞爾維亞、越南、哈薩克斯坦等國(guó)為確保本國(guó)的糧食安全均已經(jīng)限制糧食出口。放眼全球的206個(gè)國(guó)家與地區(qū)中，也只有33個(gè)國(guó)家和地區(qū)能做到糧食自給自足。 本*文`內(nèi)/容/來(lái)/自:中-國(guó)-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
糧食危機(jī)并非危言聳聽(tīng)。 禸嫆@唻洎：狆國(guó)湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
淀粉作為人類(lèi)飲食中能量的主要來(lái)源，我們可以利用合成的淀粉生產(chǎn)各種各樣的材料和食品，因此，這項(xiàng)研究成果對(duì)于保障糧食安全舉足輕重。
農(nóng)作物的種植通常需要數(shù)月的周期，使用大量的土地、淡水、肥料等資源，對(duì)于自然環(huán)境變化的抗性也較差。 本文@內(nèi)/容/來(lái)/自:中-國(guó)-碳^排-放-交易&*網(wǎng)-tan pai fang . com
如果二氧化碳到淀粉的人工合成技術(shù)能夠工業(yè)化，將使淀粉生產(chǎn)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車(chē)間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，淀粉的生產(chǎn)將不再受干旱等惡劣天氣和自然災(zāi)害的影響，生產(chǎn)效率更是玉米淀粉合成速率的8.5倍，消除饑荒也指日可待。
即便是無(wú)法完全滿足食物淀粉的需求，替代一部分糧食淀粉作為工業(yè)原料、飼料等也可極大的緩解農(nóng)業(yè)壓力。
2）改善環(huán)境 本文`內(nèi)-容-來(lái)-自；中_國(guó)_碳_交^易=網(wǎng) tan pa i fa ng . c om
目前，我國(guó)土地化肥農(nóng)藥的使用量觸目驚心，我國(guó)糧食產(chǎn)量占世界的16%，化肥用量占31%，每公頃用量是世界平均用量的4倍，過(guò)量的化肥很快被水沖到地下，影響土壤的營(yíng)養(yǎng)平衡。
而我國(guó)每年180萬(wàn)噸的農(nóng)藥用量，有效利用率不足30%，多種農(nóng)藥造成了土壤污染，甚至使病蟲(chóng)害的免疫能力增強(qiáng)。不斷加劇的農(nóng)藥使用，對(duì)于環(huán)境、農(nóng)地糧食和食品殘留帶來(lái)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。 本+文`內(nèi)/容/來(lái)/自:中-國(guó)-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
農(nóng)業(yè)農(nóng)村部部長(zhǎng)韓長(zhǎng)賦曾撰文指出，中國(guó)當(dāng)前耕地過(guò)度利用、土壤污染，導(dǎo)致耕地質(zhì)量的下降，正成為威脅中國(guó)糧食安全的另一個(gè)隱憂。
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也就是說(shuō)，土壤的污染會(huì)最終成為影響糧食安全的一個(gè)隱患，那么反過(guò)來(lái)，利用工業(yè)車(chē)間生產(chǎn)模式替代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式會(huì)減少土壤的利用，也會(huì)讓土壤污染的情況得到改善。 本+文`內(nèi)/容/來(lái)/自:中-國(guó)-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
如果未來(lái)二氧化碳合成淀粉的應(yīng)用過(guò)程成本能夠降低到與農(nóng)業(yè)種植相比具有經(jīng)濟(jì)可行性，可節(jié)省超過(guò)90%的土地和淡水資源，化肥和農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題也會(huì)迎刃而解。 禸嫆@唻洎：狆國(guó)湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
節(jié)省的土地，還可用于退耕還林，擴(kuò)大森林覆蓋面積。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)，森林碳匯在降低大氣中溫室氣體濃度、減緩全球氣候變暖中，具有十分重要的作用，也是短期實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要一環(huán)。
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說(shuō)到“碳中和”，二氧化碳合成淀粉為二氧化碳原料直接合成復(fù)雜分子開(kāi)辟了新的技術(shù)路線，而這一技術(shù)路線又為推進(jìn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了一種新思路。 本*文`內(nèi)/容/來(lái)/自:中-國(guó)-碳^排-放“交|易^網(wǎng)-tan pai fang . c o m
3）助力太空探索 本`文@內(nèi)-容-來(lái)-自；中_國(guó)_碳排0放_(tái)交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om
自從人類(lèi)將目光投向了宇宙，便再也沒(méi)有停下過(guò)對(duì)于外太空的探索。“外星移民計(jì)劃”也早已被提上了日程，二氧化碳合成淀粉，無(wú)疑是給這一暢想增加了一項(xiàng)技術(shù)保障。 本`文@內(nèi)-容-來(lái)-自；中_國(guó)_碳排0放_(tái)交-易=網(wǎng) t an pa ifa ng . c om
火星、金星等星球的大氣中都以二氧化碳為主，若能直接轉(zhuǎn)化為淀粉，人類(lèi)的主要能量供給問(wèn)題便得到了解決。這將讓人類(lèi)長(zhǎng)期開(kāi)展星球探索，甚至星球移民變得更加容易。 本*文@內(nèi)-容-來(lái)-自；中_國(guó)_碳^排-放*交-易^網(wǎng) t an pa i fa ng . c om
雖然“外星移民計(jì)劃”目前還只能在科幻電影中實(shí)現(xiàn)，但隨著科技的發(fā)展，阻礙人類(lèi)走向外太空的技術(shù)一一突破，人類(lèi)終將征服星辰大海。
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我國(guó)科學(xué)家首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
正如馬延和所說(shuō)，這一成果研究設(shè)計(jì)、組裝出一種自然界不存在的淀粉合成代謝途徑，并使其工作效率大幅高于自然生物過(guò)程，解決了生物功能從虛擬到現(xiàn)實(shí)、人工途徑生物進(jìn)化、生化反應(yīng)能量傳遞等科學(xué)難題。
雖然從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化應(yīng)用還面臨眾多的科技挑戰(zhàn)和經(jīng)濟(jì)性可行性問(wèn)題，但孕育了巨大的產(chǎn)業(yè)變革新機(jī)。
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對(duì)于把二氧化碳資源轉(zhuǎn)變?yōu)槭称?、材料、化學(xué)品等綠色低碳產(chǎn)業(yè)發(fā)展將產(chǎn)生重大影響，對(duì)于保障糧食安全、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略性意義，同時(shí)也將為人類(lèi)探索太空創(chuàng)造更多的可能性。 禸*嫆唻@洎：狆國(guó)湠棑倣茭昜蛧 τāńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
相較于這些深遠(yuǎn)宏大的影響，這種突破傳統(tǒng)認(rèn)知的變革，對(duì)人類(lèi)的沖擊力往往是巨大的。 本/文-內(nèi)/容/來(lái)/自:中-國(guó)-碳-排-放-網(wǎng)-tan pai fang . com
對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)，可能更關(guān)心的是非自然生產(chǎn)食品的安全問(wèn)題，即使二氧化碳合成淀粉從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)與之前引起巨大爭(zhēng)議的轉(zhuǎn)基金食品并不相同。
新的技術(shù)誕生并不意味著就會(huì)扼殺人們的選擇權(quán)，擁抱新的科技并不妨礙我們繼續(xù)享受手中美味的玉米。
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參考資料：
1.《領(lǐng)先全球！中國(guó)首發(fā)顛覆性成果：用CO2人工合成淀粉》科技日?qǐng)?bào) 夲呅內(nèi)傛萊源亍：ф啯碳*排*放^鮫*易-網(wǎng) τā ńｐāīｆāńɡ.ｃōｍ
2.《我國(guó)科學(xué)家在合成生物學(xué)領(lǐng)域取得重大突破，系國(guó)際上首次實(shí)驗(yàn)室里“種”淀粉》中國(guó)科學(xué)院
3.《“從0到1”，我國(guó)用二氧化碳人工合成淀粉取得重大原創(chuàng)性突破》中國(guó)科學(xué)院
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