二氧化碳变淀粉:算多大事儿?-

作者:老和山下的小学僧来源公众号:老和山下的小学……

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作者:老和山下的小学僧
来源公众号:老和山下的小学僧
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给大伙转几则新闻标题,回顾一下当时的热闹景象。
我国首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成。
我国发明二氧化碳还原合成葡萄糖新方法。
我国实现二氧化碳到油脂的人工合成。
中国农科院实现从一氧化碳到蛋白质的合成。
技术细节且不提,先聊聊这算多大一事儿。

墒增定律与碳

在物理学众多定律中,“墒增定律”经常被人赋予极高的地位,因为它的另类表述非常符合普罗大众对未来的幻想:宇宙演化是一个从有序到无序的过程。
既然宇宙是从有序到无序,那么我想问问:最早的“有序”是从哪里来的?其实,按照现有的宇宙大爆炸模型,宇宙在诞生之初只是一锅粒子汤,非常的“无序”,后来粒子汤演化出恒星,恒星爆炸又产生了重元素,重元素形成了行星,行星上出现了生命,然后才有了你和我……貌似是一个从无序变有序的过程。
如果我们从能量转化角度来看这一切就舒服多了。首先,宇宙炸开之后的粒子汤具备很高的能量,接着这群高能量的粒子慢慢变成了低能量状态,多余的能量用来把所谓的无序变有序。整个过程当然会有些反复,有序变无序时就释放能量,无序变有序时就消耗能量。
对地球生物来说,在有序无序转化过程中,碳元素是一个非常重要的角色。地球上的动物植物几乎可以算是太阳能驱动的,植物通过光合作用,把无机物的碳变成有机物的碳,把太阳能存了进去;然后动物把植物吃了,获取能量的同时,把一部分有机物碳变回无机物碳,另一部分碳则继续各种转化,变成蛋白质、油脂等,最终通过呼吸作用、死亡腐败等不同途径变回二氧化碳。
从整个过程来看,碳就是一种能量载体,积累能量变成碳链,释放能量变回二氧化碳,生命就在这种循环中诞生、逝去。
不过,这一套流程的效率不太高。首先植物利用太阳光的效率不到1%,接着,动物每吃一轮,能量损失80%~90%,比如一头牛吃的青草含有100的能量,其中只有10~20积累到牛身上,然后我们再把这头牛吃了,最终只能获得1~4的能量。
那么问题来了,地球上接受太阳能的面积是恒定的,这些能量扣掉大气环流、水汽蒸发、地球热辐射等等基本开支,剩下的能量再经过动植物层层盘剥,最终能养活的人类数量也就有了上限。
所以,从长远来看,人类想要更高的发展,迟早得跳出食物链那种你吃我、我吃你的模式。
至于怎么跳嘛,这里有两条思路:其一,通过基因工程把人改造成能量利用率更高的生物,这路子太野,先放放;其二,采用效率更高的方式合成食物,这路子看着就靠谱多了,就它了。
之前我提过一个说法:纯天然的东西虽然不差,但往往不是最好的,只要人类搞清楚了微观机理,几乎没有一种纯天然的东西能好过人工合成的。淀粉这事儿,咱就有眉目了。
淀粉的代价
全球每年生产30亿吨粮食,从成分上讲,其中20亿吨是淀粉。从二氧化碳到淀粉,天然合成的路径有60多个反应,所以效率就有点勉强,对太阳光的利用率只有0.7%,因此,植物必须长时间、大面积接收太阳能,才能积累足够的能量。
换句话说,这30亿吨粮食消耗了大量土地、淡水资源以及100~150天左右的生长时间,这有多麻烦呢?
当前全球耕地总面积占陆地面积的10%,剩下的90%里,刨去南极、沙漠、高原、热带雨林等等,可耕种土地就剩20%了,也就是说,地球上可耕种的土地里已经有三分之一在耕种了。听着似乎潜力还有不少,但实际上,人类发展本身也会不可避免占掉一些好土地,所以耕地面积并没有那么乐观。
退一步说,即便耕种土地面积还能再挤出一倍,可淡水是真不充裕了,目前的粮食生产消耗了70%的淡水资源(注意,是淡水资源,不是淡水总量)。即便未来育种技术、肥料技术再上几个台阶,自然合成淀粉的理论效率只有2%,这就算到顶了。
显然,就算一年365天都在种地,也不可能指望这2%来彻底解决土地和淡水的问题,所以接下来的局面就很明朗了,提高淀粉合成的能量利用率,势在必行。

生物反应说到底就是一堆化学反应的组合,植物把二氧化碳合成淀粉有60多步反应,虽然能利用大气中稀薄的二氧化碳和能量密度并不高的太阳能,成本不高,但效率也不高,综合下来不算是最佳方案。
于是,中国科学家设计了一条全新的合成路径,整个过程只要11步反应。简单来说,就是利用氢气还原二氧化碳合成甲醇(只有1个碳原子),再用甲醇继续拼接出更多的碳链,直到最后的淀粉,从核磁分析和吸收光谱看,合成的淀粉与自然淀粉完全一致。
不过这里有个问题,氢气可不是白来的,也得花成本,假设我们用太阳能制氢来驱动整个反应的话,太阳能的利用率可以超过10%,而且碳转化速率是自然界玉米淀粉合成的8.5倍。什么概念呢?一吨的反应罐年产淀粉相当于5亩玉米的产量。更可喜的是,研究人员表示,目前只是起步,未来能量转化效率和淀粉合成速率还能继续提高。
其实从经济层面讲,甲醇也是一个不错的工业原料,如果二氧化碳制甲醇利索的话,后面要不要合成淀粉并不着急。实际上,现在很多人都在想办法把二氧化碳变成各种工业原料,比如咱山上恰好有一僧,从事二氧化碳合成聚氨酯的工作,而且已经有产业化的趋势了。
不过从技术层面讲,找到一条比自然界更高效的淀粉合成路径,当然是更值得庆贺的事情。但是对生命来说,搞定一个淀粉是远远不够的,最好能把果蔬禽畜的所有成分都像工业品一样生产出来。眼下虽然做不到,这话却也不是天方夜谭。
这次人工合成淀粉的最大亮点是模块化,合成淀粉的过程很像是搭积木。淀粉分子有N个碳原子,但甲醇只有1个碳原子,科学家把1个碳拼接成N个碳的过程分成了几个模块,这就为将来拼接蛋白、油脂等其他物质提供了想象空间。
二氧化碳变淀粉:算多大事儿?- 精选文章 第1张
虽然现在我们也能用二氧化碳合成脂肪酸,但过程中要用微生物,不算纯粹意义上的人工合成,更像是一种发酵工艺,而合成淀粉则是单纯的化学法,每一步反应都清清楚楚。
不过,无论是发酵还是化学合成,都已经具备了工业化的曙光(只是曙光而已)。说得极端一点,农业可以升级为工业,农产品不再是地里长出来的,而是流水线上生产出来的。
这是不是意味着我们可以使劲糟蹋耕地了呢?
为时尚早
往远了看,别说是淀粉这点事,宇宙间所有规律都可以被认识并加以利用。从这个角度说,只要有了能量和元素, 便可万事不愁,你可以用碳氢氧合成任何你想要的有机物。
从人类诞生到现在,一直干着“把有机物变二氧化碳并获取能量”的勾当,至于“如何消耗能量把二氧化碳变回有机物”这种费力气的事情很少有人考虑。也就是说,在人类的生产活动中,二氧化碳循环并没有形成闭环。那大气中的二氧化碳都去哪里了呢?
大气层中的二氧化碳一部分靠植物光合作用消耗,一部分溶于海洋,再转化成别的形态,还有一部分溶于水中与岩石土壤反应,生成碳酸盐,地球上绝大部分碳原子就在碳酸岩中。这些途径每年吸收的二氧化碳总量是相对稳定的。
随着人类人类排放二氧化碳的增加,这种平衡就会被打破。且不说二氧化碳增加与地球变暖的关系吧,眼看着大气里的二氧化碳浓度不断上升,你能放心?可惜,二氧化碳是能量较低的一种碳形态,把二氧化碳变成别的任何东西,都要消耗能量,很难有经济性。
于是,我们就迎来了一道计算题。
已知,二氧化碳增加会导致人类付出代价,又知,处理二氧化碳会消耗能源,那么,二氧化碳增加到什么程度,人类付出的代价会超过处理二氧化碳的成本?
显然,这道题没有标准答案,大家各有各的想法。有人认为二氧化碳就是大忽悠,大家敞开了干,保证啥事儿没有;也有人认为世界末日说来就来,现在宁可饿死也不能呼出更多二氧化碳了。
咱们这边的策略相对理性,大力发展绿色能源(包括核能),先确保二氧化碳不再快速增加,然后徐徐图之。说个题外话,中国核能的发展快到有点让人意外,在这里本僧斗胆放个狠话:核聚变之前的能源革命,大概率会发生在中国。
等未来能源成本下降了,甚至再奢望一下,搞定了核聚变,那就可以考虑大规模处理二氧化碳了。不然的话,除非人类因为二氧化碳增加付出的代价已经超过了能源成本,否则是绝不会那么自觉的。其实,看看最近的欧洲就知道了,能源价格一涨,二氧化碳排放的事情就立马放一边了。

最后,咱们把心思放远一点,如果能熟练的利用二氧化碳合成各种有机物,别的不说,至少带地球去流浪的时候,我们再也不用吃蚯蚓干了。

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