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撰文 | 王怡博
审校 |
clefable
按照美国位于宾夕法尼亚州的科学史研究所的记录，
法国化学家马塞林·贝特洛（Marcellin Berthelot）是最早预测餐桌上的食物会被合成食品取代的化学家
。1894年，麦克卢尔（
McClure
）杂志刊登了一篇有关贝特洛的报道，文中称贝特洛表示，到2000年农场和牧场将会消失。
如果你了解
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世纪的化学，也许就会知道
贝特洛为什么这么自信。
在很长一段时间里，化学家一直认为有机物不可能在实验室中利用无机物人为制造出来，只能从生物体内在一种所谓“生命力”（vital force）的作用下分离出来。
直到德国化学家弗里德里希·维勒（Friedrich Wöhler）于1828年意外合成出了尿素，有机物与无机物之间的这种界限才被打破
。
当时维勒原本在试图通过氰酸与氨制备氰酸铵，结果迟迟没能得到想要的产物，却反复产生一种未知的物质，最终维勒将这种物质确定为尿素。维勒给他的导师写信说道，现在我们无需肾脏，
用无机物就能制造出尿素（有机物）
了。而
在那之前，尿素被认为只是一种天然产物。
尿素的人工合成强烈冲击了化学家此前对有机物的认知，也
因此开创了一个有机合成的新时代
。这一领域内的化学家们专注于从头开始制造已知或未知的物质。难怪在这个时代成长起来的化学家（如贝特洛）相信“合成”创造未来。
后来到20世纪30年代，工业化学发展迅速，化学家合成了各种药物、营养物质和工业品。
一些化学家也预测，食物最终不过也是实验合成的一些化学物质的组合
。
从空气中制造食物？
那时有德国化学家正在试图弄清楚如何将煤炭转化为食物。
这听起来简直不可思议但细想又似乎合乎逻辑。
一方面，在工艺上，德国化学家早在20世纪20年代就已经开发出一种名为“费托合成”（Fischer-Tropsch process，又称F-T合成）的工艺，它以主要源于煤炭的合成气（一氧化碳和氢气的混合气体）为原料，在铁基或钴基催化剂和适当条件下合成出烷烃、烯烃、醇类、含氧化合物等有机化合物。
另一方面，
燃料与食物之间还是有些相似之处
，毕竟化石燃料主要由碳氢化合物组成，而这正是构成许多脂肪与油的成分。重要的是，这与美国航空航天局（NASA）在20世纪60年代思考的问题不谋而合。不过，
NASA的科学家将目光投向了化石燃料燃烧后另一种不受待见的常见产物——二氧化碳
。
对于宇航员执行长期太空任务所面临的粮食供应问题，NASA科学家发现，如果把宇航员呼出的二氧化碳收集起来，然后喂给一类特殊的微生物，那么很有可能产生宇航员所需的营养物质。
这些微生物属于嗜氢菌，与光合菌不同
，它们不需要阳光，只需要利用氢气中固有的化学能，就能以二氧化碳作为唯一碳源生长，并
把二氧化碳转化为许多有机物，从而为宇航员提供食物
。
不过，NASA的这一概念被搁置了很久，几乎被遗忘，直到近些年才被科学家重新注意到。2008年，研究员丽莎·戴森（Lisa Dyson）和约翰·里德（John Reed）在寻找减缓全球变暖的解决方案时，发现了NASA在20世纪60年代及70年代有关利用二氧化碳制造食物的研究。
他们受此启发，想到能否将现代生物技术应用于这类研究，然后
依靠微生物把二氧化碳以及其他气体和简单的无机物营养物质，转化为需要的有机物
。这个过程有点像酿酒，不过发酵用的是二氧化碳和水，而不是酵母和糖。
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正是在那一年，戴森和里德创立了一家总部位于美国加利福尼亚州的初创公司Kiverdi，致力于将二氧化碳转化为食物和生物基产品，包括蛋白质和棕榈油。其中，棕榈油是世界上最常见的植物油，现在为生产棕榈油已经砍伐了一片又一片森林。然而，无需土地的“凭空”制造技术却能很好地解决这些问题。另外，除了蛋白质和油，Kiverdi拆分出的一家公司
Air Protein已经用这种方法从空气中创造出了肉
。
靠二氧化碳养活地球？
2023年，由美国加利福尼亚大学欧文分校、加拿大滑铁卢大学和清华大学深圳国际研究生院组成的研究团队也实现了类似的结果，在实验室里用二氧化碳和水制成了黄油。
根据比尔·盖茨（Bill Gates）的亲身试验，它尝起来还不错，跟真正的黄油几乎一样
。
黄油或肉类那种独特的丰富、易融、多汁的口感与风味主要源于其中的动物脂肪，这些分子中的碳氢链可以利用从空气中吸收的二氧化碳以及从水中得到的氢气，然后通过一系列生物化学过程将它们转化为与动物和植物中发现的脂肪极其相似的脂肪分子。
结果也证实，
由此得到的有机分子与真正的食物相比，
化学组成上一样，味道也不差
，尽管仍需进一步改善，以吸引更多的消费者。
更重要的是，这项工艺不需要农田和农作物，用水量也不到传统农业的千分之一，并且
不会释放任何温室气体
。这正是
这些科学家的目的所在
。
据估计，全球每年排放510亿吨温室气体，其中动植物产生的脂肪和油占7%。
而且
根据预测，世界人口将继续增长，到2050年达近百亿。
为了应对气候变化，并养活越来越多的人口，我们亟需开发新的可持续的食物生产方式，而
这
种无需农场的生产方式却证明可以显著减少我们的碳足迹
。
通过电化学耦合生物发酵实现二氧化碳和水转化为长链产物的示意图。图片来源：中国科学院深圳先进技术研究院（SIAT）
另外，实际上，
科学家一直在试图将二氧化碳这种需要储存或处理的温室气体，转化为更有用的化学品
，包括乙烯、甲醇，甚至是乙醇、乙酸、乙醛，以及碳链更长的有机物。例如，2022年4月，电子科技大学材料、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所与中国科学技术大学的研究人员合作，通过电催化将二氧化碳和水合成高纯乙酸，然后以乙酸和乙酸盐为碳源，经过生物发酵合成出了葡萄糖和脂肪酸等长碳链分子。
但这项工艺目前最大的挑战在于，
价格还比较高，营养价值以及风味还需要进一步改善，以便吸引更多的消费者
。另外，现在有流行病学研究将摄入较多的超加工食品与心脏病、抑郁症和体重增加联系起来，而“凭空”制造的食品对健康的影响似乎还需要更多的研究与讨论。
