二氧化碳变淀粉：算多大事儿？

老和山下的小学僧 · 公众号 · · 2022-11-13 20:42

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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。

熵增定律与碳

在物理学众多定律中，“熵增定律”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。

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。