粮食不用土地种植，工厂就能生产，如此天方夜谭的一幕，居然梦想成真了！中国科学家们已经突破了二氧化碳人工合成淀粉的关键技术，也许不久的将来，“喝西北风”真的就能管饱呢！
自然界中二氧化碳是怎么变成淀粉的？
二氧化碳怎么就能变成淀粉呢？在回答这个问题之前，我们先来看看过去的粮食是怎么种出来的，其实道理说来也很简单，就是利用植物的光合作用，将太阳光能转化为化学能，存储在淀粉之中。
具体的说就是，秧苗在田地里被太阳照射，二氧化碳和水在太阳光和催化酶的作用下，形成有机物和氧气的过程，化学方程式是这样的：6CO2+6H2O（ 在光照条件下、在叶绿体内发生反应）→形成C6H12O6[（CH2O）n]+6O2，这里的光照是条件， 是场所，二氧化碳和水是原料，最后的结果就是生成C6H12O6，也就是我们常说的葡萄糖。
再来细分一下，光合作用分为两个阶段：一个是光反应，一个是卡尔文循环。
先来说说光反应是怎么回事，光反应发生在叶绿体之内，当光线照射叶绿体，首先是光解水，产生氢原子、核外电子和氧原子，其中的氧原子经过重组形成氧分子，就是我们呼吸的氧气。
光反应释放的高能氢原子 和电子，跟细胞里的二磷酸腺苷，简称ADP，结合之后就形成了储能的ATP三磷酸腺苷。
除此之外，植物体内还有一种叫做NADP+的辅助酶，这种酶也通过光反应提供的能量，结合氢原子变成储能的还原型辅酶NADPH，这样一来，光能通过光反应，把光能转变成化学能存储在叶绿体内的三磷酸腺苷ATP和NADPH辅助酶之中了。
简单总结一下，光反应就是光能电解水，一方面产生氧气，另一方面产生氢原子和电子两种高能粒子，这两种微观粒子在细胞里的发生一系列反应，把能量存储到叶绿体中的ATP和NADPH中了，光能变成了化学能。
光合作用除了产生氧气，还有就是吸收二氧化碳，那么二氧化碳又是怎么被吸收的呢？光反应存储的化学能量又是怎么转移到葡萄糖中的呢？这就牵涉到第二个过程，卡尔文循环。
卡尔文循环这个词得名于美国生物学家卡尔文，卡尔文循环的过程大致是这样的：植物体内的叶绿体的基质里有一种:名叫核酮糖RuBP的五碳糖，这种五碳糖在吸收二氧化碳中的碳元素之后，就变成了新的六碳糖，六碳糖经过分裂又变成两个三碳糖，叫做PGA磷酸甘油酸，前面我们说来，光反应把光能转变成化学能，存储在ATP和NADPH中，到了这个时候，ATP和NADPH，就又把存储的化学能转移到三碳糖PGA磷酸甘油酸当中，吸收了化学能量之后的PGA又变成了另一种三碳化合物，叫PGAL磷酸甘油荃，注意!卡尔文循环到了这一步，开始了一个有趣的分叉，就是这个PGAL磷酸甘油荃，一部分经过酶化反应，又重新变成最初的五碳糖RuBP，重新循环；另一部分就变成了新的六碳化合物，这就是葡萄糖！葡萄糖之后再经过催化酶的作用，就变成淀粉或者蔗糖。
简单一句话就是，光合作用就是通过一系列生物反应，把光能转化成化学能，存储到淀粉中，这里面涉及到60多步的生物化学反应和复杂的生理调控。
人工合成淀粉是怎么实现的？
了解了植物的光合作用之后，我们再来看看人工淀粉是怎么合成的？工合成淀粉大体上可以认作是对植物光合作用的借鉴，这其中的过程既有模拟，也有创新。
首先来看光反应，人工模拟的光反应和自然界的光反应有所不同的是，这里先是通过太阳能板将光能转化成电能，然后再去电解水，产生氢气和氧气，然后氢气和二氧化碳在催化剂氧化锌的作用下，发生反应产生甲醇CH3OH【H2+CO2=CH3OH+H2O】,这里光能就被转化成化学能存储在甲醇中了，而甲醇还有一个名字叫“液态阳光”，这和自然界中光能存储在叶绿体中的ATP和NADPH不一样。
接下来第二步就是对卡尔文循环的模拟，甲醇储存了来自太阳的能量，但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程，于是科研人员利用合成生物学的思想，从海量的生物化学反应数据中，设计出了甲醇到淀粉的人工路线ASAP，就是人工淀粉合成途径的英文缩写。
前面我们说了，植物体内的卡尔文循环有60多步的生物反应，而人工合成淀粉采用一种类似“搭积木”的方式，主要步骤只有11步，大大提升了转化速率。
ASAP等于是找到了人工淀粉制造的渠道，接下来还需要的是催化酶，科研人员从31种动物、植物、微生物物种的62个生物酶催化剂种进行筛选，最终优选出10个酶，然后逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮DHA，再进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖C6H12O6，最后转化为淀粉，整个过程加起来只需要四个小时，而在自然界玉米的生长周期约为120天。
合成的淀粉和自然淀粉有什么优势？
那么，人工合成的淀粉相比自然淀粉又有什么优势？合成的直链淀粉和支链淀粉与自然界中的淀粉进行比对，得到的核磁结果一模一样，也就是说，合成淀粉在结构上和自然淀粉没有区别，而且传统淀粉依赖提取，产物多为大分子支链淀粉，人工淀粉不仅能合成易消化的支链淀粉，还能合成易消化、升糖慢的直链淀粉。
虽然人工淀粉的生物反应从自然界的60多步被简化到只剩下11步，但光能利用效率却大大提升，自然的光合作用对太阳能的利用不到2%，而人工合成淀粉的光能转化效率超过7%，是自然界光合作用的3.5倍。
按照目前技术参数推算，人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍，在能量供给充足的条件下，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量，相当于5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量。
此外，传统种植获取淀粉会使用大量的氮磷钾肥、农药等，长时间使用容易造成土壤理化性质恶化，作物果实品质降低，对人类健康产生影响，人工合成淀粉不仅避免了农药的使用，获得更健康的农产品，更关键的还在于成功地摆脱了对于植物固碳的依赖，也就是说，没有植物，一样能生产粮食。
专家预测，如果人工合成淀粉成本能够降低，与农业种植相比具有经济可行性，那么就可以节约90%以上的耕地和淡水资源，另外，ASAP的成功构建，为推进我国碳达峰和碳中和目标奠定了关键技术基础。
这项研究何时能走向应用？
虽然人工合成淀粉效率上要比自然界高出很多，但是在实际应用中仍然存在很多问题，比如一般的光合作用只需在常温常压下进行，除了水和二氧化碳什么都不需要，而人工合成
的条件则要苛刻得多，除了高浓度的二氧化碳和氢气，升温高压之外，还需要人工添加三十多种酶，而这些酶的提取过程也是极为复杂，所以人工合成淀粉就目前来说，在经济上仍然没有大规模推广的可行性，但是科学之路从来都不可能一蹴而就，完成了从0到1的伟大突破，未来的一切皆有可能。最后留给大家一个问题，你觉得这项技术能够获得诺贝尔奖吗？评论区留言一起探讨。
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