人工合成淀粉问鼎诺奖需 2 个条件
这两天有一个刷屏的科技新闻：中国科学院天津工业生物技术研究所联合大连化物所在著名的《科学》杂志发表论文，公布了一项重大科研成果，即在实验室中以人工合成的方式，用二氧化碳和氢气作为原料，合成出了淀粉，也有人把这个成果通俗地称为“空气变馒头”。（馒头其实是用面粉做的，不过面粉里面也含有大量淀粉，一个比喻不用太较真）
很多人问我：这个成就值不值一个诺贝尔奖？我今天试着回答一下，个人浅见，仅供参考。我先说我的答案：现在还很难讲。我承认，这个回答有点像是降雨概率 50%，听上去像是废话。其实并不是废话，你需要听我详细解释一下。从历史经验来看，获得诺贝尔化学奖的成就一般都需要符合 2 个特征：
它是从 0 到 1 的重大科学突破；
它对人类的生活产生了重大影响。即这项科研成果必须要有一定规模的应用。以这 2 个标准，我们来考察一下人工合成淀粉获得诺奖的可能性有多大。
这项技术是从 0 到 1 的突破吗？
我认为是。淀粉虽然是生活中最常见，人类最离不开的物质之一，但怎么高效地把二氧化碳变成淀粉，这事只有植物会。这是它们的天赋技能，其他的生物，不管是动物还是真菌，都不会。从二氧化碳到淀粉的合成过程非常复杂。植物要想做到这一点需要进行 60 步代谢过程，其中涉及到的生化调控更是无比复杂。要经过光合作用、卡尔文循环、碳碳缩合、聚合生成等等等等，我估计除了光合作用大多数人都听过，其他这些名词可能还是第一次听到。一直以来，尽管无数科学家想实现人工合成，但都没有取得突破性进展。所以，从科研的角度来说，这肯定算得上是 0 的突破，与人类第一次合成化肥、第一次合成蛋白质、第一次成功克隆细胞是差不多等级的突破。
而且，这个突破还不只是把植物早就做到的事情又做一遍，我们甚至比植物做得还要好。就拿生成淀粉效率比较高的玉米举例，玉米把二氧化碳变成淀粉的能量转换效率只有 2%，而这次的人工合成淀粉技术，理论上可以把效率提高到 7%。换句话说，种植玉米从播种到收获大概要 2-4 个月的时间，而人工合成淀粉呢只需要 1-2 天的时间。我们都知道，种植玉米需要大量的土地，还需要看天气。太冷太热，发水干旱，有虫害都会造成减产甚至绝收，但人工合成就没有这些麻烦事。我们可以在工厂里面全天 24 小时连续生产。按照论文中公布的数据，只需要 1 立方米的生物反应器，就能达到 5 亩玉米地的同等产量。
是否有可能大规模应用？
很多媒体在报道这个新闻的时候，一般都会提到：有了这项技术，以后人类就再也不用种地了，只需要像建化肥厂一样建设粮食生产厂，原料就是二氧化碳和氢气，或者就是水，水可以很容易被电解成氢气和氧气，这两样原料极为丰富，不仅地球上很丰富，火星上也一点都不缺。只需要有源源不断的能源，就能生产出源源不断的馒头，这幅未来景象实在是太美好了。
这个想象本身并没有错，理论上也成立，但是这幅未来图景是不是真的能在二三十年内到来，却又是另外一个问题。这个问题远比很多人想象得都要复杂。为了说明这个问题，我们可以来看一下历史上的两个类似案例。人类第一次人工合成蛋白质的壮举也是中国科学家在 1965 年完成的，即人工合成牛胰岛素，这也是从 0 到 1 的重大突破。当时也有很多人认为，未来世界可以用工厂生产出各种各样的蛋白质。但是，半个多世纪过去了，现在对于当时来说，已经足可以算得上“未来”了。现在的情况是，不仅供人类食用的蛋白质不是人工合成的，就连胰岛素也没有走向人工合成的这条道路，而是利用基因工程，用微生物来大量制造。换句话说，当时畅想的未来图景，并没有真的实现。这个例子可以算是一个反例。我们再来看一个正面例子。就是人工合成化肥，更准确点说就是人工合成氨气。我们都知道，在种植物的时候浇上粪便，会让植物生长得更旺盛。我记得我还是 3 岁小孩时，就已经知道粪便是肥料了。粪便让植物生长旺盛的关键原因是里面含有的氨气，氨气实际上就是氮元素和氢元素的化合物。
图：弗里茨·哈伯1903 年，德国化学家弗里茨·哈伯首次人工合成了氨气。但哈伯的方法合成效率极低，人们普遍认为没有什么实际的生产价值，连哈伯自己都不看好。但是，从 0 到 1 的突破后，没想到技术发展的速度极快，仅仅过了 10 年，世界上第一个生产氨气的工厂就投产了，每天可以生产 3 ~ 5 吨的氨气，相当于多少吨粪便我就不算了。后面的故事不用多说了。普遍认为，地球人口的爆炸式增长，化肥贡献了一半原因，而另一半是抗生素。哈伯也获得了 1918 年的诺贝尔化学奖。
大规模应用的阻碍在哪？
讲到这里问题来了：人工合成淀粉，是会更像人工合成蛋白质一样呢，还是会更像人工合成化肥呢？这个问题我只负责给大家提供一些关键信息，结论还得你自己判断。判断一项技术最终能不能走向量产，成本是最关键的因素之一。这次人工合成淀粉的关键路径是这样的：先用二氧化碳和氢气合成出甲醛，然后再用 10 种催化酶将甲醛通过 11 步复杂的催化反应，最终合成出淀粉。植物生产淀粉基本上只需要二氧化碳和水就可以了，这次人工合成需要氢气。氢气在自然界中基本不存在，得到氢气需要额外的成本，但这个成本不算太高。但那三种酶的成本就不低了。我简单解释一下什么是酶：酶也是一种蛋白质，它们是生物体能含有的一种生物催化剂。比如说，我们的口水中就含有大量的酶，它可以促进食物在我们的嘴里进行化学反应，这也是为什么你咀嚼馒头会越嚼越甜的原因。淀粉在口水中的酶的作用下，转化成了糖。这次人工合成淀粉用到了 10 种不同的酶。据我查到的信息，这些酶首先是从各种生物中提取出来，然后再经过人为的改造，整个技术的亮点或者说难点就在于这 10 种酶的提取改造上。这个过程极其复杂，成本也极高。现在的实验室技术肯定还不适合量产，跟种玉米比起来，那成本肯定是高得吓人。
我从视频中看到，实验人员展示的合成淀粉只有一小撮，根本不够做一根粉条的，研究人员通过核磁共振成像的方式判断出它们和真实的淀粉的分子结构完全一样。但记者问他们有没有试着做一个“馒头”吃吃看呢？研究人员表示舍不得。可见，合成出这点淀粉，代价和成本肯定是相当高的。不过，任何一项技术都有一个从实验室到工厂的过程，有可能会发展的很快，也有可能一直找不到降低成本的方法，或者其他可替代技术快速发展起来，比如转基因技术，实现了用微生物更方便高效地生产淀粉，现在我所得到的信息还不足以让我做出判断。
这是星际殖民需要的核心技术吗？
有些人可能会想：哪怕在地球上，本拼不过种植玉米，但把这个技术卖给马斯克，他肯定要，因为火星上没法种玉米。这话说得没错，人工合成淀粉对于太空探索、星际殖民来说，意义确实非常重大，它让我们找到了不用在飞船上储存很多食物的理论可能性。但你别忘了，不管是航空航天也好，火星殖民也好，他们所面临的技术难题岂止是一个吃饭问题，还有无数的技术问题要解决，这是一个无比复杂的系统工程。人工合成淀粉要被应用在太空探索这个领域，取决于我们人类是不是能在未来的几十年内用得上这项技术。换句话说，要想让生产淀粉的机器有用武之地，你得先生产出足够好的宇宙飞船啊。就像你有一手好厨艺，但要有用，也得先有一个厨房才行。
结尾
以上就是我对人工合成淀粉的一些粗浅想法。希望大家能区分本文中哪些是事实陈述，哪些是观点陈述，哪些是愿望，哪些是现实。对于任何一条科技新闻，全方面的收集信息，总没坏处。希望本文能帮助你更全面地了解这项技术。
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