人工合成淀粉，人类星际文明的开始？

9月24日，《科学》杂志在线发表《从二氧化碳无细胞化学酶合成淀粉》（Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide）一文，宣告了中国科学家首次通过人工途径用二氧化碳合成淀粉，这使未来淀粉的工业化生物制造成为可能。

如果说，上世纪60年代中国在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素（蛋白质）是中国在生物科学领域的第一次巅峰突破的话，那么，这次的人工合成淀粉，就是中国生物科学领域的第二次巅峰突破。

淀粉是什么东西？

从分子层面看，淀粉是多糖，是相对简单的有机化合物。

生物意义上的“糖”，一般是指单糖及其聚合物，单糖包括了葡萄糖、半乳糖、果糖、山梨糖、甘露糖、木糖、核糖和脱氧核糖等。

当两种单糖分子通过糖键连接在一起，就成为二糖，如蔗糖和麦芽糖都是二糖，其中蔗糖=葡萄糖+果糖，而麦芽糖=葡萄糖+葡萄糖，更多的单糖分子链接在一起，就成为了低聚糖，而更多的单糖、二糖和低聚糖如果链接到一起，就成为了多糖。

单糖、二糖和低聚糖不同的连接方式，会产生不同的多糖，如淀粉、纤维素，都是某种方式链接起来的多糖，而糖类和淀粉，合称为碳水化合物，与脂肪、蛋白质一起，构成了生命的三大能量物质，也是人类的食物基础。

人类食用的大米、面粉、玉米、土豆、红薯等，其背后的农作物，某种程度上说，其实都是淀粉制造机器。它们在阳光的能量输入下，在叶绿素的催化下，通过著名的“光合作用”，把空气中的二氧化碳和水，转化为淀粉、纤维素等，释放氧气，这就是植物生长和农业生产的本质。

农作物和草木类植物，通过自然光合作用生产淀粉，其合成与积累涉及60多个生化反应以及复杂的生理调控，理论能量转化效率仅为2%左右。

中科院天津工业生物研究所，借鉴自然光合作用的淀粉合成路径，从2015年开始，专注于研究人造淀粉生物合成和CO₂的利用。

面对自然光合作用中60多步的生物合成反应（植物有C3途径和C4途径两条固碳线路），科学家们通过计算机模拟和筛选，采用了一种类似“搭积木”的方式，从头设计、构建了11步反应的二氧化碳固定人工合成淀粉新途径。

具体的11个步骤如下：

1）在氧化锌-氧化锆催化剂作用下，将高浓度的二氧化碳和水，通过还原反应，催化加氢，反应生成为甲醇（CH3-OH），这已经是较为成熟的工艺过程；

2）甲醇被氧气氧化，脱掉两个氢，变成甲醛（CH2-O），氧气来源于双氧水；

3）甲醛缩合，形成二羟基丙酮（C3）；

4）ATP供能，把二羟基丙酮磷酸化，形成成磷酸二羟丙酮

5）酮与邻位羟基重排列，形成醛邻位羟基，异构成为3-磷酸甘油醛。

6）C3物质通过加成反应，两两成环，形成5原子氧环。

7）脱去部分磷酸根

8）五元环重排为六元氧环，形成葡萄糖骨架（C6）。

9）磷酸化邻位羟基，防止开环。

10）二磷酸腺苷化。

11）脱磷酸，聚合成淀粉（Cn）。

 

研究人员介绍，本次人工合成的淀粉分子，经过核磁共振等检测，发现与天然淀粉分子的结构组成一致。

看起来，过程好像并不复杂。但实际上，自然界并不存在甲醇合成淀粉的生命过程，科学家是利用计算生物学思想，从几千个化学反应和生物合成途径中，通过计算机模拟设计，通过模块化组装和替代适配，不断地进行测试、组装与调整，才打通了合成路径。

接下来，科学家们又通过蛋白质生物工程改造催化酶，挖掘改造了来自动物、植物、微生物等31个不同物种的62个生物酶催化剂，优选出10种加以改造，以提高合成效率和速度，这10种酶的催化过程，是本次科研突破的精华。

从2015年到2018年7月，天津工业生物所首次实现CO2合成淀粉，接下来，又用了3年时间优化反应效率，对三种瓶颈相关的酶进行蛋白质工程优化，生物酶催化剂的用量减少了近一倍，淀粉生产效率提高了13倍。然后，再将第一步的二氧化碳氢化和后续生物酶反应结合起来，解决产物抑制、中间产物毒性等问题，建立了生化级联反应系统，淀粉的生产率进一步提高，才超越植物光合作用合成淀粉的效率和速率。

根据科研人员介绍，人工淀粉合成，从系统启动到第一批淀粉生产仅需要11个小时，而当系统稳定下来后，产生淀粉的速率是每升每小时410毫克，按照计算，理想状况下1立方米（1000升）一年（8760小时）可产生3591.6千克的淀粉，也就是3.6吨。

以天然淀粉合成效率最高的农作物玉米来说，美国平均单产为每亩750公斤，而按照目前的技术参数，1立方米生物反应器的年淀粉产量，理论上相当于种植5亩玉米的淀粉年产量，而根据严格估算，这条化学、生物杂合的人工合成淀粉新系统，理论能量转化效率可达7%。

科学家们的科研内容和实现逻辑，基本介绍完了，关键是要说说该科研成果的意义。

毫无疑问的是，当前的人工合成淀粉的路径，成本还是太高。可以想象，这次的科研成果，如果能够降低成本，成功转化为工业生产，那将会产生多么大的社会意义。

有人把人工合成淀粉，和目前中国正在实施的减少碳排放以及“碳中和”、“碳达峰”联系起来，说二氧化碳可以用来造淀粉，减少碳排放还能生产食物——我可真服了这些人的鼠目寸光，如果人工合成淀粉真能实现低成本工业化生产，那所谓的“碳排放”根本不会再成为问题！

一直以来，食物问题关乎人类生死存亡。地球上绝大部分最好的土地，除了极少数用于建造工厂、道路和住宅之外，绝大部分都还被分配给农作物生产，因为人要吃饭。

1万年前，人类在采集活动中发现，某些草类种子的淀粉含量特别丰富，可以填饱肚子，而这些种子还具有“春种一粒粟，秋收万颗籽”的效果，于是，他们开始有意识地培育这些植物，慢慢地变成了农业生产，而农业生产帮助人类定居下来，由此诞生了文明。

在定居生活和淀粉食物生产剩余的基础上，人类文明开始加速发展，科技树一点点被点亮，一直进化到了现代化的工业大生产时代。

1万年前到现在，我们烧制陶器储存食物和水，我们提炼食盐让身体更强壮，我们冶炼金属提高生产效率，我们学会航海互通有无，我们发明蒸汽机、内燃机来代替人力生产，我们发明汽车、火车、飞机来缩短通勤时间，我们了解和掌握电力点亮夜空加快生产，我们发明和制造计算机与手机，让每个人都可以进入知识的海洋，我们还开发航空航天技术想要征服太空……

从生物角度观察，人类作为一个整体，已经远远超越了自身的生物属性，变成了自己的上帝——孙悟空一个筋斗云十万八千里却不能带唐僧去西天，我们人类的大飞机却可以载着几百人几个小时就到达西天（印度）；而古人极尽幻想的千里眼、顺风耳，跟今天的电话和手机比简直是弱爆了；我们的人工降雨水平也早就超越了龙王，航空航天技术发展让人们到达其他行星上不再困难……通过农业生产，我们已经能让整个地球变得面目全非；通过工业生产，我们让大气中二氧化碳浓度快速上升，让大江大河都污秽不堪，甚至能让占地球70%的海洋充满了人类垃圾，我们更有能力通过核战争毁灭地球几十次。

可以说，作为一个集体，人类已经基本达到自身所想象得到的神的几乎全部能力，但是，人类却依然不得不呆在地球上。而限制我们过渡到星际文明的，其实只有两样东西：

1）人类肉身凡胎，受制于食物生产；

2）人类超越动物属性的全部科技和工业生产，受制于能源生产。

食物问题，一直都是人类征服太空的命门——我们可以利用太空物质，通过太阳能板电板所产生的能源，人工制成氧气、水等生命的必须物资，但很可惜，食物问题却始终无法解决，无论是淀粉、蛋白质还是有机糖类，都必须依赖天然的植物生长合成。

讲一个“生物圈II号”的故事。

1987年，在美国得克萨斯州的亿万富翁艾德-巴斯的资助下，美国亚利桑那州图森市的郊外，人们耗资1.5亿美元建造起了一个圆形钢架结构的玻璃建筑物，占地7000平方米，总体积更是达到18万立方米，白色的涂层闪耀在大地上，煞有科幻电影未来建筑的风格，内部有八层楼，模拟了地球上的热带雨林、荒漠、草原和海洋生态系统。

这个建筑之所以被称之为“生物圈II号”，是因为地球依赖于植物光合作用的生态系统，就是一个生物圈，是货真价实的生物圈I号，所以这个模拟生物圈的玻璃屋，就只能叫II号了。

生物圈II号计划，旨在模拟地球生态环境，建造一个封闭、完全自循环的生态系统，为入驻人员提供食物、水和充足的氧气，证明有在一个全封闭系统中持续生存的能力，为未来太空殖民和星际移民做准备——要不然，在浩瀚太空，或荒凉的月球、火星上，宇航员若干年间仅凭地球上携带的物资，如何生存？

显然，这是一个非常有雄心壮志的项目。

生物圈II号第一次任务从1991年9月26日开始，8名科学家进入生物圈II号生活。在整个实验期间，虽然农业系统可满足8位科学家83%的饮食，但因为缺乏经验，任务人员实际上长期处于饥饿状态。更加糟糕的是，因为温室效应，玻璃屋内部氧气与二氧化碳的比例无法自行达到平衡；因为缺乏足够的分解者，多数动植物无法正常生长或生殖，其灭绝的速度比预期的还要快。到了1993年9月，氧气含量已经降至不适合人类生存，第一次实验不得不以失败而告终。

经过反思之后，第二次任务于1994年进行，这一次所有的混凝土都进行了涂封，以免吸收二氧化碳，组员也完全可以做到食物上的自给自足。但没想到的是，管理团队出现了分歧，不得不让警察介入，又过了没几天，两名前参与人员涉嫌破坏生态圈，不久，资助者本身也出现了财务困难，任务被迫终止。

生物圈2号的失败，证明了在当时已知科学技术条件下，人类离开了生物圈I号（地球），将难以永续生存，地球生态系统的复杂性超乎想象，绝非人类可以轻易模拟。

想想看，即便身着宇航服，作为肉体凡胎，人类迄今其实完全无法在太空或其他行星上长期生存，呼吸和水的问题以当代的技术并不难解决，核心就卡在食物这里。

如果，无论何时何地，带上一个淀粉生成器，就能够快速简单解决食物问题，再叠加上目前的航天技术，无论在太空还是其他星球生活，都将不再是一个问题。

更基础地说，如果有人工合成淀粉技术，不考虑食物问题，只用考虑水和氧气的问题，那么，生物圈II号实验的任务可能就会简单很多，其实验也可以长期持续改进，最后极大概率能够取得成功，无论是月球、火星或者太空，人类能够离开地球的时间必将越来越久，直到拥有星际移民的能力。

很快地，人类就会变成一个真正的星际文明。

更进一步地说，近乎无限的、低成本、方便快速的能源获取，才是真正限制人类向星际文明进化的核心。因为食物，就是提供人体自身所需的能量，而种植农作物生产食物，就是固碳、储存太阳能，包括人类在内的动物，吃各种食物，消化吸收，其实就是释放能量。

自古以来，从自然界摄取食物并延续后代，几乎是生物属性最典型的特征。如果，未来人类能源的供应和产生，低到基本没有成本，再叠加合成淀粉的生产，解决了“口腹之欲”的人类，到底还能不能称之为“智人”就很值得怀疑了。

按照《人类简史》的作者尤瓦尔-赫拉利的说法，如果科技极度发达，在逐渐进化中，要不了几代人，某些人很可能就会超越现在我们这种“智人”物种，变成一个拥有超级文明的新物种。

一旦到了那个时候，想想看，你会怎样看待羊群或者大猩猩种群？