光合作用化学方程式(光合作用三个过程反应式)

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今天的知乎科技热搜榜被一则中国科学家用二氧化碳成功合成淀粉的新闻所主导。

我们每天都会听到二氧化碳和淀粉这两个词，但估计你绝对想不到，温室气体的元凶居然能合成我们每天吃在肚子里的淀粉。

相信大家都会疑惑，这真的是真的吗？他们是怎么做到的？

首先，绝对可靠，是世界合成淀粉领域的原创性、颠覆性突破。

今天凌晨，这一研究成果已经发表在顶级科学期刊《科学》上。本刊学术出版合作主任说:合成淀粉是生物合成和生物制造领域的一项重大历史性突破。

所以，今天我们就来聊聊为什么要花六年时间研究人工淀粉的合成技术，这项技术到底有什么了不起的？

淀粉大家都很熟悉。我们平时吃的大米、玉米、大米等五谷杂粮中，最重要、最基本的物质就是淀粉，淀粉可以分解成糖类，为人体补充能量。

其次，淀粉是一种重要的工业原料，是造纸、制塑料等许多日用品的原料。

但是我们的淀粉从哪里来？几乎全靠植物的光合作用。

淀粉主要是玉米、小麦、红薯等作物光合作用产生的，这个过程相当复杂。

植物只能利用空气体中低浓度的二氧化碳(0.04%)和低能量密度的太阳能，生长需要3-4个月。而且合成路径非常复杂，生产淀粉要经过60多道工序。

因此，自然光合作用的生产效率极低，自然界中植物光合作用的理论能量转化率只有2%左右。

原本依靠自然光合作用的淀粉产量低，现在却面临着耕地不断减少的局面。

以我国为例。我们的耕地面积只有150万平方公里，占国土面积的16%。沙漠、海洋和湖泊占据了很多地方，所以我们根本无法种植土地。

即使我们环顾世界，在亚洲、非洲、拉丁美洲之类的国家，粮食问题一直非常严重。

合成淀粉是解决这一问题的新希望。

我们再回头看看另一个主角二氧化碳，说说全球变暖。

先不说尾气排放和工业生产带来的碳排放。每个人每天都能看到和感受到它们。

就拿2019年巴西亚马逊雨林大火来说吧。

在火灾发生前的20年里，整个亚马逊雨林每年减少地球的二氧化碳排放量17亿吨。然而，仅仅因为2019年的火灾，亚马逊雨林已经排放了超过36亿吨的二氧化碳。

这36亿吨将是2018年全球碳排放总量的十分之一。

而且因为二氧化碳的过量排放，在过去的100年里，全球气温上升了0.85摄氏度，海平面上升了1.5米。

专家预测，如果二氧化碳排放得不到控制，到2500年，仅南极冰川融化就会使海平面上升15米。

所以为了减排，各国真的下了很大功夫，碳奖励，碳收集，碳固化。就连蚂蚁森林沙漠里种的沙棘树，都是为了减少碳排放。

左手是人人讨厌的二氧化碳，右手是人人喜爱的淀粉。

如果二氧化碳能成功转化为淀粉，“一拍即合”无疑对大家都是好事。

来自中科院天津工业生物研究所的科研团队成功让这件事有了希望，他们实现了二氧化碳合成淀粉从0到1的突破。

是怎么实现的？其实类似于我们高中的光合作用原理，科学家对光合作用做了一波改变。

以上光合作用的化学方程式想必大家都不陌生，这个叫叶绿体的家伙起了关键作用。

前面说过，自然光合作用生产淀粉，要经过60多道工序才能完成，需要各种酶的催化反应，把二氧化碳一步一步转化成淀粉，效率低，产量不高。

于是科学家们想，能不能简化这个过程，直接利用化学技术和生物催化技术，完成二氧化碳到淀粉的转化，不需要叶绿体？

第一个问题是自然界的光合作用有阳光提供能量。人工合成用什么提供能量？

同样是太阳，但还有一个核心技术加持，“液态阳光”技术。

即把太阳能转化为电能，电解产生氢气，然后二氧化碳和氢气通过化学手段转化为甲醇或一些水溶性的一碳化合物，这些都是合成淀粉的基本原料。

说白了就是把太阳光转换成液体燃料，实现光能到电能到化学能的转换。

这个过程的能量转换效率超过10%，远远超过光合作用的2%。

第二个问题是如何通过优化酶和化学反应过程，超越自然光合作用的合成效率，使这一事件带来的经济远远高于养殖。

我们不会谈论化学反应。至于酶，它是一种催化剂，可以加速二氧化碳和淀粉之间的转化过程。无论是加快反应速度，还是减少反应步骤，都离不开酶的优化。

我们来看看合成人造淀粉1.0版本，也可以称之为试水版。

科学家通过技术手段，成功从31个不同物种中提取出62种生物酶催化剂，并在解决了一些问题(热力学失配、动力学陷阱等)后，)，他们通过这些提取的酶在实验室成功合成了人造淀粉。

但是这个版本还是不够简洁和快速，所以研究人员又做了一个版本2.0，算是优化版。

该版本采用了蛋白质的工程转化技术，刮掉了合成过程中的几个难题(如限速酶活性低、辅因子抑制、ATP竞争等)。

与上一版本相比，2.0版本的酶催化剂用量增加了近一倍，淀粉得率提高了13倍。

但这还没有结束。有一个终极版本3.0。

在之前的淀粉生产过程中，有一个叫甲醛酶的小弟需要高浓度的甲醛才能工作。为了防止甲醛对其他酶的伤害，开发了具有化学反应单元和酶反应单元的化学酶级联系统，成功地防止了甲醛对其他酶的伤害。(解决了底物竞争、产物抑制、中间产物毒性等问题。)

通过比较吸收峰和核磁共振信号，发现3.0版合成的淀粉在组成和理化性质上与天然淀粉几乎相同。

3.0正式版的淀粉产量比之前提高了10倍，利用人工合成的方法，太阳能转化为淀粉的能效是玉米的3.5倍，淀粉合成速率是玉米淀粉的8.5倍。

据课题组介绍，在能源供应充足的情况下，理论上1立方米生物反应器的淀粉年产量相当于我国5亩土地种植玉米的平均年产量。

这项技术的成熟，不仅可以解决食物短缺的问题，还会给另一个行业带来革命性的变化，太空移民。

你还记得那年你从月球带回来的土壤吗？那天的热搜是这个月的土壤里种不出土豆。

但是如果可以人工合成淀粉，就不需要太带种子或者土壤空，甚至还得建个大棚种庄稼。以后可以建工厂直接合成淀粉。

而且别忘了，火星大气的主要成分是二氧化碳，占比高达95%。

这样看来，人工淀粉的合成技术确实可以给我们的生活带来很多改变，但是有一个顾虑不得不提。

成本问题。

首先是合成淀粉的能耗。如果单纯依靠开头提到的“液态阳光”，还是远远不够入不敷出。

其次，上面提到的关键先生，酵素，也是相当贵的。

首先，酶制剂生产的技术要求极高，运输、保存、提取、分离、鉴定等全过程都必须在严格的无菌环境下进行。国内具有专用酶生产资质的企业很少，所以专用酶的价格早已超过黄金，一支试管酶可能要几千甚至上万。

因此，如何提高能量利用率，降低酶的使用成本，或者研究固化酶的技术等。，还是要一步一步来。

最后，在中科院昨天举行的新闻发布会上，中科院天津工业生物研究所的科学家说:

“合成淀粉技术是一项影响未来的颠覆性技术。这一成果一旦应用于工业化，其经济可无限接近传统农业种植”。

也就是说，一旦实现，那么我们就可以解决很多无法种地带来的问题。

但目前在解决之前的成本问题之前，还是应该种这种玉米土豆。即使有一天这项技术真的成熟了，也要首先考虑替代工业淀粉。

所以看到这个新闻就想躺着“喝西北风”？劝你赶紧起床上班。