給大伙轉(zhuǎn)幾則新聞標(biāo)題，回顧一下當(dāng)時(shí)的熱鬧景象。

我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成。

 

我國(guó)發(fā)明二氧化碳還原合成葡萄糖新方法。

 

我國(guó)實(shí)現(xiàn)二氧化碳到油脂的人工合成。

 

中國(guó)農(nóng)科院實(shí)現(xiàn)從一氧化碳到蛋白質(zhì)的合成。

技術(shù)細(xì)節(jié)且不提，先聊聊這算多大一事兒。

    墑增定律與碳

在物理學(xué)眾多定律中，“墑增定律”經(jīng)常被人賦予極高的地位，因?yàn)樗牧眍惐硎龇浅７掀樟_大眾對(duì)未來的幻想：宇宙演化是一個(gè)從有序到無序的過程。

既然宇宙是從有序到無序，那么我想問問：最早的“有序”是從哪里來的？其實(shí)，按照現(xiàn)有的宇宙大爆炸模型，宇宙在誕生之初只是一鍋粒子湯，非常的“無序”，后來粒子湯演化出恒星，恒星爆炸又產(chǎn)生了重元素，重元素形成了行星，行星上出現(xiàn)了生命，然后才有了你和我……貌似是一個(gè)從無序變有序的過程。

如果我們從能量轉(zhuǎn)化角度來看這一切就舒服多了。首先，宇宙炸開之后的粒子湯具備很高的能量，接著這群高能量的粒子慢慢變成了低能量狀態(tài)，多余的能量用來把所謂的無序變有序。整個(gè)過程當(dāng)然會(huì)有些反復(fù)，有序變無序時(shí)就釋放能量，無序變有序時(shí)就消耗能量。

對(duì)地球生物來說，在有序無序轉(zhuǎn)化過程中，碳元素是一個(gè)非常重要的角色。地球上的動(dòng)物植物幾乎可以算是太陽能驅(qū)動(dòng)的，植物通過光合作用，把無機(jī)物的碳變成有機(jī)物的碳，把太陽能存了進(jìn)去；然后動(dòng)物把植物吃了，獲取能量的同時(shí)，把一部分有機(jī)物碳變回?zé)o機(jī)物碳，另一部分碳則繼續(xù)各種轉(zhuǎn)化，變成蛋白質(zhì)、油脂等，最終通過呼吸作用、死亡腐敗等不同途徑變回二氧化碳。

從整個(gè)過程來看，碳就是一種能量載體，積累能量變成碳鏈，釋放能量變回二氧化碳，生命就在這種循環(huán)中誕生、逝去。

不過，這一套流程的效率不太高。首先植物利用太陽光的效率不到1%，接著，動(dòng)物每吃一輪，能量損失80%～90%，比如一頭牛吃的青草含有100的能量，其中只有10～20積累到牛身上，然后我們?cè)侔堰@頭牛吃了，最終只能獲得1～4的能量。

那么問題來了，地球上接受太陽能的面積是恒定的，這些能量扣掉大氣環(huán)流、水汽蒸發(fā)、地球熱輻射等等基本開支，剩下的能量再經(jīng)過動(dòng)植物層層盤剝，最終能養(yǎng)活的人類數(shù)量也就有了上限。

所以，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，人類想要更高的發(fā)展，遲早得跳出食物鏈那種你吃我、我吃你的模式。

至于怎么跳嘛，這里有兩條思路：其一，通過基因工程把人改造成能量利用率更高的生物，這路子太野，先放放；其二，采用效率更高的方式合成食物，這路子看著就靠譜多了，就它了。

之前我提過一個(gè)說法：純天然的東西雖然不差，但往往不是最好的，只要人類搞清楚了微觀機(jī)理，幾乎沒有一種純天然的東西能好過人工合成的。淀粉這事兒，咱就有眉目了。

    淀粉的代價(jià)

全球每年生產(chǎn)30億噸糧食，從成分上講，其中20億噸是淀粉。從二氧化碳到淀粉，天然合成的路徑有60多個(gè)反應(yīng)，所以效率就有點(diǎn)勉強(qiáng)，對(duì)太陽光的利用率只有0.7%，因此，植物必須長(zhǎng)時(shí)間、大面積接收太陽能，才能積累足夠的能量。

換句話說，這30億噸糧食消耗了大量土地、淡水資源以及100～150天左右的生長(zhǎng)時(shí)間，這有多麻煩呢？

當(dāng)前全球耕地總面積占陸地面積的10%，剩下的90%里，刨去南極、沙漠、高原、熱帶雨林等等，可耕種土地就剩20%了，也就是說，地球上可耕種的土地里已經(jīng)有三分之一在耕種了。聽著似乎潛力還有不少，但實(shí)際上，人類發(fā)展本身也會(huì)不可避免占掉一些好土地，所以耕地面積并沒有那么樂觀。

退一步說，即便耕種土地面積還能再擠出一倍，可淡水是真不充裕了，目前的糧食生產(chǎn)消耗了70%的淡水資源（注意，是淡水資源，不是淡水總量）。即便未來育種技術(shù)、肥料技術(shù)再上幾個(gè)臺(tái)階，自然合成淀粉的理論效率只有2%，這就算到頂了。

顯然，就算一年365天都在種地，也不可能指望這2%來徹底解決土地和淡水的問題，所以接下來的局面就很明朗了，提高淀粉合成的能量利用率，勢(shì)在必行。

生物反應(yīng)說到底就是一堆化學(xué)反應(yīng)的組合，植物把二氧化碳合成淀粉有60多步反應(yīng)，雖然能利用大氣中稀薄的二氧化碳和能量密度并不高的太陽能，成本不高，但效率也不高，綜合下來不算是最佳方案。

于是，中國(guó)科學(xué)家設(shè)計(jì)了一條全新的合成路徑，整個(gè)過程只要11步反應(yīng)。簡(jiǎn)單來說，就是利用氫氣還原二氧化碳合成甲醇（只有1個(gè)碳原子），再用甲醇繼續(xù)拼接出更多的碳鏈，直到最后的淀粉，從核磁分析和吸收光譜看，合成的淀粉與自然淀粉完全一致。

不過這里有個(gè)問題，氫氣可不是白來的，也得花成本，假設(shè)我們用太陽能制氫來驅(qū)動(dòng)整個(gè)反應(yīng)的話，太陽能的利用率可以超過10%，而且碳轉(zhuǎn)化速率是自然界玉米淀粉合成的8.5倍。什么概念呢？一噸的反應(yīng)罐年產(chǎn)淀粉相當(dāng)于5畝玉米的產(chǎn)量。更可喜的是，研究人員表示，目前只是起步，未來能量轉(zhuǎn)化效率和淀粉合成速率還能繼續(xù)提高。

其實(shí)從經(jīng)濟(jì)層面講，甲醇也是一個(gè)不錯(cuò)的工業(yè)原料，如果二氧化碳制甲醇利索的話，后面要不要合成淀粉并不著急。實(shí)際上，現(xiàn)在很多人都在想辦法把二氧化碳變成各種工業(yè)原料，比如咱山上恰好有一僧，從事二氧化碳合成聚氨酯的工作，而且已經(jīng)有產(chǎn)業(yè)化的趨勢(shì)了。

不過從技術(shù)層面講，找到一條比自然界更高效的淀粉合成路徑，當(dāng)然是更值得慶賀的事情。但是對(duì)生命來說，搞定一個(gè)淀粉是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，最好能把果蔬禽畜的所有成分都像工業(yè)品一樣生產(chǎn)出來。眼下雖然做不到，這話卻也不是天方夜譚。

這次人工合成淀粉的最大亮點(diǎn)是模塊化，合成淀粉的過程很像是搭積木。淀粉分子有N個(gè)碳原子，但甲醇只有1個(gè)碳原子，科學(xué)家把1個(gè)碳拼接成N個(gè)碳的過程分成了幾個(gè)模塊，這就為將來拼接蛋白、油脂等其他物質(zhì)提供了想象空間。

雖然現(xiàn)在我們也能用二氧化碳合成脂肪酸，但過程中要用微生物，不算純粹意義上的人工合成，更像是一種發(fā)酵工藝，而合成淀粉則是單純的化學(xué)法，每一步反應(yīng)都清清楚楚。

不過，無論是發(fā)酵還是化學(xué)合成，都已經(jīng)具備了工業(yè)化的曙光（只是曙光而已）。說得極端一點(diǎn)，農(nóng)業(yè)可以升級(jí)為工業(yè)，農(nóng)產(chǎn)品不再是地里長(zhǎng)出來的，而是流水線上生產(chǎn)出來的。

這是不是意味著我們可以使勁糟蹋耕地了呢？

    為時(shí)尚早

往遠(yuǎn)了看，別說是淀粉這點(diǎn)事，宇宙間所有規(guī)律都可以被認(rèn)識(shí)并加以利用。從這個(gè)角度說，只要有了能量和元素， 便可萬事不愁，你可以用碳?xì)溲鹾铣扇魏文阆胍挠袡C(jī)物。

從人類誕生到現(xiàn)在，一直干著“把有機(jī)物變二氧化碳并獲取能量”的勾當(dāng)，至于“如何消耗能量把二氧化碳變回有機(jī)物”這種費(fèi)力氣的事情很少有人考慮。也就是說，在人類的生產(chǎn)活動(dòng)中，二氧化碳循環(huán)并沒有形成閉環(huán)。那大氣中的二氧化碳都去哪里了呢？

大氣層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，再轉(zhuǎn)化成別的形態(tài)，還有一部分溶于水中與巖石土壤反應(yīng)，生成碳酸鹽，地球上絕大部分碳原子就在碳酸巖中。這些途徑每年吸收的二氧化碳總量是相對(duì)穩(wěn)定的。

隨著人類人類排放二氧化碳的增加，這種平衡就會(huì)被打破。且不說二氧化碳增加與地球變暖的關(guān)系吧，眼看著大氣里的二氧化碳濃度不斷上升，你能放心？可惜，二氧化碳是能量較低的一種碳形態(tài)，把二氧化碳變成別的任何東西，都要消耗能量，很難有經(jīng)濟(jì)性。

于是，我們就迎來了一道計(jì)算題。

已知，二氧化碳增加會(huì)導(dǎo)致人類付出代價(jià)，又知，處理二氧化碳會(huì)消耗能源，那么，二氧化碳增加到什么程度，人類付出的代價(jià)會(huì)超過處理二氧化碳的成本？

顯然，這道題沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，大家各有各的想法。有人認(rèn)為二氧化碳就是大忽悠，大家敞開了干，保證啥事兒沒有；也有人認(rèn)為世界末日說來就來，現(xiàn)在寧可餓死也不能呼出更多二氧化碳了。

咱們這邊的策略相對(duì)理性，大力發(fā)展綠色能源（包括核能），先確保二氧化碳不再快速增加，然后徐徐圖之。說個(gè)題外話，中國(guó)核能的發(fā)展快到有點(diǎn)讓人意外，在這里本僧斗膽放個(gè)狠話：核聚變之前的能源革命，大概率會(huì)發(fā)生在中國(guó)。

等未來能源成本下降了，甚至再奢望一下，搞定了核聚變，那就可以考慮大規(guī)模處理二氧化碳了。不然的話，除非人類因?yàn)槎趸荚黾痈冻龅拇鷥r(jià)已經(jīng)超過了能源成本，否則是絕不會(huì)那么自覺的。其實(shí)，看看最近的歐洲就知道了，能源價(jià)格一漲，二氧化碳排放的事情就立馬放一邊了。

最后，咱們把心思放遠(yuǎn)一點(diǎn)，如果能熟練的利用二氧化碳合成各種有機(jī)物，別的不說，至少帶地球去流浪的時(shí)候，我們?cè)僖膊挥贸则球靖闪恕?/span>

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