中国 科学家 用 CO₂ 人工合成 淀粉 ！ 原理 是 什么 ？ 能得 诺贝尔奖 吗 ？ Chinese scientists synthesize starch artificially with CO₂! What is the principle? Can it win the Nobel Prize?

各位 同學 大家 好 我 是 李永樂 老師 前兩天 科技 圈有 個 大 新聞 中科院 天津 工業 生物 技術 研究所 和 大連 化學 物理 研究所 的 科學家 們 一起 研發 了 在 細胞 外 從 二氧化碳 到 澱粉 的 全 人工合成 這種 人工合成 澱粉 的 方式 跟 傳統 的 光合作用 相比 能量 利用率 是 3.5 倍 固碳 的 效率 是 8.5 倍 一立方米 的 反應罐 在 理想 情況 下 相當於 五畝 玉米地 的 澱粉 產量 有些 朋友 問我 說 這種 人工合成 澱粉 的 方式 究竟 是 怎 麽 做到 的 呢 它 的 難點 在 哪兒 它 的 意義 又 是 什 麽 呢 是不是 我們 很快 就 可以 吃 上 西北風 做 的 饅頭 呢 這項 成果 能 不能 得 諾貝爾獎 呢 那 麽 今天 我們 就 來 聊 一聊 關於 人造 澱粉 那些 事兒 人造 澱粉 是 對標 於 傳統 的 光合作用 產生 的 澱粉 的 所以 我們 首先 要 了解 一下 什 麽 是 光合作用 光合作用 在 我們 上 初中 的 時候 都 是 學過 的 實際上 就是 綠色植物 通過 吸收 二氧化碳 和 水 然後 利用光 能 把 二氧化碳 和 水 轉化成 有機物 比如說 葡萄糖 以及 釋放出 氧氣 這 麽 一個 過程 當然 這是 一種 比較 簡化 的 說法 如果 我們 再 稍微 仔細 一點 說 一下 這個 過程 的話 那 麽 綠色植物 之中 有 葉綠體 葉綠體 裏面 有 一種 叫做 類囊 膜 的 物質 它 是 一種 餅狀 的 物質 那 麽 光合作用 中 的 光反應 就 發生 在 這種 類囊 膜 這種 物質 上 具體來講 就是 它會 從 外界 吸收 水分 吸收 水分 水 進來 了 之後 光 也 要 照到 這個 類囊 膜 上 這個 光 也 照過來 了 照過來 了 之後 它 就 會 把 水 進行 光解 把 水 分解成 氫離子 還有 電子 那 麽 不 還有 氧原子 嗎 氧原子 就 變成 了 氧氣 作為 副產品 或者說 廢物 就 釋放 出去 了 這個 過程 我們 稱之為 光反應 光反應 因為 它 只有 在 有 光 的 時候 才 能夠 發生 它 利用光 把 水 進行 分解 了 那 麽 分解 出 這個 氫離子 和 電子 之後 幹什 麽 呢 它 可以 把 細胞 內 的 一種 物質 的 能量 提升 我們 知道 細胞 內有 一種 叫做 二磷酸 腺苷 的 物質 叫做 ADP 通過 這個 類囊 膜 中 的 這個 高能 的 電子 和 氫離子 ADP 就 可以 變成 ATP 三 磷酸 腺苷 我們 以前 講過 三 磷酸 腺苷 是 生物體 能量 貨幣 你 很多 的 生理 活動 都 需要 靠 這種 高能 的 三 磷酸 腺苷 來 完成 另外 體內 還有 一種 叫做 NADP+ 這種 輔酶 那 麽 這種 輔酶 通過 光反應 提供 的 能量 它 也 可以 變成 NADPH 就 把 這個 氫 也 拿 過來 了 那 麽 這 兩種 物質 它 是 一種 高能 的 物質 它 具有 很多 的 能量 這樣 我們 就 把 最 開始 光給 我們 的 能量 變成 了 一種 儲存 在 化學物質 中 的 能量 也 就 變成 了 化學能 所以 光反應 的 步驟 就是 光 能 轉化成 化學能 轉化 完 了 之後 你 不 還得 吸 二氧化碳 嘛 那 這個 二氧化碳 是 怎 麽 吸過來 的 呢 這個 過程 我們 稱之為 卡爾文 循環 因為 它 是 科學家 卡爾文 通過 這個 放射性 同位素 的 方法 找到 的 那 麽 卡爾文 循環 的 具體 流程 非常 復 雜 我們 簡單 地說 一下 首先 有 一種 五碳 的 糖 這種 五碳 的 糖 我們 稱之為 RuBP 叫做 二磷酸 核酮糖 那 麽 這種 物質 它 可以 吸收 二氧化碳 吸收 二氧化碳 吸收 完 了 二氧化碳 之後 變成 什 麽 它 原來 有 五個 碳 吸收 了 一個 碳 是不是 變成 六個 碳 了 六個 碳 之後 它 又 會 分開 把 六個 碳 變成 兩個 分子 這每 一個 分子 就 有 三個 碳 所以 形成 了 一種 三碳 的 酸 這種 三碳 的 酸 我們 管它 叫 PGA 叫 磷酸甘油 酸 |Three-carbon||||||||| 好 形成 了 這種 磷酸甘油 酸 之後 磷酸甘油 酸 又 會 把 剛才 我們 說 的 這個 ATP 和 NADPH 它 的 這種 高能 物質 的 能量 給拿 過來 這個 高能 物質 它 就 會 到 了 這個 位置 去 釋放 能量 釋放 完 能量 之後 這個 磷酸甘油 酸 這個 三碳 的 化合物 它 就 會 變成 另外 一種 三碳 化合物 一種 三碳 的 糖 我們 叫 它 PGAL 磷酸甘油 醛 好 現在 磷酸甘油 醛 又 是 一個 三碳 的 這個 物質 這個 三碳 的 物質 就 有 一個 分叉 有 一部分 會 重新 變回 成五碳 的 糖 RuBP 是 吧 也就是說 你 這 RuBP 你 吸收 了 一部分 二氧化碳 之後 經過 流轉 有 一部分 又 會 變回 五碳 糖 所以 形成 了 一個 循環 一個 循環 之後 這個 五碳 糖 沒有 消耗 對 吧 但是 你 說 二氧化碳 跑 哪兒 去 了 呢 那 是 因為 有 另外 一部分 三碳 糖 它 就 合成 了 六 碳 糖 比如說 C₆H₁₂O₆ 葡萄糖 或者 是 果糖 然後 再 經過 非常 復 雜的 酶 的 催化作用 葡萄糖 或者 果糖 就 可以 合成 什 麽 就 可以 合成 植物 的 儲能 物質 就是 澱粉 是 吧 以及 植物 運輸 能量 的 物質 就是 蔗糖 它 又 可以 合成 蔗糖 澱粉 等等 那 這些 就是 植物 體內 的 糖 其中 最 主要 的 儲能 物質 就是 澱粉 對 吧 同時 這些 個 糖還 可以 經過 一定 的 步驟 進行 轉化 它 可以 轉化成 什 麽 呢 它 可以 轉化成 脂 可以 轉化成 脂質 同時 植物體 還 可以 吸收 無機鹽 對 吧 然後 就 可以 生成 氨基酸 還有 蛋白質 以及 核酸 等等 反正 總而言之 這些 個 糖 又 可以 繼續 轉化 轉化成 脂質 和 蛋白質 而 不管 是 糖 脂質 還是 蛋白質 我們 又 可以 吃 植物 對 不 對 所以 這些 物質 又 可以 被 我們 人類 給 吃掉 我們 就 可以 獲得 植物 中 的 能量 了 當然 我們 還得 吸收 氧氣 對 不 對 整個 的 過程 就 完成 了 在 卡爾文 循環 之中 植物體 需要 經過 六 十多步 的 步驟 有 許多種 酶 的 催化 才能 整個 完成 這個 過程 那 麽 它 有 什 麽 特點 呢 光合作用 有 很多 很 好 的 優點 第一個 它 實現 了 能量 的 傳遞 我們 人 活動 是 需要 能量 的 那 麽 能量 從何而來 呢 你 能 看得出來 吧 能量 只有 一個 來源 就是 光 對 不 對 光 的 能 量變 到 了 化學 能量 化學 能量 儲存 到 糖 中 然後 糖還 可以 轉化成 其他 的 物質 或者 直接 被 動物 吃掉 動物 就 獲得 能量 是 吧 能量 的 傳遞 第二 它 就是 實現 了 物質 的 循環 這個 光合作用 雖然 說 它 產生 的 產率 不高 但是 它 從來 就 沒有 什 麽 廢物 它 的 物質 是 循環 的 你 看 我們 的 光合作用 只 吸收 水 只 吸收 二氧化碳 對 不 對 然後 產生 了 副產物 氧氣 還被 人給 吸 了 然後 剩下 的 在 這個 製造 的 過程 之中 我 沒有 產生 任何 的 廢物 對 吧 你 看 這個 五碳 糖 它 循環 一圈 之後 它 又 變回來 了 我們 不 需要 額外 添加 任何 物質 所有 的 這種 反應物 我 自己 都 可以 產生 經過 一大堆 酶 的 調控 然後 我們 把 這 二氧化碳 和 水 就 變成 了 有機物 有機物 又 被 人 吃 了 等 這個 人死 了 之後 他 的 身體 分解 了 又 變成 了 二氧化碳 和 水 以及 一些 無機鹽 對 不 對 所以 整個 的 這個 生物界 是 循環 的 所以 它 可以 使得 生態系統 穩定 的 存在 那 它 還有 什 麽 特點 呢 就是 它 使用 的 酶 都 非常 的 和諧 我 不 知道 該用 什 麽 詞來 描述 我們 就 用 和諧 這 兩個 字來 描述 什 麽 叫 和諧 呢 就是 首先 每 一種 酶 它 都 能 促進 一個 反應 的 過程 酶 就是 一種 催化劑 它 可以 促進 某些 化學反應 的 發生 我們 有 幾十種 酶 促進 了 幾十個 化學反應 而 最 重要 最 神奇 的 地方 在於 這些 個 酶 之間 彼此 不 打架 就是 我 的 存在 對 你 沒有 什 麽 影響 對 吧 從來 沒有 兩種 酶 它們 放在 一塊 就 打架 但是 在 化學反應 中 經常 會 出現 這種 現象 就是 你 把 兩種 不同 催化劑 放 一塊 它們 就 打架 是 吧 最後 誰 也 反應 不了 而 生物體 經過 億萬年 的 進化 它 不 存在 這個 問題 所以 自然界 的 光合作用 是 非常 和諧 而 又 美妙 的 是 吧 不過 它 也 正 因為 它 的 和諧 和 美妙 它 不 追求 速度 所以 產生 澱粉 的 速率 並不高 舉 個例 子 來講 比如 玉米 玉米 是 一種 能夠 高產 澱粉 的 作物 這種 作物 需要 120 天 的 時間 才 能夠 成熟 你 這個 你 說 30 天種 玉米 這事 就 做 不到 是不是 所以 它 自然界 並不 追求 速度 因為 它 本身 也 不想 養 這 麽 多 人 但是 現在 自然界 的 人 越來越 多 我們 想 吃 的 食物 也 越來越 多 自然界 的 這個 循環 過程 滿足 不了 我們 了 怎 麽 辦 我們 想 了 一個 辦法 說 我們 能 不能 人造 於是 科學家 們 就 想 了 一些 方法 去 人工合成 一些 食物 人工合成 這 一次 我們 中國 科學家 就是 完成 了 人工合成 澱粉 的 這 麽 一個 步驟 人工合成 澱粉 你 是 要 模擬 光合作用 的 這 兩個 部分 一個 是 光反應 一個 是 卡爾文 循環 光反應 是 產生 能量 的 那 這個 步驟 是 由誰來 提供 的 呢 由誰來 完成 的 呢 是 由 這個 大連 化學 物理 研究所 大連 化物所 它 的 科學家 們 研究 出來 的 這個 過程 雖然 是 模擬 了 光反應 過程 但是 它 光反應 過程 不 完全 一樣 首先 它 是 先 通過 比如說 這個 太陽能 板 或者 什 麽 其他 的 東西 把 光能 怎 麽 樣 呢 轉化成 電能 轉化成 電能 之後 你 把 這個 電能 再 通到 一個 電解水 的 裝置 之中 |||||"pass to"||||| 這是 水 我們 在 中間 加 電池 加電 加完 了電 之後 水 就 被 電解 了 水 被 電解 之後 形成 什 麽 形成 了 氧氣 和 氫氣 對 不 對 好 第一個 步驟 我們 把 它 變成 氫氣 了 變成 氫氣 了 之後 第二步 幹什 麽 呢 我們 用 二氧化碳 和 氫氣 在 一定 的 條件 下 進行 反應 那 麽 這個 課題組 找到 了 一種 催化劑 是 氧化鋅 等等 一些 物質 通過 這些 催化劑 的 作用 它 就 變成 了 甲醇 甲醇 什 麽 叫 甲醇 呢 我們 知道 那個 酒精 叫 乙醇 說 工業 酒精 裏邊 含有 甲醇 會致 人 失明 那 就是 甲醇 這個 物質 甲醇 以及 水 好 第二個 步驟 完成 了 這樣一來 它 就 產生 了 一種 高能 的 物質 甲醇 他們 管 這個 甲醇 叫什 麽 呢 叫 液態 陽光 為什 麽 叫 液態 陽光 呢 因為 我們 首先 通過 這樣 兩個 步驟 我們 把 光能 轉化成 了 化學能 這個 化學能 就是 甲醇 和 光合作用 相比 它 是 把 光能 轉化成 ADP 和 NADPH 我們 是 轉化成 甲醇 雖然 步驟 不 一樣 但是 思路 是 一致 的 就是 我們 把 光能 轉化成 一種 化學能 轉化成 化學能 之後 下 一步 要 幹什 麽 呢 下 一步 就要 模擬 卡爾文 循環 或者說 暗反應 了 為什 麽 叫 暗反應 呢 就是 因為 它 有沒有 光 都 能夠 發生 然後 我們 就 更好 的 說法 叫 卡爾文 循環 你 模擬 卡爾文 循環 這個 步驟 誰 完成 的 呢 是 天津 生物 技術 研究所 天津 工業 生物 技術 研究所 完成 的 他們 研究 這個 問題 花 了 六年 的 時間 那 這 一次 成果 出來 了 發表 在 國際 的 頂級 期刊 《 科學 》 上 那 麽 他 的 這個 工作 主要 有 這 麽 幾個 步驟 首先 他 先 通過 計算機 去 設計 一個 線路 就是 自然界 的 這種 跟 光合作用 合成 澱粉 相關 的 反應 有 六千 多種 他們 從 這 六千 多種 反應 之中 精挑細選 找到 了 一條 全新 的 道路 看看 哪 一種 方式 能夠 最快 地 最 高效 地 合成 澱粉 先 用 計算機 模擬 它 試 出 這個 道路 來 試完 了 之後 我們 說 第二個 步驟 就 得 找 催化劑 也 就是 酶 對 不 對 這個 酶 的 尋找 非常 地 困難 我剛 才 說 了 自然界 的 酶 都 是 經過 億萬年 的 選擇 彼此之間 不 打架 的 但是 人工 選 出來 的 這些 酶 它 彼此之間 會 打架 所以 我們 就要 去 選酶 怎 麽 選 呢 他 從 三十多種 生物 的 六十 多種 酶 裏邊 選出 了 十種 進行 了 這種 化學反應 結果 果然 發現 有 一些 酶 之間 是 打架 的 它 彼此之間 抑 製 有 你 沒 我 有 我 沒 你 還有 的 時候 它們 會 爭搶 能源 把 兩種 酶 放 一塊 它會 搶 這個 能量 這個 反應 多 了 之後 另外 一個 反應 就 少 了 所以 他們 就 得 想 辦法 去 修改 這些 酶 要 把 這個 酶 添加 一些 修飾 或者 換 一個 物種 去 找 這些 酶 解決 什 麽 問題 解決 這個 抑 製 以及 這個 競爭 的 問題 那 這個 問題 在 那個 論文 中 被 稱 之 為 瓶頸 叫 Bottleneck 他們 解決 了 這個 瓶頸 這些 酶 之間 不 打架 了 設計 了 一種 空間 時間 的 分離 以及 對於 酶 進行 修飾 終於 能夠 模擬 自然界 的 這樣 的 一個 合成 澱粉 的 方式 當然 這個 方式 自然界 並不 存在 是 我們 重新 設計 的 這個 路線 它 把 自然界 的 這個 卡爾文 循環 中 六十步 的 這個 過程 雖然 我 寫 得 比較 少 但 實際上 非常 復 雜 一共 有 六 十多步 那 我們 的 這個 天津 工業 生物 技術 研究所 的 科研人員 把 它 簡化 成 了 十 一步 具體來講 這個 步驟 是 什 麽 就是 首先 他們 做 了 一個 化學反應 罐 然後 把 二氧化碳 和 氫氣 二氧化碳 和 氫氣 用剛 才 的 這種 方式 催化 然後 變成 了 甲醇 變成 了 甲醇 變成 甲醇 了 之後 這 就是 一種 很 高能 的 這種 物質 的 同時 還有 碳 對 不 對 所以 它 把 固碳 的 這個 步驟 也 加進去 了 然後 這個 甲醇 再 在 兩種 生物酶 生物酶 就是 生物 的 催化劑 在 兩種 生物酶 的 催化作用 下 變成 了 什 麽 呢 ||biological enzymes|||||||| 變成 了 DHA DHA 我們 叫 它 二 羥基 丙酮 它 是 一種 三碳 物質 和 我們 喝牛奶 裏邊 所 含有 DHA 那個 不 一樣 不是 那個 DHA 好 然後 這種 三碳 的 物質 我 再 往 裏邊 通酶 我 再通 八個 酶 |"connect again"|| 我們 把 八種 酶 放進去 然後 它 就 會 按照 一定 的 規則 一步 一步 地 反應 最後 就 會 生成 澱粉 澱粉 是 一種 多糖 澱粉 是 一種 多糖 最後 就 會 形成 這種 澱粉 具體 的 反應時間 第一個 步驟 大約 是 一個 小時 第二個 步驟 大約 是 一個 小時 第三個 步驟 大約 是 兩個 小時 那 麽 一共 大約 是 四個 小時 四個 小時 之後 澱粉 就 產出 了 效率 非常 高 玉米 需要 多少 天 120 天 我 剛才 說過 了 好 那 麽 這個 過程 只是 一個 簡化版 的 |||||||simplified version| 大家 如果 去查 論文 原文 的話 它 就 會 告訴 你 說 我 在 這個 過程 中 一共 有 十一個 步驟 第一個 步驟 是 一個 化學 催化 過程 後面 那 十個 步驟 全都 是 生物 催化 過程 每 一個 反應 中 它 的 催化 酶 是 什 麽 產物 是 什 麽 在 這個 表 裏邊 都 寫 得 非常 清楚 這篇 論文 並 不長 就 只有 幾頁 紙 而已 當然 你 說 那 我 還想 知道 你 具體 是 怎 麽 做 的 要重 復 你 這 過程 怎 麽 辦 它會 有 一個 補充 材料 這個 補充 材料 有 五 十幾頁 你 要 知道 它 是 具體 怎 麽 做 的 你 就 去 查 那個 補充 材料 它 就 會 告訴 你 了 你 也 可以 去 重 復 它 這個 實驗 然後 經過 各種 物理 化學 的 方法 進行 檢查 發現 我們 最後 生成 的 這種 澱粉 和 我們 吃 的 那個 食物 中 的 澱粉 成分 是不是 一致 的 所以 我們 這個 實驗 就 成功 了 好 這 就是 我們 人類 第一次 在 細胞 以外 合成 澱粉 的 方式 而 之前 的 合成 澱粉 都 是 植物體 通過 光合作用 在 細胞 內 完成 的 好 那 麽 實現 了 這種 方式 之後 它 跟 傳統 的 光合作用 比 到底 是 好 還是 不好 呢 我們 來 做 一個 比較 做 一個 比較 這種 方式 科學家 給它 起 了 個 名字 叫 ASAP As soon as possible ASAP 當然 它 這是 個 簡稱 只不過 跟 這個 英語 As soon as possible 撞名 了 然後 另外 我們 跟 一種 高產 作物 就是 玉米 比較 一下 那 玉米 也 可以 產出 很多 的 澱粉 比較 什 麽 呢 首先 我們 比較 產生 澱粉 的 速度 產生 澱粉 的 速度 用 這種 人工合成 的 方式 它 計算 的 這個 反應罐 的 體積 以及 時間 時間 剛才 說 的 就是 四個 小時 以及 它 產生 的 澱粉 量 經過 換算 如果 這個 反應罐 大到 一立方米 並且 用 一天 的 時間 24 小時 連軸轉 的 反應 它會 產生 多少 千克 的 澱粉 呢 一 算 大約 是 10 千克 在 一立方米 的 容器 中 一天 的 時間 內 它會 產生 10 千克 的 澱粉 那 麽 玉米 呢 畝產 玉米 大約 是 420 千克 但是 它 需要 120 天 的 時間 玉米 中 的 澱粉 含量 大約 是 70% 你 把 這些 因素 考慮 進去 的話 那 麽 玉米 的 澱粉 產量 大約 是 2.45 千克 每 一畝 地 然後 每天 平均 到 一天 的話 那 麽 你 一天 能夠 一畝 地產 2.45 千克 你 看 1 立方米 的 反應罐 一天 可以 產生 10 千克 而 一畝 地 的 玉米 一天 的 時間 可以 產生 2.45 千克 澱粉 幾倍 呀 大約 是 4 倍 的 關系 所以 我們 說 1 立方米 的 容器 大約 相當於 是 4 畝 玉米地 的 澱粉 產量 當然 報道 中 給出 的 數據 是 5 畝 那 可能 他用 的 數據 跟 我 這個 不太 一樣 比如 對於 玉米 產量 的 估計 時間 的 計算 可能 跟 我 不 太 一樣 反正 大概 是 四五倍 的 樣子 第二個 我們 想 研究 一下 能量 的 利用率 不管 是 自然 方式 還是 人工 方式 反正 都 是從 太陽 能來 的 嘛 對 不 對 那 麽 能量 利用率 方式 有 多少 呢 自然界 玉米 的 能量 利用率 大約 是 2% 由 2% 的 光能 轉化成 有機物 中 儲存 的 能量 了 那 麽 ASAP 這種 方法 首先 光變 成電 它 有 一個 能量 的 損耗 是 吧 |light conversion||||||||| 效率 只有 20% 在 這 一步 其實 是 需要 進行 突破 的 然後 這個 電又 轉化成 氫 的 這個 能量 電解 這 步驟 它 的 效率 比較 高 大約 有 85% 然後 我們 再用 二氧化碳 和 氫氣 反應 反應 之後 變成 甲醇 這 一步 的 反應 效率 大約 有 68% 是 吧 有 一定 的 能量 損耗 然後 我們 從 甲醇 最後 再 變成 了 澱粉 這 一步 能量 利用率 大約 是 61% 那 麽 總 的 能量 利用率 就 把 它們 都 乘起來 最後 乘 完 了 之後 大約 是 7% 我們 可以 把 太陽能 從 7% 的 能量 轉化成 澱粉 能量 儲存起來 對 吧 我們 看 這 7% 自然界 2% 幾倍 啊 3.5 倍 所以 能量 利用率 是 自然界 的 光合作用 的 3.5 倍 那 最後 一個 就是 固碳 作用 我們 發現 就是 不管 你 是 自然界 的 這種 方式 固碳 把 二氧化碳 給 吸進來 還是 通過 人工 的 方式 固碳 反正 你 都 需要 酶 對 不 對 只不過 自然界 的 酶 是 植物 自己 產生 的 而 我們 這種 酶 我 是 添加 進去 的 我 添加 了 10 種酶 這種 酶 我 是從 其他 生物體 中 培養出來 的 反正 總而言之 我 都 得 加酶 那 麽 單位 質量 的 酶 你 能夠 固 多少 碳 呢 這 就是 所謂 的 固碳 的 這個 速度 用 ASAP 這種 方式 我們 可以 固定 22nmol mol 是 一個 單位 22nmol 的 碳 每 1 分鐘 每 1 毫克 的 酶 也 就是 1 毫克 的 酶 在 1 分鐘 的 時間 內 我 可以 固定 22nmol 的 二氧化碳 那 麽 自然界 的 玉米 它 體內 也 有 很 多種 酶 去 幫 它 完成 這個 卡爾文 循環 的 過程 固定 二氧化碳 對 吧 它 能 固定 多少 呢 是 2.58nmol 每分鐘 每 毫克 1 毫克 的 玉米 中 的 酶 它 一分鐘 可以 固定 2.58nmol 的 碳 這個 比較 一下 幾倍 啊 8.5 倍 所以 固碳 的 效率 也 遠遠 超過 了 誰 啊 超過 了 這個 自然界 的 這個 反應 所以 無論 我們 從 這個 產生 澱粉 的 速度 或者 是 能量 的 利用率 或者 是 固碳 的 效率 來講 這種 人工合成 澱粉 的 方式 都 會 優於 傳統 的 光合作用 這 對於 解決 糧食 危機 問題 解決 二氧化碳 這種 溫室 氣體 的 問題 以及 為 未來 的 星際 旅行 提供 食物 都 開辟 了 一條 新 的 道路 也 有 小朋友 問 那 麽 這項 成果 能 不能 得 諾貝爾獎 呢 這個 很難說 這要 看 它 後面 的 應用 情況 我舉 一個 例子 在 100 年前 的 1920 年 世界 總人口 還 不到 20 億 那個 時候 人們 雖然 已經 進入 了 工業化 和 電氣化 社會 但是 糧食 的 畝產 卻 跟 幾千年 前 差別 不大 這是 因為 莊稼 的 生長 需要 很多 的 肥料 比如說 莊稼 需要 氮肥 而 傳統 的 生產 氮肥 的 方法 要 麽 就是 人畜 的 糞便 尿液 要 不 就是 動植物 的 屍體 再有 就是 微生物 的 作用 比如說 根瘤菌 可以 把 空氣 中 的 氮 固定 下來 但是 產量 都 是 非常 有限 的 直到 1908 年 的 時候 德國 化學 加 哈伯 發明 了 人工 固氮 的 方法 它 把 空氣 中 的 氮氣 和 氫氣 在 高溫高壓 的 作用 下 加上 鐵作 為 催化劑 轉化成 了 氨氣 然後 就 可以 進一步 生產 成 各種各樣 的 氮肥 了 以 氮肥 為 代表 的 化肥 的 大量 使用 了 將 糧食 的 畝產 提高 了 數倍 這才 多 養活 了 地球 上 的 幾十億 人 直到 今天 我們 還在 使用 哈伯 的 這種 方法 來 製造 氨氣 和 氮肥 它 消耗 了 世界 上 2% 的 能源 貢獻 了 世界 上 1.6% 的 溫室 氣體 我們 身體 中有 一半 的 氮 都 來源於 哈伯 法 固定 下來 的 大氣 中 的 氮氣 哈伯 發明 這種 方法 的 時候 可能 都 沒有 想到 他 的 這個 發明 會 對 世界 產生 如此 深刻 的 影響 他 也 獲得 了 1918 年 的 諾貝爾化學獎 但是 並 不是 所有 的 科研 突破 都 有 這 麽 大規模 的 應用 比如說 在 60 年代 中國 科學家 就 完成 了 人工合成 結晶 牛 胰島素 這是 人類 歷史 上 第一次 合成 蛋白質 也 是 具有 裏 程碑 意義 的 成果 但是 直到 今天 我們 所 使用 的 胰島素 還 是從 大腸桿菌 和 酵母菌 中 提取 出來 的 而 不是 化學合成 的 現在 我們 使用 人工 方法 合成 澱粉 雖然 效率 上 比 光合 和 作用 要 高 但 也 面臨 很多 問題 比如說 光合作用 是 在 常溫 常壓 下 進行 的 它 只 需要 水 和 二氧化碳 而 不 需要 其他 的 物質 但是 我們 的 這種 方法 首先 要 有 高濃度 的 二氧化碳 和 氫氣 要 在 一定 的 溫度 和 壓強 下 進行 我們 需要 人工 的 添加 很多 的 酶 而 這些 酶 的 製作 又 是 非常 復 雜的 所以 說 這種 方法 在 經濟性 上還 沒有 辦法 跟 光合作用 進行 競爭 科學家 們 說 這 叫做 從 0~1 的 突破 而 未來 的 路還 很 漫長 需要 從 1 走到 100 一個 新 的 科學 突破 就 像 一個 孩子 它 的 未來 有 無限 的 可能 大家 如果 喜歡 我 的 視頻 可以 在 YouTube 賬號 李永樂 老師 裏 訂閱 我 點小 鈴鐺 可以 第一 時間 獲得 更新 信息