二氧化碳人工合成淀粉是真的吗(二氧化碳人工合成淀粉可靠吗)

粮食不用土地种植,工厂就能生产,如此天方夜谭的一幕,居然梦想成真了!中国科学家们已经突破了二氧化碳人工合成淀粉的关键技术,也许不久的将来,“喝西北风”真的就能管饱呢!

二氧化碳人工合成淀粉,以后不用种地了,喝西北风就能管饱?

自然界中二氧化碳是怎么变成淀粉的?

二氧化碳怎么就能变成淀粉呢?在回答这个问题之前,我们先来看看过去的粮食是怎么种出来的,其实道理说来也很简单,就是利用植物的光合作用,将太阳光能转化为化学能,存储在淀粉之中。

二氧化碳人工合成淀粉,以后不用种地了,喝西北风就能管饱?

具体的说就是,秧苗在田地里被太阳照射,二氧化碳和水在太阳光和催化酶的作用下,形成有机物和氧气的过程,化学方程式是这样的:6CO2+6H2O( 在光照条件下、在叶绿体内发生反应)→形成C6H12O6[(CH2O)n]+6O2,这里的光照是条件, 是场所,二氧化碳和水是原料,最后的结果就是生成C6H12O6,也就是我们常说的葡萄糖。

再来细分一下,光合作用分为两个阶段:一个是光反应,一个是卡尔文循环。

二氧化碳人工合成淀粉,以后不用种地了,喝西北风就能管饱?

先来说说光反应是怎么回事,光反应发生在叶绿体之内,当光线照射叶绿体,首先是光解水,产生氢原子、核外电子和氧原子,其中的氧原子经过重组形成氧分子,就是我们呼吸的氧气。

光反应释放的高能氢原子 和电子,跟细胞里的二磷酸腺苷,简称ADP,结合之后就形成了储能的ATP三磷酸腺苷。

除此之外,植物体内还有一种叫做NADP+的辅助酶,这种酶也通过光反应提供的能量,结合氢原子变成储能的还原型辅酶NADPH,这样一来,光能通过光反应,把光能转变成化学能存储在叶绿体内的三磷酸腺苷ATP和NADPH辅助酶之中了。

简单总结一下,光反应就是光能电解水,一方面产生氧气,另一方面产生氢原子和电子两种高能粒子,这两种微观粒子在细胞里的发生一系列反应,把能量存储到叶绿体中的ATP和NADPH中了,光能变成了化学能。

二氧化碳人工合成淀粉,以后不用种地了,喝西北风就能管饱?

光合作用除了产生氧气,还有就是吸收二氧化碳,那么二氧化碳又是怎么被吸收的呢?光反应存储的化学能量又是怎么转移到葡萄糖中的呢?这就牵涉到第二个过程,卡尔文循环。

卡尔文循环这个词得名于美国生物学家卡尔文,卡尔文循环的过程大致是这样的:植物体内的叶绿体的基质里有一种:名叫核酮糖RuBP的五碳糖,这种五碳糖在吸收二氧化碳中的碳元素之后,就变成了新的六碳糖,六碳糖经过分裂又变成两个三碳糖,叫做PGA磷酸甘油酸,前面我们说来,光反应把光能转变成化学能,存储在ATP和NADPH中,到了这个时候,ATP和NADPH,就又把存储的化学能转移到三碳糖PGA磷酸甘油酸当中,吸收了化学能量之后的PGA又变成了另一种三碳化合物,叫PGAL磷酸甘油荃,注意!卡尔文循环到了这一步,开始了一个有趣的分叉,就是这个PGAL磷酸甘油荃,一部分经过酶化反应,又重新变成最初的五碳糖RuBP,重新循环;另一部分就变成了新的六碳化合物,这就是葡萄糖!葡萄糖之后再经过催化酶的作用,就变成淀粉或者蔗糖。

二氧化碳人工合成淀粉,以后不用种地了,喝西北风就能管饱?

简单一句话就是,光合作用就是通过一系列生物反应,把光能转化成化学能,存储到淀粉中,这里面涉及到60多步的生物化学反应和复杂的生理调控。

人工合成淀粉是怎么实现的?

了解了植物的光合作用之后,我们再来看看人工淀粉是怎么合成的?工合成淀粉大体上可以认作是对植物光合作用的借鉴,这其中的过程既有模拟,也有创新。

二氧化碳人工合成淀粉,以后不用种地了,喝西北风就能管饱?

首先来看光反应,人工模拟的光反应和自然界的光反应有所不同的是,这里先是通过太阳能板将光能转化成电能,然后再去电解水,产生氢气和氧气,然后氢气和二氧化碳在催化剂氧化锌的作用下,发生反应产生甲醇CH3OH【H2+CO2=CH3OH+H2O】,这里光能就被转化成化学能存储在甲醇中了,而甲醇还有一个名字叫“液态阳光”,这和自然界中光能存储在叶绿体中的ATP和NADPH不一样。

接下来第二步就是对卡尔文循环的模拟,甲醇储存了来自太阳的能量,但是自然界中并不存在甲醇合成淀粉的生命过程,于是科研人员利用合成生物学的思想,从海量的生物化学反应数据中,设计出了甲醇到淀粉的人工路线ASAP,就是人工淀粉合成途径的英文缩写。

二氧化碳人工合成淀粉,以后不用种地了,喝西北风就能管饱?

前面我们说了,植物体内的卡尔文循环有60多步的生物反应,而人工合成淀粉采用一种类似“搭积木”的方式,主要步骤只有11步,大大提升了转化速率。

ASAP等于是找到了人工淀粉制造的渠道,接下来还需要的是催化酶,科研人员从31种动物、植物、微生物物种的62个生物酶催化剂种进行筛选,最终优选出10个酶,然后逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮DHA,再进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖C6H12O6,最后转化为淀粉,整个过程加起来只需要四个小时,而在自然界玉米的生长周期约为120天。

合成的淀粉和自然淀粉有什么优势?

那么,人工合成的淀粉相比自然淀粉又有什么优势?合成的直链淀粉和支链淀粉与自然界中的淀粉进行比对,得到的核磁结果一模一样,也就是说,合成淀粉在结构上和自然淀粉没有区别,而且传统淀粉依赖提取,产物多为大分子支链淀粉,人工淀粉不仅能合成易消化的支链淀粉,还能合成易消化、升糖慢的直链淀粉。

二氧化碳人工合成淀粉,以后不用种地了,喝西北风就能管饱?

虽然人工淀粉的生物反应从自然界的60多步被简化到只剩下11步,但光能利用效率却大大提升,自然的光合作用对太阳能的利用不到2%,而人工合成淀粉的光能转化效率超过7%,是自然界光合作用的3.5倍。

按照目前技术参数推算,人工合成淀粉的效率约为传统农业生产淀粉的8.5倍,在能量供给充足的条件下,理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量,相当于5亩土地玉米种植的淀粉年平均产量。

此外,传统种植获取淀粉会使用大量的氮磷钾肥、农药等,长时间使用容易造成土壤理化性质恶化,作物果实品质降低,对人类健康产生影响,人工合成淀粉不仅避免了农药的使用,获得更健康的农产品,更关键的还在于成功地摆脱了对于植物固碳的依赖,也就是说,没有植物,一样能生产粮食。

二氧化碳人工合成淀粉,以后不用种地了,喝西北风就能管饱?

专家预测,如果人工合成淀粉成本能够降低,与农业种植相比具有经济可行性,那么就可以节约90%以上的耕地和淡水资源,另外,ASAP的成功构建,为推进我国碳达峰和碳中和目标奠定了关键技术基础。

这项研究何时能走向应用?

虽然人工合成淀粉效率上要比自然界高出很多,但是在实际应用中仍然存在很多问题,比如一般的光合作用只需在常温常压下进行,除了水和二氧化碳什么都不需要,而人工合成

的条件则要苛刻得多,除了高浓度的二氧化碳和氢气,升温高压之外,还需要人工添加三十多种酶,而这些酶的提取过程也是极为复杂,所以人工合成淀粉就目前来说,在经济上仍然没有大规模推广的可行性,但是科学之路从来都不可能一蹴而就,完成了从0到1的伟大突破,未来的一切皆有可能。最后留给大家一个问题,你觉得这项技术能够获得诺贝尔奖吗?评论区留言一起探讨。

本网页内容旨在传播知识,若有侵权等问题请及时与本网联系,我们将在第一时间删除处理。E-MAIL:dandanxi6@qq.com

(0)
上一篇 2022-12-22 08:45
下一篇 2022-12-22 09:00

相关推荐