糧食不用土地種植，工廠就能生產，如此天方夜譚的一幕，居然夢想成真了！中國科學家們已經突破了二氧化碳人工合成澱粉的關鍵技術，也許不久的將來，“喝西北風”真的就能管飽呢！
自然界中二氧化碳是怎麼變成澱粉的？
二氧化碳怎麼就能變成澱粉呢？在回答這個問題之前，我們先來看看過去的糧食是怎麼種出來的，其實道理說來也很簡單，就是利用植物的光合作用，將太陽光能轉化為化學能，儲存在澱粉之中。
具體的說就是，秧苗在田地裡被太陽照射，二氧化碳和水在太陽光和催化酶的作用下，形成有機物和氧氣的過程，化學方程式是這樣的：6CO2+6H2O（ 在光照條件下、在葉綠體內發生反應）→形成C6H12O6[（CH2O）n]+6O2，這裡的光照是條件， 是場所，二氧化碳和水是原料，最後的結果就是生成C6H12O6，也就是我們常說的葡萄糖。
再來細分一下，光合作用分為兩個階段：一個是光反應，一個是卡爾文迴圈。
先來說說光反應是怎麼回事，光反應發生在葉綠體之內，當光線照射葉綠體，首先是光解水，產生氫原子、核外電子和氧原子，其中的氧原子經過重組形成氧分子，就是我們呼吸的氧氣。
光反應釋放的高能氫原子 和電子，跟細胞裡的二磷酸腺苷，簡稱ADP，結合之後就形成了儲能的ATP三磷酸腺苷。
除此之外，植物體內還有一種叫做NADP+的輔助酶，這種酶也透過光反應提供的能量，結合氫原子變成儲能的還原型輔酶NADPH，這樣一來，光能透過光反應，把光能轉變成化學能儲存在葉綠體內的三磷酸腺苷ATP和NADPH輔助酶之中了。
簡單總結一下，光反應就是光能電解水，一方面產生氧氣，另一方面產生氫原子和電子兩種高能粒子，這兩種微觀粒子在細胞裡的發生一系列反應，把能量儲存到葉綠體中的ATP和NADPH中了，光能變成了化學能。
光合作用除了產生氧氣，還有就是吸收二氧化碳，那麼二氧化碳又是怎麼被吸收的呢？光反應儲存的化學能量又是怎麼轉移到葡萄糖中的呢？這就牽涉到第二個過程，卡爾文迴圈。
卡爾文迴圈這個詞得名於美國生物學家卡爾文，卡爾文迴圈的過程大致是這樣的：植物體內的葉綠體的基質裡有一種:名叫核酮糖RuBP的五碳糖，這種五碳糖在吸收二氧化碳中的碳元素之後，就變成了新的六碳糖，六碳糖經過分裂又變成兩個三碳糖，叫做PGA磷酸甘油酸，前面我們說來，光反應把光能轉變成化學能，儲存在ATP和NADPH中，到了這個時候，ATP和NADPH，就又把儲存的化學能轉移到三碳糖PGA磷酸甘油酸當中，吸收了化學能量之後的PGA又變成了另一種三碳化合物，叫PGAL磷酸甘油荃，注意!卡爾文迴圈到了這一步，開始了一個有趣的分叉，就是這個PGAL磷酸甘油荃，一部分經過酶化反應，又重新變成最初的五碳糖RuBP，重新迴圈；另一部分就變成了新的六碳化合物，這就是葡萄糖！葡萄糖之後再經過催化酶的作用，就變成澱粉或者蔗糖。
簡單一句話就是，光合作用就是透過一系列生物反應，把光能轉化成化學能，儲存到澱粉中，這裡面涉及到60多步的生物化學反應和複雜的生理調控。
人工合成澱粉是怎麼實現的？
瞭解了植物的光合作用之後，我們再來看看人工澱粉是怎麼合成的？工合成澱粉大體上可以認作是對植物光合作用的借鑑，這其中的過程既有模擬，也有創新。
首先來看光反應，人工模擬的光反應和自然界的光反應有所不同的是，這裡先是透過太陽能板將光能轉化成電能，然後再去電解水，產生氫氣和氧氣，然後氫氣和二氧化碳在催化劑氧化鋅的作用下，發生反應產生甲醇CH3OH【H2+CO2=CH3OH+H2O】,這裡光能就被轉化成化學能儲存在甲醇中了，而甲醇還有一個名字叫“液態陽光”，這和自然界中光能儲存在葉綠體中的ATP和NADPH不一樣。
接下來第二步就是對卡爾文迴圈的模擬，甲醇儲存了來自太陽的能量，但是自然界中並不存在甲醇合成澱粉的生命過程，於是科研人員利用合成生物學的思想，從海量的生物化學反應資料中，設計出了甲醇到澱粉的人工路線ASAP，就是人工澱粉合成途徑的英文縮寫。
前面我們說了，植物體內的卡爾文迴圈有60多步的生物反應，而人工合成澱粉採用一種類似“搭積木”的方式，主要步驟只有11步，大大提升了轉化速率。
ASAP等於是找到了人工澱粉製造的渠道，接下來還需要的是催化酶，科研人員從31種動物、植物、微生物物種的62個生物酶催化劑種進行篩選，最終優選出10個酶，然後逐步將一碳的甲醇轉化為三碳的二羥基丙酮DHA，再進一步轉化為六碳的磷酸葡萄糖C6H12O6，最後轉化為澱粉，整個過程加起來只需要四個小時，而在自然界玉米的生長週期約為120天。
合成的澱粉和自然澱粉有什麼優勢？
那麼，人工合成的澱粉相比自然澱粉又有什麼優勢？合成的直鏈澱粉和支鏈澱粉與自然界中的澱粉進行比對，得到的核磁結果一模一樣，也就是說，合成澱粉在結構上和自然澱粉沒有區別，而且傳統澱粉依賴提取，產物多為大分子支鏈澱粉，人工澱粉不僅能合成易消化的支鏈澱粉，還能合成易消化、升糖慢的直鏈澱粉。
雖然人工澱粉的生物反應從自然界的60多步被簡化到只剩下11步，但光能利用效率卻大大提升，自然的光合作用對太陽能的利用不到2%，而人工合成澱粉的光能轉化效率超過7%，是自然界光合作用的3.5倍。
按照目前技術引數推算，人工合成澱粉的效率約為傳統農業生產澱粉的8.5倍，在能量供給充足的條件下，理論上1立方米大小的生物反應器年產澱粉量，相當於5畝土地玉米種植的澱粉年平均產量。
此外，傳統種植獲取澱粉會使用大量的氮磷鉀肥、農藥等，長時間使用容易造成土壤理化性質惡化，作物果實品質降低，對人類健康產生影響，人工合成澱粉不僅避免了農藥的使用，獲得更健康的農產品，更關鍵的還在於成功地擺脫了對於植物固碳的依賴，也就是說，沒有植物，一樣能生產糧食。
專家預測，如果人工合成澱粉成本能夠降低，與農業種植相比具有經濟可行性，那麼就可以節約90%以上的耕地和淡水資源，另外，ASAP的成功構建，為推進我國碳達峰和碳中和目標奠定了關鍵技術基礎。
這項研究何時能走向應用？
雖然人工合成澱粉效率上要比自然界高出很多，但是在實際應用中仍然存在很多問題，比如一般的光合作用只需在常溫常壓下進行，除了水和二氧化碳什麼都不需要，而人工合成
的條件則要苛刻得多，除了高濃度的二氧化碳和氫氣，升溫高壓之外，還需要人工新增三十多種酶，而這些酶的提取過程也是極為複雜，所以人工合成澱粉就目前來說，在經濟上仍然沒有大規模推廣的可行性，但是科學之路從來都不可能一蹴而就，完成了從0到1的偉大突破，未來的一切皆有可能。最後留給大家一個問題，你覺得這項技術能夠獲得諾貝爾獎嗎？評論區留言一起探討。
