空气变馒头：那些秒杀芯片和诺贝尔奖的黑科技

刘萝卜锅

品质源于技术 服务源于态度

这是阿什卡微信公众号第931篇原创文章

首发于2021年10月14日

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1、淀粉是个什么玩意儿

人体主要有三大营养物质：蛋白质主要是建材，构成身体；糖主要是能量，驱动身体；脂肪主要是物资储备，也当建材。当然三者可以相互转化：

做馒头的面粉里，这三样都有，其中淀粉最多，占70%+。所以前段时间刷屏的“馒头”，准确地讲，仅指“淀粉”。

所谓淀粉，就是葡萄糖勾搭在一起，组成的一种多糖。为啥要说“一种”呢？因为多糖的存在形式有很多，比如植物的纤维素、虾兵蟹将们的盔甲，等等。

我们吃淀粉，目的也是为了把它分解成糖，为我所用。

糖都是由“碳、氢、氧”三种元素混搭的分子，而且H与O的比例总是2：1，所以糖也叫碳水化合物。比如葡萄糖——

瞧，集齐6个碳原子（C）、6个水分子（H2O）的原料，就可以召唤一枚葡萄糖分子。如果这里面的碳原子，是从二氧化碳里拆来的，那就是“空气变馒头”。

2、馒头自古以来一直是空气变的

我们吃到的淀粉，主要来自植物。而植物的淀粉，就是靠光合作用，把水分子的H拆下来，抓取二氧化碳，一通神操作，组装成葡萄糖。

有了葡萄糖，就可以合成淀粉、纤维素，建设有自身特色的植物体。

从这个意义上讲，植物确实是喝西北风长大的，动物们是间接喝西北风长大的。

空气变馒头，在地球上至少存在30多亿年了。

虽然这是一门古老的技术，但其中涉及到的科学理论和黑科技，在今天的人类看来，依然尖端前沿。比如——

光化学、光电效应、分子组装技术、微流控技术、能量转换技术、膜技术，等等。有的技术，人类至今望尘莫及。

下面，我们走马观个花。

3、远古技术的狂拽炫酷

这些技术，被集成在巧夺天工的结构之中，其设计之美妙、工艺之精巧，即使是令人类津津乐道的芯片，也会自惭形秽。

不服的话，我们先看一眼核心部件：叶绿体。

叶绿体的尺寸，是微米级，但它里面装了几十个基粒，基粒的直径大概在0.25~0.8微米之间。而每个基粒，又是由几十上百个类囊体组成——

你可能说，类囊体虽小，但依然是微米级的，没法和芯片中的纳米级结构比吖。

别急，类囊体不是芯片中的元件，而是芯片本身。准确地讲，类囊体的膜相当于芯片，复杂美妙的精细结构——光系统、电子传递链、水力机械……都集成在类囊体膜上了。

△ 以后聊到的结构和工艺流程，都在这张图里了，可点击放大看。

目前芯片内部结构的制程极限是5纳米，而类囊体膜的厚度只有5~7纳米，它在人类的制程极限这么薄的空间，集成了光合作用的基本元件和线路。

在基本元件里，还有更精细的元件。比如“光系统II”、“光系统I”，里面就集成了一系列光学元件……

体验了顶级工程美学，接下来该盘点黑科技了。

刘萝卜锅

4、光电效应与光化学

光系统II有四大功能：①吸收光能、②光生电并输送到指定位置、③拆开水分子、④精确分拣原料。

这几大功能，如果做成机器人来实现，我们可以脑补一下，它该有多复杂。

但光系统II只需外天线、内天线、反应中心三个部分就搞定。真正的结构简单，功能强大。

先是捕捉和传递光子，流程：外天线→内天线→反应中心。

光子被捕获后，一路传递到反应中心，能量转化效率超过95％，损失不到5%。效率高到没朋友。人类的光伏技术，实验室最高转化率只有47%，实际应用能达到30%就很牛了。

到了反应中心，发生光电效应，也就是光生电，拆掉水分子（光化学），并且把零件分发出去——排出氧O、压入氢H+，输走电子e-。

捕光，是上百个色素分子之间的击鼓传花；拆分，也是上百个分子的协作流水线。这一系列复杂的物理和化学过程，发生在10-15~10-7秒，也就是皮秒甚至飞秒之间。

皮秒什么概念？光1秒能绕地球7圈半，但1皮秒只能走0.3毫米。

那么，H+和e-去哪儿了呢？

5、电子操控——微流控技术

先说e-，我们管它叫电子甲吧。它被送进“电路II”，精准快递到“光系统I”。这里用到的是微流控技术。

人类是1970年代提出这个技术的，简单讲，就是利用微型管道，操控微小的流体。目前，我们可以用它操纵细胞，比如细胞分离、分选、聚焦等等。

每个细胞，都是百万亿至十亿亿个原子组成的大家伙。而电子在原子面前，就像乒乓球VS鸟巢体育场。能操纵细胞，人类已经牛得动不动就叉腰了。

话说电子甲，被送到光系统I干嘛呢？精准抢夺电子乙的位置。电子乙亏了吗？没有。光系统I给了它一个光子的能量，成为“获能电子”，进入“电路I”，执行下一个光荣任务去了。

可想而知，植物精确操纵电子的微流控技术，是有多变态。

但更变态的，还在后面。

6、微型水电站——膜技术、能量转换技术

电子通过电路II时，它的一部分能量，用来把H+泵入内囊体腔。干嘛呢？给水电站蓄水。

物质分布，总是倾向于平均。所以，物质总是倾向于从浓度高的一方，流向浓度低的一方。就像水水往低处流一样（势能）。

电子不断把H+泵入内囊体腔——那么，腔内的H+浓度，就比腔外高。墙里秋千墙外道，墙里H+，要往墙外跳——这就相当于水坝蓄水。

那么H+从哪儿流出腔呢？从指定通道。这里就要用到膜技术。

膜技术的功能，就是“选择性分离”。最简单的比如滤纸，可以过滤掉杂质。医学透析就是一种比较粗糙的膜技术。

我们体内的膜技术，那就不知道高端到哪里去了。最简单的，比如细胞膜，允许水、氧、有用的蛋白质进入，同时拒绝无用的蛋白质、病毒等。

类囊体膜技术也不遑多让，它不仅集成了精细复杂的装置，还能准确分离氧、氢、碳、电子等粒子，让它们各安其位。

H+的指定通道，在“ATP合成酶”里。这是一种分子级的小发电机。

H+流过，带动这台小马达，以大概100转/秒的速度，装配电池ATP。在微米级的空间顺畅运转，完美实现了“势能→机械能→化学能”的转换。

电池有了，原材料呢？

7、葡萄糖装配——分子组装技术

该电子乙“获能电子”出场了。集齐两个获能电子，就可以把流出来的H+，安装到快递小哥“NADP+”身上（还原辅酶）。快件就是e-和H+。

聊到这儿，我们不得不佩服整套工艺设计之巧妙。这套能量转换科技不仅黑，还很鸡贼——电子e-、氢离子H+不仅是动力，还是原料，真是物尽其用，吃干榨尽。

现在关键来了，核心材料C呢？这就要用到另一项黑科技了。

分子组装技术：利用原子、分子的作用力，以及运动规律，制造出具有特定功能的产品和器件。

目前人类正在积极探索这项新技术，可以制造一些简单的结构，比如这个小马达——

灰色部分可以旋转，驱动这个小车。由于制造分子机器，三位科学家获得了2016年的诺贝尔化学奖。非常了不起。但比起生物体，就是蹒跚学步阶段。

分子自组装技术，只是生物体的基操。DNA、蛋白质等复杂、精细、功能强大的结构，都是分子自组装的杰作。比如刚才那个精细美妙到天际的发电机。

下面要聊的，就是葡萄糖分子自组装技术——暗反应（没有光子参与）。

简单讲，就是抓取空气中的二氧化碳，利用快递小哥送来的e-和H+，以及电池ATP、中间商“RuBP”等，组装成葡萄糖。整个工艺很复杂，就不细聊了，看图，留意一下C的动向就好——

暗反应的流程，是从3个RuBP与二氧化碳组装开始，制造出产品后，到再生3个RuBP结束，然后重新来过，是个如假包换的“循环”。

这个循环是卡尔文发现的，所以叫“卡尔文循环”。

每一次循环，输出一个产品G3P，是3碳体。集齐两个G3P，就可以组装一个葡萄糖——6碳体。

接下来，就是葡萄糖被磷酸化，“淀粉合成酶”等各种酶出马，八仙过海各显神通，把葡萄糖组装成淀粉了。暗反应过程很耗能，最终固定到淀粉中的化学能，大概不超过所吸收光能的2%。

整个工艺流程也是一言难尽，我们就聊聊装配工——能干的“酶酶”吧。

刘萝卜锅

8、神奇的酶

机枪发射子弹后，一排排子弹被拆成了蛋壳、弹头，但机枪本身没什么变化，就连能量也是来自子弹，而不是机枪。

机枪的结构，就是为拆子弹而生的，换句话说，它是拆子弹的专用工具。

现在，联系一下化学反应，你会想到什么？对，催化剂——掺和特定的化学反应，但不参与反应，能改变反应效率，自身却不发生变化。

酶就是一种生物催化剂。只不过，酶的结构精妙绝伦，为专业而生，所以无论是从效率上、种类上，还是从产品复杂度上看，都是无机催化剂望尘莫及的。

就拿ATP合成酶来讲吧，我们体内消耗的能量电池ATP，这玩意存货不多，基本是现用现造，每个细胞，每分钟可以组装1000万个ATP，你没看错，1000万个/分钟，一个成年人，体内每天组装的ATP，可以相当于自身体重。

再比如DNA复制，成千上万个聚合酶分工合作，形成完整生产线——这边读模板DNA，那边打印新DNA，效率令人瞠目结舌——相当于每秒读取、打印3万字，比机枪快多了。欣赏一下慢动作：

聊到这儿，人工合成淀粉这事儿，就好理解了。

9、这次刷屏的中国科学家做了什么？

简单讲就是：优选、集成了一条淀粉合成的新路线，实现了从二氧化碳到淀粉的人工合成。

其中的每个反应，都是现成的。比如：淀粉合成酶，把葡萄糖聚合成淀粉；CO2在电氢还原作用下生成甲醇（CH₃OH）等。那是不是说，这个新路线没什么创造性呢？当然不能这样说。乔布斯做出第一台苹果智能手机，里面的电子元件都是别人现成的发明，但把它们集成为智能手机，就是了不起的创造。

前面介绍的植物合成淀粉工艺，从二氧化碳到淀粉，要60多步代谢过程，形成淀粉的“光能→化学能”转化率为2%。

而中国科学家绕过了植物抓取二氧化碳进行加工的门槛，从甲醇出发，充分发挥酶的作用，只用了11步核心反应，分四个大模块：

这图怎么看？大致是：每组箭头为一步，箭尾是原料，箭身是添料和酶（椭圆圈里的），箭尖是产品，也是下一步的原料。

合成淀粉的整个过程，生产效率大概是传统农作物的8.5倍。增了产、提了效，这就是优选、集成的功劳。

优选、集成，听起来容易做起来难。就拿我们熟悉的石油勘探开发整个流程来说吧，每一个环节，都有很多种工具软件帮助实现，这些软件功能既有特色，也有交叉，又各有优缺点，而且有的可以兼容，有的不能兼容……如果各环节都是自行其是，现用现抓，无疑会付出巨大的时间、经济、试错、修正成本。怎么办呢？要专业团队来优选、集成。

阿什卡就是这样的专业团队，二十多年来致力于国际油气软件的优选集成、推广应用，形成了从勘探到开发全流程的软件解决方案和技术服务，“降本、增产、提效”的作用，已是久经考验，有目共睹。

就像这个中国团队所做的那样：在世界科学家积累的、浩如烟海的研究数据中，选择可用的技术路线，花费大量精力进行反复拼搭、实验，最终整合出这一条11步的路线，并且，还改造了三种酶，从而达到目前的效果。

刘萝卜锅

10、离实用有多远？

这条技术路线证明了：我们可以在非生物条件下，利用二氧化碳，人工合成淀粉。

这是什么概念呢？如果做到实用化，至少可以解决人类未来的两个大问题：

一是碳排放问题。用排放出来的二氧化碳，作为原料，加工成淀粉。

二是星际旅行问题。只要有足够的能量，就可以离开植物，利用人体代谢出来的碳，解决食物问题，实现宇宙飞船、外星上的碳循环。

但目前的技术路线，离实用还差得远，更不可能解决上述问题。

首先，大家可能注意到了，植物从空气中抓取二氧化碳，加工成淀粉，全程是自动的。而人工合成淀粉，绕开了这一步。二氧化碳不能从空气中抓取，只能制备二氧化碳、氢，提供高温高压等反应环境，合成甲醇，作为起步原料。这样，不能解决空气中的二氧化碳，就不能解决碳排放超标、宇宙飞船中的碳循环问题。

并且，大规模的二氧化碳提取制备是问题，就连储备也是问题（感兴趣看看本期封面文章，就可以深刻体会）。

其次，植物玩儿光合作用，抓取和利用太阳能，其物理和生化反应的全套高精尖设备，都是免费的、绿色环保的。而人工项目中的能量，虽然也是利用太阳能，但是，我们要先消耗资源，去采矿、制造太阳能板、设备等等，并且无法回避损折、维护、更新的刚需， hold不住星际旅行、外星移民级别的时间长度。这和植物的全套自动免费、循环利用无法相提并论。

再次，有的科学家认为，如果从甲醇出发，直接用甲醇培养酵母等微生物，作为食物，营养更全面，技术路线更短，成本更低，各方面都比造糖更值得考虑。

所以说，二氧化碳人工合成淀粉，目前可以说是路漫漫其修远兮，还远远谈不上实用化，

但无论如何，二氧化碳人工合成淀粉的实现，是迈出了突破性的一小步，为这项技术走向实用的那一大步，开了门，奠了基，提供了人造生物大分子的无限遐想，意义非凡。

-END-

相关链接：

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