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        二氧化碳變淀粉的魔法

        2021-12-28 12:21:52林寬雨
        科學(xué)大眾 2021年23期
        關(guān)鍵詞:火星二氧化碳淀粉

        ■ 文/林寬雨

        說(shuō)到淀粉,同學(xué)們應(yīng)該不會(huì)太陌生。它是我們一日三餐中的米飯、面條、面包、玉米等食物中的主要成分,是爸爸媽媽為我們做美味佳肴時(shí)勾芡的首選。不僅在食物領(lǐng)域,淀粉在工業(yè)領(lǐng)域同樣應(yīng)用廣泛。比如,用淀粉制麥芽糖、葡萄糖、酒精;調(diào)制印花漿、紡織品的上漿,等等。

        淀粉的用途如此之廣,自然很受人們歡迎。然而,大自然生產(chǎn)淀粉的能力卻沒(méi)那么給力。怎么辦呢?沒(méi)關(guān)系,我國(guó)的科學(xué)家通過(guò)人工合成,成功將溫室氣體二氧化碳變成了淀粉。此舉真是一箭雙雕。那么,科學(xué)家是如何將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)榈矸鄣哪??跟隨我,一起看一看其中的奧秘吧!

        自然淀粉產(chǎn)量不足

        我們都知道,大自然生產(chǎn)淀粉主要是靠玉米等農(nóng)作物通過(guò)光合作用固定二氧化碳。然而,這個(gè)生產(chǎn)過(guò)程有3個(gè)比較大的缺點(diǎn):一是用來(lái)生產(chǎn)淀粉的農(nóng)作物的種植通常需要較長(zhǎng)的周期,且需要利用大量土地、淡水、肥料等資源,投入比較大;二是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程要涉及大約60步代謝反應(yīng)及復(fù)雜的生理調(diào)控,過(guò)程復(fù)雜;三是經(jīng)過(guò)這么一系列復(fù)雜的操作過(guò)后,理論上的能量轉(zhuǎn)化效率僅為2%左右,可以說(shuō)付出和收獲嚴(yán)重不成比例。

        淀粉也可人工合成

        大自然生產(chǎn)不給力,促使著人們想其他辦法制造淀粉。這不,我國(guó)科學(xué)家就成功合成了淀粉。那他們是如何自己動(dòng)手造淀粉的呢?

        簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),科學(xué)家制造淀粉的方式就像搭積木一樣,將碳一化合物搭建成多碳化合物,具體搭建過(guò)程可以概括為:首先,利用化學(xué)催化劑將高濃度的二氧化碳還原為碳一化合物——甲醇;其次,通過(guò)設(shè)計(jì)構(gòu)建碳—聚合新酶,將甲醇搭建成碳三化合物;再次,把碳三化合物搭建成碳六化合物;最后,再次搭建,就得到所需要的多碳化合物——淀粉啦!

        人工合成淀粉優(yōu)點(diǎn)多

        相比于大自然的生產(chǎn)方式,這種人工合成方式有很多顯著的優(yōu)點(diǎn)。

        1.過(guò)程簡(jiǎn)單

        前面提到了大自然生產(chǎn)淀粉需要大約60步代謝反應(yīng)及復(fù)雜的生理調(diào)控,而利用人工合成的方式,二氧化碳只需要經(jīng)過(guò)11步就能變成淀粉,生產(chǎn)過(guò)程更簡(jiǎn)單。

        2.速度快、效率高

        人工合成淀粉在速度和效率上也比自然合成更勝一籌,合成速度是玉米自然合成淀粉速度的8.5倍,合成效率也從自然合成的2%左右提升到了10%以上。

        3.價(jià)值高,保護(hù)環(huán)境

        據(jù)說(shuō),在能量充足的條件下,理論上1立方米大小的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于5畝玉米地的平均年產(chǎn)量。如果這種人工合成淀粉能成功替代自然淀粉,將會(huì)節(jié)省超過(guò)90%的土地和淡水資源,經(jīng)濟(jì)價(jià)值非??捎^。此外,人工合成淀粉的成功應(yīng)用也能大量減少化肥和農(nóng)藥的使用,對(duì)自然環(huán)境也是一種保護(hù)。

        4.緩解糧食危機(jī)

        我國(guó)雖然地域遼闊,但耕地面積僅占國(guó)土面積的16%左右,糧食問(wèn)題一直很?chē)?yán)峻。人工合成淀粉技術(shù)的出現(xiàn),有助于緩解糧食危機(jī)。

        5.為“碳中和”作貢獻(xiàn)

        隨著環(huán)境污染、溫室效應(yīng)的加劇,實(shí)現(xiàn)“碳中和”已經(jīng)成為全世界共同努力的目標(biāo)。現(xiàn)在,人們正努力從植樹(shù)造林、使用清潔能源、節(jié)能減排等多方面降低二氧化碳的含量。人工合成淀粉技術(shù)可以直接固定二氧化碳,效率遠(yuǎn)高于植物。未來(lái)如果這項(xiàng)技術(shù)能得到廣泛應(yīng)用,毫無(wú)疑問(wèn),可以為“碳中和”作出巨大貢獻(xiàn)。

        能量是個(gè)難題

        優(yōu)點(diǎn)如此之多,相信大家都希望這項(xiàng)技術(shù)能夠快速被應(yīng)用到實(shí)際生活中。雖然目前科學(xué)家們已經(jīng)在這項(xiàng)技術(shù)上取得了重大突破,但要讓它被廣泛應(yīng)用,還有不少問(wèn)題需要解決,比如能量問(wèn)題。

        通過(guò)二氧化碳人工合成淀粉的過(guò)程需要大量的能量支撐,根據(jù)科學(xué)家的初步計(jì)算,只有二氧化碳到淀粉合成的電能利用效率再提高數(shù)倍,同時(shí)淀粉合成的碳素轉(zhuǎn)化率提高數(shù)十倍,人工合成淀粉才能同大自然生產(chǎn)的淀粉相競(jìng)爭(zhēng)。相信隨著科技的發(fā)展,科學(xué)家會(huì)采用更多先進(jìn)的技術(shù)解決人工合成淀粉的能量需求。比如,同樣走在科技前沿的“液態(tài)陽(yáng)光”技術(shù),未來(lái)就有望成為人工合成淀粉能量供給的主力。

        助力火星安家

        浩瀚的宇宙給人們留下了無(wú)盡的幻想,在宇宙中找到一個(gè)像地球一樣的理想家園一直是人們的夢(mèng)想。也有不少人像馬斯克一樣,想要通過(guò)技術(shù)手段將地球的鄰居火星改造成人類(lèi)的第二家園。未來(lái),人工合成淀粉技術(shù)也許能助馬斯克一臂之力?;鹦谴髿庵卸趸嫉恼急雀哌_(dá)96%,如果人工合成淀粉技術(shù)能在這里應(yīng)用,火星就變成了一個(gè)糧倉(cāng)。解決了糧食問(wèn)題,人類(lèi)在火星安家的夢(mèng)想自然可以前進(jìn)一大步。

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