文/本刊記者 馬思遙
2023年7月,國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)與世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織食品添加劑聯(lián)合專家委員會(JECFA)發(fā)布了關(guān)于阿斯巴甜危害和風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果——IARC引用了對人類致癌的“有限證據(jù)”,將阿斯巴甜歸為可能對人類有致癌性(IARC 2B類)之列,坐實(shí)了此前阿斯巴甜疑被定性為“可能的人類致癌物”的傳聞,在食品飲料界引起了陣陣風(fēng)波。
在食品領(lǐng)域,阿斯巴甜類的人工合成物一直都備受爭議,很多消費(fèi)者更傾向于純天然的物質(zhì)。但其實(shí)從古羅馬時(shí)期開始,人工合成物就開始在人類文明史上閃爍科技的光芒。
石灰石和火山巖制成的“羅馬砂漿”成為現(xiàn)代水泥的前身,鑄造了人類璀璨的建筑文明;冶鐵過程中加入不同量的碳,實(shí)現(xiàn)了鋼鐵時(shí)代人類上天入海的夢想;早在11世紀(jì),南美洲出現(xiàn)了橡膠球,在美國化學(xué)家古德伊爾的硫化工藝加持下,橡膠解決了人類發(fā)展進(jìn)程中的“震動”和“顛簸”,成為人類文明疾馳向前的車輪……
酚醛樹脂、賽璐珞、金屬合金、功能陶瓷、纖維尼龍、半導(dǎo)體材料、光伏材料、氣凝膠、人工合成胰島素、化學(xué)藥品等人工合成物已經(jīng)滲入人類生活的方方面面??梢詳嘌裕诂F(xiàn)今社會中,人們的生活工作已經(jīng)離不開人工合成物。
人工合成甜味劑阿斯巴甜致癌的結(jié)論“靴子落地”,猶如一記重棒砸在了食品安全領(lǐng)域,也再一次掀起了人工合成物使用的激烈討論。然而,正如一枚硬幣擁有正反兩面一樣,人工合成物的誕生和使用并非能用簡單的對錯(cuò)、好壞來評判。我們已生活在“合”中生有的科技時(shí)代,衣食住行等各個(gè)方面都在面對和使用大量人工合成物,甚至在治病救人的醫(yī)療領(lǐng)域,人工合成產(chǎn)品更是以各種意想不到的形態(tài)發(fā)揮著重要作用。
目前的證據(jù)顯示,阿斯巴甜確實(shí)可能致癌。不過聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織食品添加劑聯(lián)合專家委員會重申,阿斯巴甜每日可接受攝入量(ADI)為每公斤體重40毫克。
就單一阿斯巴甜事件來說,拋開劑量談?wù)撝掳┛赡苄允欠强茖W(xué)的邏輯。自1974年阿斯巴甜被廣泛應(yīng)用于各類食品、飲料和藥品后,不管是此前的研究還是此次發(fā)布的評估結(jié)果均顯示,在推薦范圍內(nèi)攝入阿斯巴甜是安全的。
病從口入,所以公眾對合成物的關(guān)注度和“危機(jī)感”更多來自于食品領(lǐng)域,其實(shí)在地球資源日益匱乏和科技高速發(fā)展的當(dāng)下,有越來越多的“食品級”合成物在大量出現(xiàn)。
二氧化碳是綠色植物光合作用不可缺少的原料。地球大氣中含有約0.03%的二氧化碳,但由于人類活動的影響,近年空氣中二氧化碳含量猛增,導(dǎo)致溫室效應(yīng),造成全球氣候變暖,二氧化碳似乎成了我們的“公敵”,但經(jīng)過科研人員的努力,二氧化碳正在成為合成領(lǐng)域的“香餑餑”。
8月16日,國內(nèi)著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)通報(bào)》刊發(fā)了一個(gè)重磅研究成果,中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所與大連化學(xué)物理研究所的科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)現(xiàn)了從二氧化碳到糖的精準(zhǔn)全合成,人工合成糖邁出了關(guān)鍵一步。
時(shí)間軸繼續(xù)向前,2021年9月24日,同樣是中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所,在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表論文Cell-free Chemoenzymatic Starch Synthesis from Carbon Dioxide,表示研究團(tuán)隊(duì)在人工合成淀粉方面取得了重大突破性進(jìn)展,首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的合成。
淀粉是植物主要的儲能方式,也是人類重要的食物來源。人類在進(jìn)食淀粉后,淀粉被消化分解為葡萄糖,為人類機(jī)體運(yùn)轉(zhuǎn)提供能量。此外,用淀粉生產(chǎn)的糊精、麥芽糖、葡萄糖等是生產(chǎn)多種食品的原料。
中國的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種顛覆性的淀粉制備方法,不依賴植物光合作用,以二氧化碳、電解產(chǎn)生的氫氣為原料,成功生產(chǎn)出淀粉,使淀粉生產(chǎn)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植模式向工業(yè)車間生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變成為可能。二氧化碳人工合成淀粉,是中國科學(xué)家歷時(shí)6年多科研攻關(guān),在人工合成淀粉方面取得的重大顛覆性、原創(chuàng)性突破——國際上首次在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的人工合成。
淀粉所帶來的產(chǎn)業(yè)鏈對人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響。在生產(chǎn)端,淀粉只能來自于農(nóng)業(yè)種植,不僅要占用土地資源,消耗水資源,還要?jiǎng)佑么罅康娜肆Y源;而在加工和生產(chǎn)端,淀粉產(chǎn)業(yè)又帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和勞動就業(yè)。如果在生產(chǎn)端可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的人工合成,可大大降低淀粉產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)成本,降低資源消耗,釋放生產(chǎn)力,實(shí)現(xiàn)人類文明的再次“躍進(jìn)”。
人工合成淀粉所帶來的顛覆性改變曙光初現(xiàn),卻也遙遠(yuǎn),但是在另外的領(lǐng)域,人工合成物卻已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了純天然的替代以及整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的重塑。
“鉆石恒久遠(yuǎn),一顆永流傳”的廣告語已經(jīng)耳熟能詳。鉆石幾乎是奢侈品中最受追捧的,上到皇室貴族,下至普通百姓,都以擁有一顆碩大而閃耀的鉆石為驕傲,其一度成為展示身份、財(cái)力、地位的資本。然而在科學(xué)家眼中,鉆石不過是隨處可見的碳。
碳元素在深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)中,經(jīng)過高溫高壓形成單質(zhì)晶體,隨后被開采出來就是鉆石。工廠里用來切割玻璃的金剛鉆本質(zhì)上和鉆石是同一種物質(zhì),然而兩者的價(jià)格卻天差地別。這背后的原因,其實(shí)就是資本的運(yùn)作。鉆石生意甚至被稱為20世紀(jì)以來最巧妙、最精彩的營銷手段。
19世紀(jì)以前,鉆石確實(shí)極其稀有,產(chǎn)地固定、產(chǎn)量稀少,是皇家貴族的珍貴飾品。19世紀(jì)后期,在南非發(fā)現(xiàn)了大量鉆石礦,產(chǎn)量高達(dá)幾千萬克拉,其稀缺性大打折扣。但英國商人羅茲創(chuàng)辦的戴比爾斯公司壟斷了南非幾乎所有的鉆石礦藏,之后的一個(gè)世紀(jì),戴比爾斯公司嚴(yán)格控制鉆石開采量,以饑餓營銷的方式控制鉆石的價(jià)格,并大肆營銷“鉆石象征愛情”的概念。至此,從20世紀(jì)30年代到今天,鉆石的價(jià)格一直維持在高位,并且從奢侈品變成了很多年輕人表達(dá)愛意、組建家庭的“必需品”。
鉆石本質(zhì)上就是碳元素在高溫高壓下形成的穩(wěn)定單質(zhì)結(jié)晶,這也意味著,只要將碳放在高溫高壓的環(huán)境下,就可以生產(chǎn)鉆石,而并不一定要通過礦產(chǎn)的方式。
2016年,河南工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院超硬材料研究所成功合成出重2克拉、尺寸達(dá)8.2毫米的高質(zhì)量黃色鉆石,該樣品為當(dāng)時(shí)內(nèi)地重量和尺寸最大的人造金剛石單晶。此項(xiàng)成果標(biāo)志著河南工業(yè)大學(xué)在國內(nèi)人工合成鉆石(寶石級金剛石)領(lǐng)域已處于領(lǐng)先地位。
2017年,鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)技術(shù)成功合成出1.2克拉珠寶級鉆石,其凈度、亮度與天然鉆石無異。
2022年,人工合成鉆石早已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)入市場化階段。2022年2月,河南力量鉆石股份有限公司培育出30克拉人造鉆石毛坯,打磨后成品達(dá)到10克拉。彼時(shí),河南省人造鉆石產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能已達(dá)到了全球鉆石產(chǎn)量的40%~50%。相比較于動輒幾萬元一克拉的天然鉆石,人工鉆石每克拉的銷售價(jià)格僅為270元,即便是“鉆石中的極品”市場價(jià)也不過每克拉800元。
這一次,鉆石的價(jià)格,被人工合成的科技力量打下來了!
在人類歷史上,藥物的發(fā)明和發(fā)展一直是一個(gè)重要的話題。隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高,化學(xué)合成藥物作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的重要組成部分,已經(jīng)成為許多疾病治療的主要手段。
糖尿病被稱為“不死癌癥”,目前幾乎沒有治愈的方法?;疾『笠欢A段,患者需要注射胰島素來治療、維持身體功能。但是胰島素不管是在人體內(nèi)還是動物體內(nèi)合成的含量都非常少,這導(dǎo)致患者所要注射的胰島素供應(yīng)稀缺、價(jià)格昂貴。
1965年9月,我國在世界上首次用人工方法合成了結(jié)晶牛胰島素,該成果被譽(yù)為“諾貝爾的遺珠”,這也是世界上第一個(gè)人工合成的蛋白質(zhì)。
根據(jù)國際權(quán)威的綜合醫(yī)學(xué)期刊《柳葉刀》調(diào)查研究顯示,截至2021年底,全球有糖尿病患者約5.3億人,其中我國糖尿病患者約為1.3億人。目前,臨床上用于治療糖尿病的胰島素都是人工合成的,這是中國科學(xué)家在世界生物醫(yī)藥領(lǐng)域書寫下的濃墨重彩的一筆。
中國古代的煉金術(shù)道士試圖將金屬轉(zhuǎn)化成黃金,或者試圖找到一種長生不老藥,在古代他們的工作導(dǎo)致了醫(yī)用礦物的提取和純化。其實(shí)道士們在煉金過程中使用了包括蒸餾、升華和烘焙等多項(xiàng)技術(shù),不過真正意義上的化學(xué)合成新藥起源于19世紀(jì)的西方。
當(dāng)時(shí)的藥物制造主要依賴植物、動物及微生物產(chǎn)生的生物分子。隨著化學(xué)科學(xué)的發(fā)展,在化學(xué)家們的努力下,越來越多新的有機(jī)化合物被成功地合成出來,并被證明在治療許多疾病上具有顯著作用。德國人弗里德里希·施雷爾以及法國人保羅·埃爾利希等人初步探索了有機(jī)合成藥物的基礎(chǔ),比如今天人們所熟悉的氨基苯酚(阿司匹林)、格列本脲(磺脲類藥物)等。在此基礎(chǔ)上不斷研究和發(fā)展,化學(xué)合成藥物得到了迅速發(fā)展。
隨著科技的迭代發(fā)展,新藥的出現(xiàn)總是離不開“合成”的身影:硫胺(磺胺類藥物)和青霉素等抗生素的發(fā)現(xiàn)和合成,大大地改善了許多傳染病的治療效果;另外,阿托伐他?。ㄋ☆愃幬铮┑冉档湍懝檀嫉乃幬锏难芯浚沟眯呐K病和腦卒中(俗稱“中風(fēng)”)等疾病的治療效果得到了很大的提升。
在整個(gè)20世紀(jì),制藥行業(yè)出現(xiàn)了許多有機(jī)合成化學(xué)家,他們合成出了數(shù)千種新的化合物,隨著自動化平行和組合合成方法的發(fā)展,新化合物的合成速度急劇增加。雖然化學(xué)合成藥物為治療許多疾病帶來了希望,但它本身的缺點(diǎn)也不容忽視。當(dāng)前,許多化學(xué)合成藥物存在著副作用大、藥物抗性低效等問題,這些都需要在藥物研發(fā)和技術(shù)的不斷更新過程中等待被攻克。
縱觀人類文明發(fā)展史,人工合成物作為科技進(jìn)步的結(jié)晶,已經(jīng)嵌入生活的方方面面,上到航天重工,下至衣食住行,幾乎每個(gè)行業(yè)領(lǐng)域都少不了人工合成物的影子,而早已身處其中的我們,因?yàn)槿斯ず铣晌锾^“稀松平?!狈炊チ烁兄?/p>
比如衣服,是人類進(jìn)化出“羞恥心”后的產(chǎn)物,也是保暖御寒的必需品。1935年,美國化學(xué)家卡羅瑟斯首次合成了尼龍,促進(jìn)了有機(jī)高分子合成化學(xué)的發(fā)展,尼龍也徹底改變了人類紡織品的面貌。很多羊毛衫中摻有部分腈綸毛線,腈綸的學(xué)名是聚丙烯腈,它具有羊毛的諸多優(yōu)點(diǎn),并在彈性、保暖性、韌性強(qiáng)度等方面,遠(yuǎn)優(yōu)于羊毛。除此之外,近年來的新材料竹纖維、納米纖維等具有抗菌、抵抗紫外線等諸多功能,也都是來自于人工合成技術(shù)。
再比如在建筑領(lǐng)域,據(jù)史書記載,唐宋時(shí)期,中國人就已經(jīng)開始使用人造材料建造、裝飾建筑。北宋時(shí)期的書籍《營造法式》中明確提到了諸多琉璃瓦、陶瓷、金屬構(gòu)件等人工合成物的制造和使用。在現(xiàn)代建筑中,水泥、螺紋鋼就是最簡單的人工合成物。設(shè)想一下,如果沒有水泥、螺紋鋼等材料人類世界的絕大多數(shù)文明將毫無寄托。
出行方面,不管是汽車、高鐵還是飛機(jī),幾乎不可能存在任何“純天然”材料,大到機(jī)身框架,小到潤滑油、螺絲釘,人工合成的各個(gè)零部件構(gòu)建的鋼筋鐵骨承載了人類上天入地的夢想。
有趣的是,如果追根溯源,會發(fā)現(xiàn)在生活中見到的大量人工合成物均來自于石油。柴油、汽油自然不必多說,保鮮膜、食品袋、輪胎、塑料、瀝青、潤滑油均來自于石油,甚至衣服的合成纖維、洗面奶、洗發(fā)水、洗滌劑等也是石油的衍生品。石油還是生產(chǎn)化妝品的主要原料,目前市場上90%以上的化妝品如口紅等都含有礦物油,以及凡士林、石蠟、香精等,這些都來源于石油。
所以,人工合成物在幾乎所有的人類現(xiàn)有生產(chǎn)生活領(lǐng)域中爍爍放光,它們凝聚了以推動人類文明進(jìn)步、構(gòu)建美好生活為最終愿景的科學(xué)家的科研智慧,也以自身的發(fā)展演變記錄了人類征服自然、改造自然和適應(yīng)自然的文明進(jìn)程。