银川市 银川唐徕回民中学 2020级 王家兆 省级二等奖

指导教师：楼晨光

随着人口数量的增多，食物可能会是未来最大的问题，如何能做到营养高，产量高的食物？首先现在的人类主要以淀粉为主食，淀粉主要来源农作物，一旦发生如电影《星际穿越》的枯萎病，植物大量面积死亡，人类的灭绝只是时间问题，不过我们已经知道淀粉是如何合成的，只要技术足够，就可以用地球上最多的二氧化碳和水变成人类的食物，植物光合作用效率太低，对环境要求太苛刻，生长周期太长，利用二氧化碳和水的合成产物太少，但是二氧化碳和水地球上多得是，随着未来温室气体，冰川融化。直接利用合成是最好的方法。我们拿 2019 年巴西境内的那场亚马逊雨林大火来说。火之前的 20 年里，整个亚马逊雨林每年为地球减少 17 亿吨的二氧化碳排放量，然而单是因为 2019年的那场大火，亚马逊雨林就已经排放了超过 36 亿吨二氧化碳。这 36 亿吨，放到 2018 年就是全球碳排放总和的十分之一。并且因为二氧化碳的过度排放，在过去 100 年里，全球气温已经上升了 0.85 摄氏度，海平面上升了 1.5 米。专家预测，如果二氧化碳排放量再不加以控制，到了2500 年，仅南极冰川融化就能使海平面上升15米。所以目前最大的问题是如何把二氧化碳和水用人的方法合成淀粉。中国科学家已经找到了答案。

第一，自然界的光合作用有太阳光来提供能量，那人工合成用什么提供能量呢？也是太阳，不过还有个核心技术加持，“液态阳光”技术。就是把太阳能转化为电能，通过电解制氢的技术产生氢气，再通过化学手段把二氧化碳和氢气转化为甲醇或一些溶于水的一碳化合物，它们是人工合成淀粉的基础材料。说白了就是把太阳光转换成了液态燃料，实现了从光能 —电能—化学能的转化。这一过程的能量转化效率超过 10%，远超光合作用的2%。

第二，则是如何通过优化酶和化学反应过程，来超越大自然光合作用的合成效率，让这件事带来的经济性远高于种地。化学反应咱就不多说了，至于酶，则是一种催化剂，它能够加速二氧化碳到淀粉之间的转化过程。不管是加快反应速度，还是减少反应步骤，都离不开对酶的优化。先来看看合成人工淀粉的 1.0 版本，也可以称为试水版本。科学家通过技术手段，成功地从 31 种不同物种身上提取到了 62 个生物酶催化剂，并且在解决（热力学不匹配、动力学陷阱等）一些问题后，成功通过这些提取出来的酶，在实验室里合成出人工淀粉。但这个版本还是不够简洁快速，所以科研人员又弄了个 2.0 版本，算是优化版本。这个版本采用蛋白质工程改造技术，剃除了合成过程中几个拖后腿的难题，（比如限速酶活性低、辅因子抑制、 ATP 竞争等问题）。2.0 版本的生物酶催化剂用量相较于之前减少了近一倍，淀粉的产率提高了 13 倍。但这还没结束，还有个终极版本 3.0。因为在之前的淀粉制作过程中有个叫甲醛酶的小弟需要高浓度的甲醛才能工作，为了防止甲醛对其它酶的破坏，所以研发了具有化学反应单元和酶促反应单元的 化学酶促级联系统，成功避免了甲醛危害其它酶类。（ 解决了底物竞争、产物抑制、中间产物毒性等问题 ）通过对比吸收峰和核磁共振信号发现，通过 3.0 版本人工合成的淀粉无论是成分还是理化性质，与天然淀粉几乎一模一样。3.0 正式版本的淀粉产率相较于之前又提高了 10 倍，而且使用人工合成方法，从太阳能到淀粉的能量效率转化是玉米的 3.5 倍，淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的 8.5 倍。通过科研团队的介绍，在充足能量供给的条件下，理论上 1 立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国 5 亩土地玉米种植的平均年产量。这也给太空移民无限可能。

还有很多的问题需要我们新青年去探索。