强国少年的科学：生物

作者简介

李永乐，中国人民大学附属中学物理教师，北京大学物理与经济双学士，清华大学电子工程系硕士研究生。 十余年从教经历，数百名学生考入清华北大。北京物理学会“国际奥赛金牌教练员，十余位学生获得物理奥赛金牌。全网粉丝超2000万的“国民老师”，优质科普内容创作者，视频播放量超10亿次。央视新闻、人民日报、科普中国高赞科普创作者。

内容简介

01人工合成淀粉，影响世界的重大颠覆性技术 淀粉是粮食的主要成分，是人类最主要的能量来源之一。但一直以来，它只能通过植物的光合作用产生。如果现在告诉你，不需要耕种，不需要植物，工厂就可以源源不断地生产出淀粉，你会不会觉得是天方夜谭? 而这正是科学家已经实验成功的事情，并且真的可以实现。2021年，中国科学院天津工业生物技术研究所联合大连化学物理研究所等单位开展的研究，实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。这是继 20 世纪 60 年代，中国科学家在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后在人工合成淀粉方面取得的又一重大颠覆性、原创性突破。这一成果于同年9月24日，在国际顶级科学杂志《科学》(Science)上发表。 什么是人工合成淀粉? 在自然界中，细胞中的叶绿体通过与太阳光的光合作用可以将二氧化碳和水合成淀粉。这一生物化学反应不仅是大自然的杰作，更是地球上众多生命体赖以生存的食物之源，滋养着人类和无数其他动物。 但光合作用的前提是必须要有叶绿体或叶绿素，在地球上只有绿色植物、极少数动物以及特定微生物(光合细菌)才能完成。而且这一过程存在能量转化效率低、生长周期长等问题限制了淀粉的大规模生产。 以常见的农作物玉米为例，它通过叶绿体吸收光能，把氧化碳转变为淀粉的过程非常复杂，涉及 60 多步代谢反应和复杂的生理调控，但理论能量转化效率却不足2%。此外，种植玉米，还需要土壤、淡水、肥料等资源，经过春种秋收大半年时间才能最终收获淀粉。科学家们很早就设想要在实验室中人工改进光合作用，提高二氧化碳的转化速率和光能的利用效率，从而提升淀粉的生产效率，但因为科学问题复杂、技术路线不清、不确定因素多、瓶颈问题难测等各种困难，一直没能实现。 知识点1： 叶绿体和光合作用 光合作用主要是指绿色植物等通过叶绿体，吸收光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物(淀粉)，并且释放出氧气的过程。光合作用能将光能转变成化学能，叶绿体既是生产有机物的“车间\"，也是将光能转变为化学能的“能量转换器\"。 知识点2： 植物的光合作用有两个关键步骤:光能通过“光反应”转化为活跃的化学能，储存在 ATP 和 NADPH 中，这些化学能再通过“卡尔文循环”以更稳定的形式储存在淀粉等有机物中。ADP 和 NADP 是植物中原有的物质，通过光合作用中“光反应”提供的能量，可以变成能量更高的 ATP 和NADPH。其中 ATP我们比较熟悉，无论是动物还是植物都需要靠它来维持生命。 NADP 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 ADP 腺苷二磷酸 ATP 腺苷三磷酸 NADPH 还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 直到 2021年9月，经过6年的探索后，中国科学院天津工业生物技术研究所联合中国科学院大连化学物理研究所首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的人工合成，为这一设想的实现提供了理论基础。他们从0到1，原创了一条从二氧化碳到淀粉的全新人工合成路径。首先他们巧妙地利用光能，将二氧化碳还原为甲醇，我们在新闻里看到的假酒中毒事件，就是因为不法商贩在酒水中掺入了甲醇，但是，在这里，甲醇被科学家称为“液态阳光”。随后又将甲醇转化成为三碳化合物;紧接着，通过一系列精细的化学反应，将三碳化合物合成六碳化合物，并最终聚合成为淀粉，这样得到的淀粉与天然淀粉的结构基本一致。 有网友戏称，这项突破让我们距离实现多年以来的梦想“靠西北风就能填饱肚子”又近了一步。 全网粉丝超2000万的国民老师李永乐与10多位科学家共同打造！结合一线教学经验，将课本知识与现实紧密结合。超强作者团，科学家、一线高校&中学老师、科普作家……联袂推出匠心制作！ 学理科，这套书真能帮上你！引导式发问，层层拆解科技里的基础知识，打通不同知识和学科间的连接，打开理科视野、拓宽学习方向，完成90分到满分的底层突破。快人一步学课本！ 40项重大科技成果，紧扣国家科技创新战略。涵盖地球科学、生态环境、制造科技等尖端科技内容，贴近现实、贴近未来。全彩跨页、图文并茂，易懂又尖端，搭配思考习题，随时巩固知识点。