“合”中生有：科技“制造”出的新物質(zhì)

文/本刊記者 馬思遙

2023年7月，國際癌癥研究機構(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險評估結(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，很多消費者更傾向于純天然的物質(zhì)。但其實從古羅馬時期開始，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，實現(xiàn)了鋼鐵時代人類上天入海的夢想；早在11世紀，南美洲出現(xiàn)了橡膠球，在美國化學家古德伊爾的硫化工藝加持下，橡膠解決了人類發(fā)展進程中的“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、半導體材料、光伏材料、氣凝膠、人工合成胰島素、化學藥品等人工合成物已經(jīng)滲入人類生活的方方面面。可以斷言，在現(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、好壞來評判。我們已生活在“合”中生有的科技時代，衣食住行等各個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。

二氧化碳的華麗轉(zhuǎn)身

目前的證據(jù)顯示，阿斯巴甜確實可能致癌。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的邏輯。自1974年阿斯巴甜被廣泛應用于各類食品、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“危機感”更多來自于食品領(lǐng)域，其實在地球資源日益匱乏和科技高速發(fā)展的當下，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，導致溫室效應，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)著名學術(shù)期刊《科學通報》刊發(fā)了一個重磅研究成果，中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所與大連化學物理研究所的科學家在實驗室里實現(xiàn)了從二氧化碳到糖的精準全合成，人工合成糖邁出了關(guān)鍵一步。

時間軸繼續(xù)向前，2021年9月24日，同樣是中國科學院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所，在國際學術(shù)期刊《科學》上發(fā)表論文Cell-free Chemoenzymatic Starch Synthesis from Carbon Dioxide，表示研究團隊在人工合成淀粉方面取得了重大突破性進展，首次在實驗室實現(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。人類在進食淀粉后，淀粉被消化分解為葡萄糖，為人類機體運轉(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。

中國的研究團隊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，是中國科學家歷時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——國際上首次在實驗室實現(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，還要動用大量的人力資源；而在加工和生產(chǎn)端，淀粉產(chǎn)業(yè)又帶來了巨大的經(jīng)濟生產(chǎn)和勞動就業(yè)。如果在生產(chǎn)端可以實現(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，實現(xiàn)人類文明的再次“躍進”。

打破“恒久遠”的神話

人工合成淀粉所帶來的顛覆性改變曙光初現(xiàn)，卻也遙遠，但是在另外的領(lǐng)域，人工合成物卻已經(jīng)實現(xiàn)了純天然的替代以及整個產(chǎn)業(yè)鏈的重塑。

“鉆石恒久遠，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、財力、地位的資本。然而在科學家眼中，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)，然而兩者的價格卻天差地別。這背后的原因，其實就是資本的運作。鉆石生意甚至被稱為20世紀以來最巧妙、最精彩的營銷手段。

19世紀以前，鉆石確實極其稀有，產(chǎn)地固定、產(chǎn)量稀少，是皇家貴族的珍貴飾品。19世紀后期，在南非發(fā)現(xiàn)了大量鉆石礦，產(chǎn)量高達幾千萬克拉，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，之后的一個世紀，戴比爾斯公司嚴格控制鉆石開采量，以饑餓營銷的方式控制鉆石的價格，并大肆營銷“鉆石象征愛情”的概念。至此，從20世紀30年代到今天，鉆石的價格一直維持在高位，并且從奢侈品變成了很多年輕人表達愛意、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)大學材料學院超硬材料研究所成功合成出重2克拉、尺寸達8.2毫米的高質(zhì)量黃色鉆石，該樣品為當時內(nèi)地重量和尺寸最大的人造金剛石單晶。此項成果標志著河南工業(yè)大學在國內(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，鄭州大學物理工程學院使用等離子體增強化學氣相沉積（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)走出實驗室，進入市場化階段。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，打磨后成品達到10克拉。彼時，河南省人造鉆石產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能已達到了全球鉆石產(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格僅為270元，即便是“鉆石中的極品”市場價也不過每克拉800元。

這一次，鉆石的價格，被人工合成的科技力量打下來了！

合成生命的“新通道”

在人類歷史上，藥物的發(fā)明和發(fā)展一直是一個重要的話題。隨著現(xiàn)代科學的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，化學合成藥物作為現(xiàn)代醫(yī)學的重要組成部分，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。患病后一定階段，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，這導致患者所要注射的胰島素供應稀缺、價格昂貴。

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，該成果被譽為“諾貝爾的遺珠”，這也是世界上第一個人工合成的蛋白質(zhì)。

根據(jù)國際權(quán)威的綜合醫(yī)學期刊《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致了醫(yī)用礦物的提取和純化。其實道士們在煉金過程中使用了包括蒸餾、升華和烘焙等多項技術(shù)，不過真正意義上的化學合成新藥起源于19世紀的西方。

當時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。隨著化學科學的發(fā)展，在化學家們的努力下，越來越多新的有機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，阿托伐他汀（他汀類藥物）等降低膽固醇的藥物的研究，使得心臟病和腦卒中（俗稱“中風”）等疾病的治療效果得到了很大的提升。

在整個20世紀，制藥行業(yè)出現(xiàn)了許多有機合成化學家，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。雖然化學合成藥物為治療許多疾病帶來了希望，但它本身的缺點也不容忽視。當前，許多化學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。

萬物皆可“合”

縱觀人類文明發(fā)展史，人工合成物作為科技進步的結(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，因為人工合成物太過“稀松平常”反而失去了感知。

比如衣服，是人類進化出“羞恥心”后的產(chǎn)物，也是保暖御寒的必需品。1935年，美國化學家卡羅瑟斯首次合成了尼龍，促進了有機高分子合成化學的發(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，腈綸的學名是聚丙烯腈，它具有羊毛的諸多優(yōu)點，并在彈性、保暖性、韌性強度等方面，遠優(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，幾乎不可能存在任何“純天然”材料，大到機身框架，小到潤滑油、螺絲釘，人工合成的各個零部件構(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步、構(gòu)建美好生活為最終愿景的科學家的科研智慧，也以自身的發(fā)展演變記錄了人類征服自然、改造自然和適應自然的文明進程。