“合”中生有：科技“制造”出的新物質

文/本刊記者 馬思遙

2023年7月，國際癌癥研究機構（IARC）與世界衛生組織和聯合國糧食及農業組織食品添加劑聯合專家委員會（JECFA）發布了關于阿斯巴甜危害和風險評估結果——IARC引用了對人類致癌的“有限證據”，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。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，實現了鋼鐵時代人類上天入海的夢想；早在11世紀，南美洲出現了橡膠球，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滲入人類生活的方方面面。可以斷言，在現今社會中，人們的生活工作已經離不開人工合成物。

人工合成甜味劑阿斯巴甜致癌的結論“靴子落地”，猶如一記重棒砸在了食品安全領域，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療領域，人工合成產品更是以各種意想不到的形態發揮著重要作用。

二氧化碳的華麗轉身

目前的證據顯示，阿斯巴甜確實可能致癌。不過聯合國糧食及農業組織食品添加劑聯合專家委員會重申，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，拋開劑量談論致癌可能性是非科學的邏輯。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布的評估結果均顯示，在推薦范圍內攝入阿斯巴甜是安全的。

病從口入，所以公眾對合成物的關注度和“危機感”更多來自于食品領域，其實在地球資源日益匱乏和科技高速發展的當下，有越來越多的“食品級”合成物在大量出現。

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”，但經過科研人員的努力，二氧化碳正在成為合成領域的“香餑餑”。

8月16日，國內著名學術期刊《科學通報》刊發了一個重磅研究成果，中國科學院天津工業生物技術研究所與大連化學物理研究所的科學家在實驗室里實現了從二氧化碳到糖的精準全合成，人工合成糖邁出了關鍵一步。

時間軸繼續向前，2021年9月24日，同樣是中國科學院天津工業生物技術研究所，在國際學術期刊《科學》上發表論文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，為人類機體運轉提供能量。此外，用淀粉生產的糊精、麥芽糖、葡萄糖等是生產多種食品的原料。

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、電解產生的氫氣為原料，成功生產出淀粉，使淀粉生產從傳統農業種植模式向工業車間生產模式轉變成為可能。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，在人工合成淀粉方面取得的重大顛覆性、原創性突破——國際上首次在實驗室實現二氧化碳到淀粉的人工合成。

淀粉所帶來的產業鏈對人類經濟發展有重要影響。在生產端，淀粉只能來自于農業種植，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；而在加工和生產端，淀粉產業又帶來了巨大的經濟生產和勞動就業。如果在生產端可以實現工業化、產業化的人工合成，可大大降低淀粉產業的生產成本，降低資源消耗，釋放生產力，實現人類文明的再次“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，卻也遙遠，但是在另外的領域，人工合成物卻已經實現了純天然的替代以及整個產業鏈的重塑。

“鉆石恒久遠，一顆永流傳”的廣告語已經耳熟能詳。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。

碳元素在深層地質結構中，經過高溫高壓形成單質晶體，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上和鉆石是同一種物質，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，產地固定、產量稀少，是皇家貴族的珍貴飾品。19世紀后期，在南非發現了大量鉆石礦，產量高達幾千萬克拉，其稀缺性大打折扣。但英國商人羅茲創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”。

鉆石本質上就是碳元素在高溫高壓下形成的穩定單質結晶，這也意味著，只要將碳放在高溫高壓的環境下，就可以生產鉆石，而并不一定要通過礦產的方式。

2016年，河南工業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毫米的高質量黃色鉆石，該樣品為當時內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大學在國內人工合成鉆石（寶石級金剛石）領域已處于領先地位。

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，河南省人造鉆石產業產能已達到了全球鉆石產量的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，藥物的發明和發展一直是一個重要的話題。隨著現代科學的發展和技術水平的提高，化學合成藥物作為現代醫學的重要組成部分，已經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還是動物體內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。

根據國際權威的綜合醫學期刊《柳葉刀》調查研究顯示，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藥領域書寫下的濃墨重彩的一筆。

中國古代的煉金術道士試圖將金屬轉化成黃金，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，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、動物及微生物產生的生物分子。隨著化學科學的發展，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，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。在此基礎上不斷研究和發展，化學合成藥物得到了迅速發展。

隨著科技的迭代發展，新藥的出現總是離不開“合成”的身影：硫胺（磺胺類藥物）和青霉素等抗生素的發現和合成，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，制藥行業出現了許多有機合成化學家，他們合成出了數千種新的化合物，隨著自動化平行和組合合成方法的發展，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和技術的不斷更新過程中等待被攻克。

萬物皆可“合”

縱觀人類文明發展史，人工合成物作為科技進步的結晶，已經嵌入生活的方方面面，上到航天重工，下至衣食住行，幾乎每個行業領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點，并在彈性、保暖性、韌性強度等方面，遠優于羊毛。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。

再比如在建筑領域，據史書記載，唐宋時期，中國人就已經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、金屬構件等人工合成物的制造和使用。在現代建筑中，水泥、螺紋鋼就是最簡單的人工合成物。設想一下，如果沒有水泥、螺紋鋼等材料人類世界的絕大多數文明將毫無寄托。

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，會發現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、洗發水、洗滌劑等也是石油的衍生品。石油還是生產化妝品的主要原料，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有生產生活領域中爍爍放光，它們凝聚了以推動人類文明進步、構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。