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撰文 | 王怡博
審校 | clefable
按照美國位於賓夕法尼亞州的科學史研究所的記錄，法國化學家馬塞林·貝特洛（Marcellin Berthelot）是最早預測餐桌上的食物會被合成食品取代的化學家。1894年，麥克盧爾（McClure）雜誌刊登了一篇有關貝特洛的報道，文中稱貝特洛表示，到2000年農場和牧場將會消失。
如果你瞭解19世紀的化學，也許就會知道貝特洛為什麼這麼自信。
在很長一段時間裡，化學家一直認為有機物不可能在實驗室中利用無機物人為製造出來，只能從生物體內在一種所謂“生命力”（vital force）的作用下分離出來。直到德國化學家弗里德里希·維勒（Friedrich Wöhler）於1828年意外合成出了尿素，有機物與無機物之間的這種界限才被打破。
當時維勒原本在試圖透過氰酸與氨製備氰酸銨，結果遲遲沒能得到想要的產物，卻反覆產生一種未知的物質，最終維勒將這種物質確定為尿素。維勒給他的導師寫信說道，現在我們無需腎臟，用無機物就能製造出尿素（有機物）了。而在那之前，尿素被認為只是一種天然產物。
尿素的人工合成強烈衝擊了化學家此前對有機物的認知，也因此開創了一個有機合成的新時代。這一領域內的化學家們專注於從頭開始製造已知或未知的物質。難怪在這個時代成長起來的化學家（如貝特洛）相信“合成”創造未來。
後來到20世紀30年代，工業化學發展迅速，化學家合成了各種藥物、營養物質和工業品。一些化學家也預測，食物最終不過也是實驗合成的一些化學物質的組合。
從空氣中製造食物？
那時有德國化學家正在試圖弄清楚如何將煤炭轉化為食物。這聽起來簡直不可思議但細想又似乎合乎邏輯。
一方面，在工藝上，德國化學家早在20世紀20年代就已經開發出一種名為“費託合成”（Fischer-Tropsch process，又稱F-T合成）的工藝，它以主要源於煤炭的合成氣（一氧化碳和氫氣的混合氣體）為原料，在鐵基或鈷基催化劑和適當條件下合成出烷烴、烯烴、醇類、含氧化合物等有機化合物。
另一方面，燃料與食物之間還是有些相似之處，畢竟化石燃料主要由碳氫化合物組成，而這正是構成許多脂肪與油的成分。重要的是，這與美國航空航天局（NASA）在20世紀60年代思考的問題不謀而合。不過，NASA的科學家將目光投向了化石燃料燃燒後另一種不受待見的常見產物——二氧化碳。
對於宇航員執行長期太空任務所面臨的糧食供應問題，NASA科學家發現，如果把宇航員撥出的二氧化碳收集起來，然後餵給一類特殊的微生物，那麼很有可能產生宇航員所需的營養物質。這些微生物屬於嗜氫菌，與光合菌不同，它們不需要陽光，只需要利用氫氣中固有的化學能，就能以二氧化碳作為唯一碳源生長，並把二氧化碳轉化為許多有機物，從而為宇航員提供食物。
不過，NASA的這一概念被擱置了很久，幾乎被遺忘，直到近些年才被科學家重新注意到。2008年，研究員麗莎·戴森（Lisa Dyson）和約翰·裡德（John Reed）在尋找減緩全球變暖的解決方案時，發現了NASA在20世紀60年代及70年代有關利用二氧化碳製造食物的研究。
他們受此啟發，想到能否將現代生物技術應用於這類研究，然後依靠微生物把二氧化碳以及其他氣體和簡單的無機物營養物質，轉化為需要的有機物。這個過程有點像釀酒，不過發酵用的是二氧化碳和水，而不是酵母和糖。
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正是在那一年，戴森和裡德創立了一家總部位於美國加利福尼亞州的初創公司Kiverdi，致力於將二氧化碳轉化為食物和生物基產品，包括蛋白質和棕櫚油。其中，棕櫚油是世界上最常見的植物油，現在為生產棕櫚油已經砍伐了一片又一片森林。然而，無需土地的“憑空”製造技術卻能很好地解決這些問題。另外，除了蛋白質和油，Kiverdi拆分出的一家公司Air Protein已經用這種方法從空氣中創造出了肉。
靠二氧化碳養活地球？
2023年，由美國加利福尼亞大學歐文分校、加拿大滑鐵盧大學和清華大學深圳國際研究生院組成的研究團隊也實現了類似的結果，在實驗室裡用二氧化碳和水製成了黃油。根據比爾·蓋茨（Bill Gates）的親身試驗，它嚐起來還不錯，跟真正的黃油幾乎一樣。
黃油或肉類那種獨特的豐富、易融、多汁的口感與風味主要源於其中的動物脂肪，這些分子中的碳氫鏈可以利用從空氣中吸收的二氧化碳以及從水中得到的氫氣，然後透過一系列生物化學過程將它們轉化為與動物和植物中發現的脂肪極其相似的脂肪分子。
結果也證實，由此得到的有機分子與真正的食物相比，化學組成上一樣，味道也不差，儘管仍需進一步改善，以吸引更多的消費者。
更重要的是，這項工藝不需要農田和農作物，用水量也不到傳統農業的千分之一，並且不會釋放任何溫室氣體。這正是這些科學家的目的所在。
據估計，全球每年排放510億噸溫室氣體，其中動植物產生的脂肪和油佔7%。而且根據預測，世界人口將繼續增長，到2050年達近百億。為了應對氣候變化，並養活越來越多的人口，我們亟需開發新的可持續的食物生產方式，而這種無需農場的生產方式卻證明可以顯著減少我們的碳足跡。
透過電化學耦合生物發酵實現二氧化碳和水轉化為長鏈產物的示意圖。圖片來源：中國科學院深圳先進技術研究院（SIAT）
另外，實際上，科學家一直在試圖將二氧化碳這種需要儲存或處理的溫室氣體，轉化為更有用的化學品，包括乙烯、甲醇，甚至是乙醇、乙酸、乙醛，以及碳鏈更長的有機物。例如，2022年4月，電子科技大學材料、中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所與中國科學技術大學的研究人員合作，透過電催化將二氧化碳和水合成高純乙酸，然後以乙酸和乙酸鹽為碳源，經過生物發酵合成出了葡萄糖和脂肪酸等長碳鏈分子。
但這項工藝目前最大的挑戰在於，價格還比較高，營養價值以及風味還需要進一步改善，以便吸引更多的消費者。另外，現在有流行病學研究將攝入較多的超加工食品與心臟病、抑鬱症和體重增加聯絡起來，而“憑空”製造的食品對健康的影響似乎還需要更多的研究與討論。
參考連結：
https://www.academia.edu/19071992/Friedrich_W%C3%B6hler_and_the_Birth_of_Organic_Chemistry
https://www.nature.com/articles/s41893-023-01241-2#Sec3
https://www.gatesnotes.com/Alternative-fats-and-oils
https://www.siat.ac.cn/kyjz2016/202204/t20220429_6440577.html
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