“合”中生有：科技“制造”出的新物质

文/本刊记者 马思遥

2023年7月，国际癌症研究机构（IARC）与世界卫生组织和联合国粮食及农业组织食品添加剂联合专家委员会（JECFA）发布了关于阿斯巴甜危害和风险评估结果——IARC引用了对人类致癌的“有限证据”，将阿斯巴甜归为可能对人类有致癌性（IARC 2B类）之列，坐实了此前阿斯巴甜疑被定性为“可能的人类致癌物”的传闻，在食品饮料界引起了阵阵风波。

在食品领域，阿斯巴甜类的人工合成物一直都备受争议，很多消费者更倾向于纯天然的物质。但其实从古罗马时期开始，人工合成物就开始在人类文明史上闪烁科技的光芒。

石灰石和火山岩制成的“罗马砂浆”成为现代水泥的前身，铸造了人类璀璨的建筑文明；冶铁过程中加入不同量的碳，实现了钢铁时代人类上天入海的梦想；早在11世纪，南美洲出现了橡胶球，在美国化学家古德伊尔的硫化工艺加持下，橡胶解决了人类发展进程中的“震动”和“颠簸”，成为人类文明疾驰向前的车轮……

酚醛树脂、赛璐珞、金属合金、功能陶瓷、纤维尼龙、半导体材料、光伏材料、气凝胶、人工合成胰岛素、化学药品等人工合成物已经渗入人类生活的方方面面。可以断言，在现今社会中，人们的生活工作已经离不开人工合成物。

人工合成甜味剂阿斯巴甜致癌的结论“靴子落地”，犹如一记重棒砸在了食品安全领域，也再一次掀起了人工合成物使用的激烈讨论。然而，正如一枚硬币拥有正反两面一样，人工合成物的诞生和使用并非能用简单的对错、好坏来评判。我们已生活在“合”中生有的科技时代，衣食住行等各个方面都在面对和使用大量人工合成物，甚至在治病救人的医疗领域，人工合成产品更是以各种意想不到的形态发挥着重要作用。

二氧化碳的华丽转身

目前的证据显示，阿斯巴甜确实可能致癌。不过联合国粮食及农业组织食品添加剂联合专家委员会重申，阿斯巴甜每日可接受摄入量（ADI）为每公斤体重40毫克。

就单一阿斯巴甜事件来说，抛开剂量谈论致癌可能性是非科学的逻辑。自1974年阿斯巴甜被广泛应用于各类食品、饮料和药品后，不管是此前的研究还是此次发布的评估结果均显示，在推荐范围内摄入阿斯巴甜是安全的。

病从口入，所以公众对合成物的关注度和“危机感”更多来自于食品领域，其实在地球资源日益匮乏和科技高速发展的当下，有越来越多的“食品级”合成物在大量出现。

二氧化碳是绿色植物光合作用不可缺少的原料。地球大气中含有约0.03%的二氧化碳，但由于人类活动的影响，近年空气中二氧化碳含量猛增，导致温室效应，造成全球气候变暖，二氧化碳似乎成了我们的“公敌”，但经过科研人员的努力，二氧化碳正在成为合成领域的“香饽饽”。

8月16日，国内著名学术期刊《科学通报》刊发了一个重磅研究成果，中国科学院天津工业生物技术研究所与大连化学物理研究所的科学家在实验室里实现了从二氧化碳到糖的精准全合成，人工合成糖迈出了关键一步。

时间轴继续向前，2021年9月24日，同样是中国科学院天津工业生物技术研究所，在国际学术期刊《科学》上发表论文Cell-free Chemoenzymatic Starch Synthesis from Carbon Dioxide，表示研究团队在人工合成淀粉方面取得了重大突破性进展，首次在实验室实现了二氧化碳到淀粉的合成。

淀粉是植物主要的储能方式，也是人类重要的食物来源。人类在进食淀粉后，淀粉被消化分解为葡萄糖，为人类机体运转提供能量。此外，用淀粉生产的糊精、麦芽糖、葡萄糖等是生产多种食品的原料。

中国的研究团队提出了一种颠覆性的淀粉制备方法，不依赖植物光合作用，以二氧化碳、电解产生的氢气为原料，成功生产出淀粉，使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能。二氧化碳人工合成淀粉，是中国科学家历时6年多科研攻关，在人工合成淀粉方面取得的重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的人工合成。

淀粉所带来的产业链对人类经济发展有重要影响。在生产端，淀粉只能来自于农业种植，不仅要占用土地资源，消耗水资源，还要动用大量的人力资源；而在加工和生产端，淀粉产业又带来了巨大的经济生产和劳动就业。如果在生产端可以实现工业化、产业化的人工合成，可大大降低淀粉产业的生产成本，降低资源消耗，释放生产力，实现人类文明的再次“跃进”。

打破“恒久远”的神话

人工合成淀粉所带来的颠覆性改变曙光初现，却也遥远，但是在另外的领域，人工合成物却已经实现了纯天然的替代以及整个产业链的重塑。

“钻石恒久远，一颗永流传”的广告语已经耳熟能详。钻石几乎是奢侈品中最受追捧的，上到皇室贵族，下至普通百姓，都以拥有一颗硕大而闪耀的钻石为骄傲，其一度成为展示身份、财力、地位的资本。然而在科学家眼中，钻石不过是随处可见的碳。

碳元素在深层地质结构中，经过高温高压形成单质晶体，随后被开采出来就是钻石。工厂里用来切割玻璃的金刚钻本质上和钻石是同一种物质，然而两者的价格却天差地别。这背后的原因，其实就是资本的运作。钻石生意甚至被称为20世纪以来最巧妙、最精彩的营销手段。

19世纪以前，钻石确实极其稀有，产地固定、产量稀少，是皇家贵族的珍贵饰品。19世纪后期，在南非发现了大量钻石矿，产量高达几千万克拉，其稀缺性大打折扣。但英国商人罗兹创办的戴比尔斯公司垄断了南非几乎所有的钻石矿藏，之后的一个世纪，戴比尔斯公司严格控制钻石开采量，以饥饿营销的方式控制钻石的价格，并大肆营销“钻石象征爱情”的概念。至此，从20世纪30年代到今天，钻石的价格一直维持在高位，并且从奢侈品变成了很多年轻人表达爱意、组建家庭的“必需品”。

钻石本质上就是碳元素在高温高压下形成的稳定单质结晶，这也意味着，只要将碳放在高温高压的环境下，就可以生产钻石，而并不一定要通过矿产的方式。

2016年，河南工业大学材料学院超硬材料研究所成功合成出重2克拉、尺寸达8.2毫米的高质量黄色钻石，该样品为当时内地重量和尺寸最大的人造金刚石单晶。此项成果标志着河南工业大学在国内人工合成钻石（宝石级金刚石）领域已处于领先地位。

2017年，郑州大学物理工程学院使用等离子体增强化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）技术成功合成出1.2克拉珠宝级钻石，其净度、亮度与天然钻石无异。

2022年，人工合成钻石早已经走出实验室，进入市场化阶段。2022年2月，河南力量钻石股份有限公司培育出30克拉人造钻石毛坯，打磨后成品达到10克拉。彼时，河南省人造钻石产业产能已达到了全球钻石产量的40%～50%。相比较于动辄几万元一克拉的天然钻石，人工钻石每克拉的销售价格仅为270元，即便是“钻石中的极品”市场价也不过每克拉800元。

这一次，钻石的价格，被人工合成的科技力量打下来了！

合成生命的“新通道”

在人类历史上，药物的发明和发展一直是一个重要的话题。随着现代科学的发展和技术水平的提高，化学合成药物作为现代医学的重要组成部分，已经成为许多疾病治疗的主要手段。

糖尿病被称为“不死癌症”，目前几乎没有治愈的方法。患病后一定阶段，患者需要注射胰岛素来治疗、维持身体功能。但是胰岛素不管是在人体内还是动物体内合成的含量都非常少，这导致患者所要注射的胰岛素供应稀缺、价格昂贵。

1965年9月，我国在世界上首次用人工方法合成了结晶牛胰岛素，该成果被誉为“诺贝尔的遗珠”，这也是世界上第一个人工合成的蛋白质。

根据国际权威的综合医学期刊《柳叶刀》调查研究显示，截至2021年底，全球有糖尿病患者约5.3亿人，其中我国糖尿病患者约为1.3亿人。目前，临床上用于治疗糖尿病的胰岛素都是人工合成的，这是中国科学家在世界生物医药领域书写下的浓墨重彩的一笔。

中国古代的炼金术道士试图将金属转化成黄金，或者试图找到一种长生不老药，在古代他们的工作导致了医用矿物的提取和纯化。其实道士们在炼金过程中使用了包括蒸馏、升华和烘焙等多项技术，不过真正意义上的化学合成新药起源于19世纪的西方。

当时的药物制造主要依赖植物、动物及微生物产生的生物分子。随着化学科学的发展，在化学家们的努力下，越来越多新的有机化合物被成功地合成出来，并被证明在治疗许多疾病上具有显著作用。德国人弗里德里希·施雷尔以及法国人保罗·埃尔利希等人初步探索了有机合成药物的基础，比如今天人们所熟悉的氨基苯酚（阿司匹林）、格列本脲（磺脲类药物）等。在此基础上不断研究和发展，化学合成药物得到了迅速发展。

随着科技的迭代发展，新药的出现总是离不开“合成”的身影：硫胺（磺胺类药物）和青霉素等抗生素的发现和合成，大大地改善了许多传染病的治疗效果；另外，阿托伐他汀（他汀类药物）等降低胆固醇的药物的研究，使得心脏病和脑卒中（俗称“中风”）等疾病的治疗效果得到了很大的提升。

在整个20世纪，制药行业出现了许多有机合成化学家，他们合成出了数千种新的化合物，随着自动化平行和组合合成方法的发展，新化合物的合成速度急剧增加。虽然化学合成药物为治疗许多疾病带来了希望，但它本身的缺点也不容忽视。当前，许多化学合成药物存在着副作用大、药物抗性低效等问题，这些都需要在药物研发和技术的不断更新过程中等待被攻克。

万物皆可“合”

纵观人类文明发展史，人工合成物作为科技进步的结晶，已经嵌入生活的方方面面，上到航天重工，下至衣食住行，几乎每个行业领域都少不了人工合成物的影子，而早已身处其中的我们，因为人工合成物太过“稀松平常”反而失去了感知。

比如衣服，是人类进化出“羞耻心”后的产物，也是保暖御寒的必需品。1935年，美国化学家卡罗瑟斯首次合成了尼龙，促进了有机高分子合成化学的发展，尼龙也彻底改变了人类纺织品的面貌。很多羊毛衫中掺有部分腈纶毛线，腈纶的学名是聚丙烯腈，它具有羊毛的诸多优点，并在弹性、保暖性、韧性强度等方面，远优于羊毛。除此之外，近年来的新材料竹纤维、纳米纤维等具有抗菌、抵抗紫外线等诸多功能，也都是来自于人工合成技术。

再比如在建筑领域，据史书记载，唐宋时期，中国人就已经开始使用人造材料建造、装饰建筑。北宋时期的书籍《营造法式》中明确提到了诸多琉璃瓦、陶瓷、金属构件等人工合成物的制造和使用。在现代建筑中，水泥、螺纹钢就是最简单的人工合成物。设想一下，如果没有水泥、螺纹钢等材料人类世界的绝大多数文明将毫无寄托。

出行方面，不管是汽车、高铁还是飞机，几乎不可能存在任何“纯天然”材料，大到机身框架，小到润滑油、螺丝钉，人工合成的各个零部件构建的钢筋铁骨承载了人类上天入地的梦想。

有趣的是，如果追根溯源，会发现在生活中见到的大量人工合成物均来自于石油。柴油、汽油自然不必多说，保鲜膜、食品袋、轮胎、塑料、沥青、润滑油均来自于石油，甚至衣服的合成纤维、洗面奶、洗发水、洗涤剂等也是石油的衍生品。石油还是生产化妆品的主要原料，目前市场上90%以上的化妆品如口红等都含有矿物油，以及凡士林、石蜡、香精等，这些都来源于石油。

所以，人工合成物在几乎所有的人类现有生产生活领域中烁烁放光，它们凝聚了以推动人类文明进步、构建美好生活为最终愿景的科学家的科研智慧，也以自身的发展演变记录了人类征服自然、改造自然和适应自然的文明进程。