基因改造，光合作用，中國科學家打開兩項黑科技大門

基因改造，光合作用，中國科學家打開兩項黑科技大門

袁嵐峰

2015年4月23日，連續看到兩條令人震驚的科技新聞，一條是成功修改人類胚胎DNA，一條是人工實現光合作用。這兩項研究都是由中國科學家完成的，都對未來世界有巨大影響，就是傳說中的「黑科技」！我在這裡向大家做一些介紹，並鼓勵大家展開想像的翅膀……

先來說基因改造（中國科學家首次成功修改人類胚胎DNA 在西方引起爭議）。上個月（2015年3月），科學界出現了一個傳言，稱中國研究人員們已經成功地編輯了人類胚胎的基因，以一種人類無法完成的方式改變了他們的DNA。現在謎底揭開，傳言屬實。中山大學生物學副教授黃軍就和他的同事改造了人類胚胎中的一個基因，該基因主要與地中海貧血症有關。在中國南方，地中海貧血症是兒童中最常見、但有時可能致命的血液異常。論文最初投給了國際頂級期刊《自然》（Nature）與《科學》（Science），但由於倫理問題被拒絕。他們轉投影響力沒那麼大的《蛋白質與細胞》雜誌，論文已經發表。作者們表示，他們明白圍繞有關研究的道德爭議。

黃軍就

這項研究如果完全成功，意味著什麼？意味著你可以通過改造你的後代身上那些有遺傳病風險的基因，大大降低他們生病的概率。這一步是大家都歡迎的，喜大普奔。再往前就更驚人了，你可以隨意定製後代的基因！請問你想要一個愛因斯坦，一個劉翔，還是一個居里夫人？或者希特勒……

這其中的倫理風險令人不寒而慄。假如真的複製了希特勒，引發世界大戰，誰負責？假如實驗出錯，孩子的健康受到損失，誰負責？假如產生了弗蘭克斯坦一樣的怪物，誰負責？如果一切都完全安全，那麼仍然有問題。富人可以花錢買最好的基因類型，窮人沒錢給後代進行基因改造，貧富差距就會越拉越大。現在即使再不平等，每一代的基因仍然有一次重新洗牌的機會，窮人有機會翻盤。將來窮人還是只能隨機抽牌，富人卻直接點名拿大四喜、清一色、十三幺或一條龍，窮人還有什麼機會？到那時就不只是外在財富的差別了，人從一出生就註定了所處的階級，甚至會在外貌、體形上明顯地表現出來！窮人和富人的差別會如此之大，以至於連是否屬於同一個物種都可能成為疑問。人類為自由平等民主所做的奮鬥，會被資本主義與科技的聯合輕而易舉地抹平。怪不得在很多經典的科幻小說中，未來社會的政治制度都是帝制！

黃軍就等人顯然很清楚這些風險，他們的實驗完全規避了這些問題。研究使用的是醫院丟棄的有問題的胚胎，也就是接受了數個精子的卵子。這些胚胎在世界各地的實驗室都已經被廣泛使用了數十年，因為它們不會成功孕育出嬰兒。這樣就保證了實驗不會真的培養出人來，只是觀察對胚胎的影響。

那麼實驗結果如何呢？該團隊注射了86個胚胎細胞，等待了48小時之後，每個胚胎細胞分別分裂成了8個細胞。在生存下來的71個胚胎中，有54個接受了基因測試。最終只有28個胚胎拼接成功，只有一小部分包含替代的遺傳物質。這是巨大的飛躍，但還不能實用。如果一名醫生替一對夫妻的胚胎移除掉壞基因，那麼胚胎的細胞樣本中必須全部是好基因。如果一半好一半壞，那麼最終出現的嬰兒身上的壞基因還是會影響他的身體健康。此外，他們用的基因編輯技術名為CRISPR，經常找錯目標基因，所以在之後的處理環節中，會發現胚胎中有一些變異。黃軍就說：「如果你想在正常的胚胎中編輯基因，你的成功率必須接近百分之百才行。因此我們停止了實驗，我們認為技術還不夠成熟。」打個比方，你的目標是成為百發百中的賭神，而你目前只是在練習的時候第一次實現了操縱牌局，成功率還很低。如果這樣就出去行走江湖，肯定會被打成篩子的。

黃軍就等人表示，實驗結果說明，從基因編輯到基因療法技術，中間有明顯的障礙，在達成任何臨床應用之前，仍有許多問題要研究清楚。這是很正確的表態。不過無論如何，他們走出了偉大的一步，這一步必將被載入史冊。

2015年12月，《自然》評出2015年度對全球科學界產生重大影響的十大人物，黃軍就入選。同時上榜的華人還有斯坦福大學化學工程系教授鮑哲楠女士，她們的人造皮膚研究取得了飛躍性進展，現在可以模擬出觸覺。

黃軍就和鮑哲楠入選2015年《自然》十大人物

再來看人工光合作用（楊培東劃時代成果，突破人工光合作用！）。植物的光合作用利用太陽光的能量，把二氧化碳和水轉化成碳水化合物，這是地球上最重要的能量捕獲和碳固定步驟，給所有的動物提供了食物。自從工業革命以來，人類燃燒化石燃料，使大氣中的二氧化碳劇增，打破了原先的平衡。這可能引發全球變暖，導致了廣泛的擔憂。大家能想到的辦法不外乎兩個方向：減少碳排放，以及把二氧化碳收集起來，不排到大氣中去（即碳捕集）。這樣一算，世界能夠承受的碳排放總量沒剩下多少了，於是乎世界各國為碳排放指標展開了一場大戰，柴靜對丁仲禮的訪談就是一個好註解。

在這樣的背景下，有人指出了一條新路：人工進行光合作用。這一招堪稱釜底抽薪，如果成功的話，二氧化碳想消耗多少就可以消耗多少，大氣中二氧化碳增加的趨勢可以逆轉，全球變暖迎刃而解，妙啊！此人就是科大校友楊培東，著名的材料化學家，美國加州大學伯克利分校化學系教授。

楊培東

楊培東團隊構建了一套由納米線和細菌組成的獨特系統。如果你看不懂納米線是什麼，那麼只需要知道這是一種人工合成的無機材料就夠了。該系統可將二氧化碳和水轉換為醋酸酯，而不是碳水化合物。醋酸酯是一種重要的化工原料，也是很多生物合成反應的基礎。

人工光合作用

在近似自然陽光照射200小時的環境下，他們實現了0.38%的太陽能轉化率，這與自然界中葉子的轉化率相同。楊培東說：「我們相信，這是人工光合作用的革命性飛躍！我們的系統有潛力從根本上改變石油和化學工業，因為我們的體系中，將以完全可再生的方式生產化學品和能源，而非以前那樣去地底下開採。」

他們正在研發第二代系統，太陽能轉化率為3%。如果有一天用划算的成本，將轉化率提升到10%，這項技術就能商業化了。

人工光合作用的研究如果完全成功，不但可以解決全球變暖問題，而且能讓人類獲得幾乎取之不盡的能源（太陽光）。固然不如核聚變厲害（參見我寫的《科普核聚變》http://zhuanlan.zhihu.com/p/20771545和《科普核聚變補遺》http://zhuanlan.zhihu.com/p/20777860），但可控核聚變不知道什麼時候才能搞成，在此之前有這招墊底，至少可望讓人類撐到核聚變這個大絕招出來。

我們應該擔憂，這項研究是美國的團隊首先突破的。如果這項技術被美國壟斷，其它國家就被遠遠地甩開了。我們又應該慶幸，這項研究的主持者是中國人。楊培東經常跟國內的研究機構合作，很熱心幫助國內的研究。而且目前只是基礎研究，都是公開的，許多國家的科學工作者會迅速跟上，掀起這個方向的研究熱潮。最終誰最先實用化，還未可知。更大的可能是多個國家都發展出來。

一天之內，兩項黑科技，而且鑰匙都掌握在中國科學家手中。人類社會必將被這兩項研究徹底地改變，也許不需要很久的時間。我們看著前面半敞開的大門，為中國科學家的成就歡欣鼓舞，也為人類的命運凝神屏息。

2015年4月寫作原文（基因改造，光合作用，中國科學家打開兩項黑科技大門），2016年4月修訂發佈於知乎專欄「風雲之聲」（http://zhuanlan.zhihu.com/fengyun）。

作者簡介：袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員，中國科學技術大學科技與戰略風雲學會會長，微博@中科大胡不歸 ，知乎@袁嵐峰（袁嵐峰）。

歡迎關注中國科學技術大學科技與戰略風雲學會的頭條號「風雲之聲」（風雲之聲 – 頭條號(TouTiao.com)）。