小麦的生长周期一般超过100天，涉及到60多个代谢反应以及复杂的生理调控，最终合成我们视之珍宝的碳水化合物——淀粉。然而中科院天津工业生物所经过6年多的研发，于2021年首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。这无疑是一项划时代的发现，有人说以后西北风能吃饱？因为毕竟空气中就富含CO₂。

这是不对的，人类仍旧学不会光合作用，不能进行光合作用。但是，这种新的淀粉合成途径不需生物细胞。那么植物和部分微生物细胞究竟是怎么让一直在空气中流浪的碳——也就是CO₂固定下来，变成淀粉的呢？这其中有什么过程是我们聪明的人类都掌握不了的呢？

1782年，瑞士人Jean Snebier用化学方法发现：二氧化碳是光合作用必需物质，氧气是光合作用产物。人们才恍然大悟，原来在空气中漂泊的碳真的留在植物体内了！

光合作用的具体机制还要等到同位素标记实验的登场。这里再解释一下，同位素是指质子数相同而中子数不同的同一元素的不同核素。比如我们的碳，他的原子质量原本为12。碳11（11C）便是碳的同位素，半衰期为20分钟。所以应用这种放射性同位素的实验必须非常短，因为它在几个小时后就不能再被检测到了。使用11C代替正常的CO₂中的碳原子就相当于给二氧化碳做上了一个特殊的标记。如同家长给怕丢的小孩带上一块醒目的头巾，便于快速识别目标。这样我们就可以更清晰准确的看到碳原子在细胞中安家的途径啦！

细胞中的小碳

放射性同位素11CO₂用作标志物进行的首个实验发现11C出现在一种三碳化合物中，这证明了CO₂的碳受体是三碳化合物。后来科学家又给我们的碳宝换了另一个鲜艳的头巾成为碳14（14C）。追踪到14CO₂中的碳元素结合入一种更复杂的原有碳结构：一个五碳磷酰基化合物，核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）。这个化合物很喜欢小碳，他在小助手RuBP羧化酶（RubisCO）的帮助下易于加碳（也就是羧化反应），但此时生成的六碳化合物极不稳定。这就是大家庭总会发生争吵的原因吗？他们不久便水解为两个三碳（C₃）分子，即磷酸甘油酸（PGA）这时候光的能量要派上用场了。光反应形成NADPH和ATP中作为能量补充单位，三碳之家PGA分子挣得能量后还原为磷酸丙糖分子（含3个碳和一个磷酸分子）。

小碳的历险记到这里还未结束。由于空气中有那么多的小碳需要被细胞吸收安定下来，这个循环需要一直继续下去。磷酸丙糖分子无疑是具有贡献意义的，每生成6个磷酸丙糖分子，其中5分子的磷酸丙糖将用于CO₂受体RuBP的再生，也就是我们之前提到的用于接收流浪碳的五碳之家。以上的小碳羧化寄宿、PGA还原、寄宿家庭RuBP再生的过程便是 Benson-Basham-Calvin循环，由于美国科学家卡尔文（M.Calvin）用小球藻做实验才探明这一过程，可以简称卡尔文循环。

而其它未用于寄宿家庭RuBP再生的那1/6磷酸丙糖将在叶绿体中用于合成淀粉、氨基酸和脂质。小碳由此从一个流浪汉华丽转化为这三种熟悉的物质，他们将会组成人类热爱的碳水、蛋白质和又爱又恨的脂肪。还有一部分磷酸丙糖将转运出叶绿体，由细胞质中的酶转化为糖供进一步代谢。

看到这里，是否可以感受到大自然的精妙呢？光合作用虽然是人体细胞永远学不会的，除了在一些电影的幻想中。但聪明的人类也一直在绞尽脑汁思考如何在体外实现这一过程。德国、法国学者曾从菠菜中分离类囊体膜，并将其与16种酶包裹在液滴中，制成半人工半自然的叶绿体，希望能够固定CO₂，直接用有机物来储存能量应对全球能源挑战。中科院微生物所学者也曾历时五年，设计了一个全新的最小化人工固碳循环——POAP循环。这个循环只包含四步反应，是合成生物固碳研究中又一突破型进展，将助力流浪CO₂的人工固定途径。

森林中的CO₂

以上提到的细胞微观层面的固碳路径在哪里最常见呢？无疑是在植物当中，因此森林作为各类植物的大本营想必也是自然界中碳可以安定下来最好的家园了。我们知道森林具有多种生态功能，主要是吸收二氧化碳和释放氧气。在森林的自然生长过程中，通过光合作用，吸收的二氧化碳以树枝、叶子和茎的形式固定下来。

只要没有火灾，树木不腐烂，树干中储存的二氧化碳就很难再次释放到大气中形成碳源。可以说，森林是一个绿色、可再生的碳捕获系统。

树木的碳固定能力因树种、树龄的不同存在差异，同时全国各地土地本身的碳储存量（可以称为碳汇）也呈现较大的差异。北方地区树龄十年以下的常见树木，如落叶松、桦树、云杉基本每年每株都可供2-4 kg CO₂安家。

为了充分发挥森林的固碳能力，有必要准确估算森林生态系统的碳汇。这样，人们就可以深入了解自然条件和人类活动干扰下生态系统碳储量的响应机制，从而更好地制定陆地生态系统的固碳战略。目前，一些学者已经多次利用森林资源清查数据估算我国森林碳储量，但基于实际调查数据对森林植被的系统研究和对深层土壤碳储量的研究较少。目前的研究大多数仅停留在森林土壤表面。

此外，由于森林碳储量估算的数据来源、数据采集和估算方法不同，森林碳汇、固碳潜力的估算结果仍存在较大差异。为了提高其估算精度，建立时不能局限于小规模的模型。只有综合考虑各种对象和因素（例如不同树种间的差异、林窗、气候及人工干扰等），才能推动模型估计朝着更准确的方向发展。此外，还可以利用遥感技术获取植被参数，进而分析森林生态系统碳的动态变化。遥感估算方法综合性强，可以弥补模型模拟方法的不足。基本上，还需要整合各种地方标准，制定详细的森林生态系统固碳估算行业标准，以便各地区能够轻松获得统一标准的结果。

从长远来看，各地还须制定提高森林碳汇的计划。因为森林碳储存在植物和土壤中。对于植物，我们应该按照生长规律，科学采伐利用森林，并及时进行人工造林，对现有中幼龄林科学抚育，通过生命力旺盛的新生森林更多更快地吸收二氧化碳。在当前实行天然林保护、停止天然林森林商品性采伐的大形势下，更应大力推进速生丰产林的培育和利用。速生丰产林，顾名思义就是生长迅速且产量、生物量较大的树种，既能部分缓解国内木材资源紧缺局面，又进一步增强森林中容纳接收CO₂固定下来的能力。

土壤则需要更长期的培育和保护。人类在设计生态工程保护生态系统的同时，便可修复更多退化的生态系统，提高土壤肥力。土壤中有机物质含量增多、微生物群落更加健康，才能成为CO₂更稳定的家。这个过程同时也会提高生物多样性，形成良性循环。

木材——我们身边的碳之家

木材制品只要还在使用，固定在其中的碳就基本不再释放，这种功能还不需要额外的投入经济、付出能量来维持，因此木材是性价比很高的碳之家。在我们的生活中，性能好的木材可以充分利用于在建材领域，它们甚至发挥了替代钢材、石材等高耗能建材的作用。举例来看，2019年，我国原木和锯材总产量约为1.58 亿立方米，按保守的木材利用率和木制品使用寿命估算，这些木材的制成品可固定2.8亿吨CO₂至少10年以上。可见，各位可以通过多使用木制品，将碳固定于千家万户之中。

不光是木材本身中安睡着一部分CO₂。从生产加工过程中来看，木材相比钢材、水泥、陶瓷、塑料、玻璃等材料，也会排放更少的CO₂，对环境的负面影响最小。同时生产过程中产生的下脚料、废次品均可以作为生物质燃料使用，在提高木材利用率的同时，减少了化石能源的使用。

我们都知道化石能源的燃烧是最大的CO₂排放源头。因此，为了减少大气中流浪的CO₂，工业生产过程中十分淘气逃逸出来的CO₂，目前国内众多木材工业龙头企业仍在朝着绿色产品设计、绿色产品生产、绿色工厂建设、绿色供应链营建和绿色园区构成的绿色制造体系方向积极努力。这使得木材工业行业的减碳贡献日趋显现，也更有利于助力实现“双碳”目标。

参考文献

[1] Tao C, Hongbing S, Jing Q, et al. Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide[J]. Science (New York, N.Y.), 2022, 2021年373卷6562期:1523-1527页.

[2] Miller T E, Beneyton T, Schwander T, et al. Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts[J]. Science, 368.

[3] 邓侃.做好固碳减碳的林业文章[J].中国自然资源报.2021

[4] 碳在光合作用中的路径, 环境百科, 2021年6月22日, https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/vivant-zh/%e7%a2%b3%e5%9c%a8%e5%85%89%e5%90%88%e4%bd%9c%e7%94%a8%e4%b8%ad%e7%9a%84%e8%b7%af%e5%be%84/