[ESCA_0.1.0]项目初始化 2022-08-29 技术 暂无评论 510 次阅读 <center>「 我们的征途是星辰大海。」</center> ------------ #### I. 动因 假如在近未来的某一天，我们突破了可控核聚变技术，突破了星际航行飞船的材料技术、建造技术。当你踌躇满志地踏上了星际航行飞船的舰桥，准备启航之时，你是否想到还有一个问题——我们吃什么？ 远离地球意味着离开了地球的生态圈，没有了土地、大气甚至阳光。在可预见的距离内也不存在另外一个可以让我们落脚的“第二地球”，其他星球的气候改造同样也是远水救不了近火。可以预期在相当长的一段时间里，星舰就是**深空人类**唯一的家园。 有人会说，我们可以在星舰中自己种植食物和畜牧。就先看在太空中种植作物这件事吧，首先早期星舰上的空间必然和现在的空间站一样寸土寸金，所以太空星舰中是不可能像在地球上那样可以开拓出上万亩土地供你耕种的。于是一种更集中化的方案是，采用现在的植物工厂进行种植。植物工厂这一技术方案适合栽培一些高附加值的农产品，但是不适合种植主粮。其他不说，首先成本这一关就过不去（参见后文：**一些计算**）。 或许还有更激进的声音：我们可以不吃米不吃面，吃全化工合成的营养膏蛋白粉。对于这种声音我暂时还没想到比较合适的反驳论点——如果他真的体验过5天以上不吃不喝只靠营养液活着的话（体验过的我表示太空如果吃不到酸菜肉丝面就）。 所以我的观点是：**现代农业的生产模式不适合太空航行；我们需要一种更加高效的无机碳同化系统。** 当下我们的科技树中，能源的主要流通形式是电能，所以为了和其他工业产线做到最大程度的兼容。在农业（**天基农业**）这块也应考虑如何直接使用电能进行粮食生产。 学术一点就是——**电合碳同化**。（光合作用包含光解水释放氧气以及光合碳同化两个部分）以下是我以前写的proposal中的内容，直接搬运过来好了。 > <center>**电磁能直接驱动的碳同化过程的合成生物学研究**</center> > **研究背景** >所有涉及光能转换的物理或化学过程的能量转换效率都不高。对于高等植物中的光合作用来说，光能-生物量转换率的理论极限是13.7%（仅考虑植物可以利用的光能）。其中，由于光化学极限、热力学极限造成的能量损失占全部能量损失的56%(Zhu, et al., 2010)。虽然在地球生态圈之中，利用光能进行无机碳同化的光合作用是广泛存在的生物自养方式；但是对于人类的工业化生产来说，光合作用的能量利用效率偏低、时空占用偏高以及对其它环境条件的波动较敏感。可以预见，以光合作用为依赖的现代农业将会在未来成为制约社会生产力进一步发展的瓶颈。更长远地看，现代农业的上述各项弊端同样使得现代农业的生产形式不适合在外太空、外星球推广与应用。考虑到人类工业中电能是能源的主要传输与分配形式，我们应该积极考虑利用合成生物学以及微电子技术构建出一种可以利用电磁能来进行无机碳同化的生物。随之即可考虑将该机制转入经济作物中或其他代替传统经济作物生产主粮的技术路线。即我们希望通过这种直接跳过光能转换的方式，突破农业生产的效率天花板；从依赖太阳光能的经典农业，发展出下一代依赖工业电网的电力农业。 >目前已有发现在各种厌氧环境中存在着许多可以进行胞外呼吸（Microbialextracellular respiration）的细菌。该类细菌通过将胞内代谢产生的电子传递至胞外受体并从中获取生命活动所需的能量。(Reguera, et al., 2005)最先报道该类细菌的菌丝在进行胞外呼吸时具有导电性，由此开启了微生物纳米导线这一全新研究领域。目前已有报道中，电导率最高的微生物纳米导线来自于一种经过基因工程改良的菌种Geobactermetallireducens GS15，其电导率为277 S/cm (Tan, et al., 2017)，与普通石墨（250 S/cm）相当。纳米导线主要由菌毛蛋白单体(PilA)构成，在不同的菌种中直径3-50nm不等。目前关于纳米导线的导电机制尚无定论，主流假说有二，电子跃迁假说认为菌毛的导电性源自其表面电化学活性分子的电子跃迁传递，而类金属导电性假说则认为菌毛的PilA中的芳香族氨基酸的芳香环侧链可以通过彼此堆叠形成电子传递通道(Malvankar, et al., 2011; Reguera, et al., 2005;Vargas, et al., 2013)。实验以及相关的量子化学计算的结果表明，GS菌毛的迁移率在电子跃迁机制与强健的π-π堆叠体系之间（束传军，2018）。 > **研究目标** 【短期】自然存在的导电菌毛（PilA）虽然经过基因工程改良后导电能力得到了较大提升，但是PilA自然条件下往往呈多聚形式存在，同时电子只能以直线路径进行传递。这些都限制了PilA的工程应用。因此，我们希望能否在充分借鉴与学习PilA导电机制的基础上，从头设计出一类同时具有a）接近金属的导电能力；b）以单体形式发挥功能；c）电子传递的拓扑结构可按需改变、延伸的工程导电蛋白质（Engineered conductiveprotein）。 >【中长期】在此基础上则可进一步考虑创制出一种可以吸收电磁波能量的天线蛋白，并尝试将其与生命已有的代谢通路进行整合。 >**（原）技术路线** >略 ------------ **II. 技术路线 β** 这个项目原本有一个以实验为主的技术路线 α，但是很遗憾我最终没有争取到相应的支持。现在着手实施的是以计算为主的技术路线 β。 基本策略是，尝试构建一套机器学习架构，自我学习+探索出一个可以与电磁波发生共振的蛋白质。形象地说，就是要：1）设计出一种足够长的生物纳米导线；2）把这个导线绕成圈。 这似乎和把大象装进冰箱听起来一样“简单”，但是宏观上听起来有手就行的事到了微观就完全不一样了。生物纳米线圈作为一种蛋白质必然得服从微观热力学、量子力学的约束；同时为了能感应磁场，它必须在该导电的地方导电，该绝缘的地方绝缘。这样的蛋白质自然界并不存在，仅仅有一些比较基础的案例可以供我们参考学习。 倘若，我们能创造出和当时地球最初形成生命时一样的“原始汤”，但是这个汤里能量的供应形式不是硫化物或者氮化物，而是电磁场。也就是说在这个自定义的原始汤中，生命想要存活下来只能演化出可以利用电磁场的机制。这个过程可以通过实验进行（大概率要涉及定向进化，也就是技术路线α），也可以在计算机中进行。所以说整个项目要做的事从另外一个角度说就是**数字演化（Cyber Evolution）**。 ------------ **III. 已知的困难与疑点** 这个项目我其实已经和不少朋友、老师交流过。有人表示支持，也有人提出了质疑。除了项目本身的可行性以外，有人质疑这样无线输电式的能量利用效率并不会光电转换的效率高多少。这个质疑，我现在思考是：首先在还没有任何一个生物纳米线圈被制造出来之前，我们对它的能量转换效率到底是多少是不得而知的，而且就算初版的生物纳米线圈效率很低，也不会因此否定这个项目的价值，因为决定电合碳同化的价值的，不是它的最初效率，而是它的最终效率——也就是理论上限。光合碳同化转换效率的理论极限我们已经很清楚，但是对于电合碳同化转换效率的理论研究还很少，是存在超越光合碳同化的未知可能的。 其次就是关于项目的可行性。最大的难点在于，和alphago这样有着明确的评分标准不同，如何合理地制定深度学习的框架以及深度学习的目标函数（评分标准），毫无疑问是本项目的核心难点。最终的目标肯定是电导和电感能力，但是目前真的要在计算机完成这一系列热力学+量子化学计算仍然需要耗费不小的资源。所以不可能对深度学习的每次尝试都进行一遍这样的计算。那么有没有什么折中的评价标准呢？这个评价标准是否真的能作为计算化学标准的必要条件呢？ 另外，深度学习的框架本身也是值得商榷的，机器学习的框架有很多，再加上每种框架的超参数，相信框架的结构种类已经是天文数字。那么哪种才是适合这个项目的呢？或者再退一步，我们应该使用哪种方法来帮助我们找到这个最合适的框架？ 以上两个难点，我倒是已经有了一些思考和方案，但是我还不能保证这些方案的可靠性。在之后的更新中我会逐步跟进。 ------------ **S1. 一些计算** 我们知道： 1g 玉米淀粉= 0.01 元 1g 玉米淀粉= 16.0 kJ 1mol 光的能量（600nm) = 3.31 × 10⁻¹⁹× 6.02214076×10²³ = 199.3 kJ C4 玉米的能量转换效率 = 12.3%（可利用光谱） 一度电=3600 kJ= 1元 （按工业用电标准） 电-光转换：理论上限33% 那么，对于依靠电发光的植物工厂，投入/产出 = 【投入】 1 元 = 1 度电 = 3600kJ 电能 = 1200kJ 光能 （＜33%） = 148 kJ 生物量（＜12.3%）= 9.3 g 淀粉 = 0.1 元 【产出】 以上为上限，如果考虑一个中庸的效率系数组合： 【投入】1 元 = 1 度电 = 3600kJ 电能 = 540 kJ 光能 （15 %） = 27 kJ 生物量 （5%）= 0.34 g 淀粉 = 0.017 元 【产出】 以上还未包括控温控水控肥的经济投入。 如果能有办法使能量跳过以上在不同形式之间的转换： 【投入】1 元 = 3600kJ = 225 g 淀粉 = 2.25 元 【产出】 **S2. 一些八卦** 博士期间一个关键就在于做了一台取样仪器，命名为了ILSA。我还和朋友调侃，疯狂科学家都会给自己的灭世装置取一个少女感max的名字（笑）。为了延续这一传统（大雾），也为了体现出这个项目在我这里的重要程度，我也同样为这个项目取了一个名字：ESCA（electrosynthesis carbon assimilation）。 ILSA：伊莉莎？；ESCA：艾丝卡？。姐妹齐活了（xs **S3. 杂侃** 最近补完了《复活的鲁鲁修》，一没想到这个冷饭炒出来我还觉得挺香的（前面得亡国的阿基德实在是没看下去），二是没想到最后这个happy end竟让我有点感动。最后就是想到了目前还是bad/normal end都说不上的《翼》……其实我之前就有一个“思想实验”，鲁鲁修反抗父权是在他获得geass之前就已经根深蒂固的意志。那么如果鲁鲁修没有获得geass的话，那他会如何执行他的计划呢？鲁鲁修他自己也在动画里说过，因为有了geass，计划提前了很多年。当然，失去了geass的鲁鲁修的反抗之路肯定就没有动画这样戏剧了。但是，在那个动画没有展示的、“无聊”的世界线里，鲁鲁修是不是依旧执行着他的计划呢？——哪怕没有C.C.？ 反过来，就算我高考失利，考研失利，转组换导虽然磨出了一个phD但是孑孓一身（指文章）。我似乎什么都没有，那我还会继续那个反抗「天空」的计划吗？ 标签: none 本作品采用 知识共享署名-相同方式共享 4.0 国际许可协议 进行许可。