几千年来，人类一直在砍伐树木，收获植物。实验室种植的植物材料可能会改变这种情况。

尽管人类用各种方式改造大自然，并创造了各种人造奇观，但我们从森林和田野中生长和提取材料的方式基本没有改变。例如，为了获得木材，我们会种下一棵树，让它生长，然后把它砍下来。木材和其他植物性材料是可再生资源，但获得可用的形式通常需要大量的运输、研磨和加工。

通过细胞培育出人造木头：将会是传统种植的完美代替

最近，这一传统获得木材的方式可能将会变革，麻省理工学院的一组研究人员希望能大幅削减这些低效率取木方式。研究人员在实验室里培育出了类似木材的植物组织（但它不是种植出来的，而是像人造肉一样培养出来的），如果扩大规模，也许有朝一日会开发出实验室培育的木材、纤维和其他生物材料，这旨在减少林业和农业对自然环境的破坏，并且在一定程度上，有利于碳中和这一可持续发展战略。他们的工作在最近的《清洁生产杂志》的一篇论文中进行了描述。

"我们的希望是——如果这成为一种生产植物材料的成熟工艺，那将会减轻我们农业用地上的一些压力。而随着这些压力的减少，希望我们可以让更多的生态空间保持自然平衡，从而有更多的森林保持原始形貌。"该研究论文的第一作者、麻省理工学院机械工程博士候选人阿什利·贝克维思（Ashley Beckwith）如此解释到。

贝克维思（Beckwith）早期的研究考察了，使用3D打印微流体在生物医学应用中的应用，比如分析肿瘤碎片。但在她花时间研究和学习有机农场之后，她对更有效地利用农业和自然资源产生了兴趣。

实验室培养的植物材料不会依赖气候、农药或耕地来种植。而且研究人员指出，他们只生产植物中有用的部分——将消除废弃的树皮、树叶和其他多余的物质。研究合著者、麻省理工学院微系统技术实验室首席研究科学家路易斯·费尔南多·维拉斯奎兹·加西亚（Luis Fernando Velásquez García）表示：更高层次的想法是——在需要的地方、需要的时候生产产品。现在，我们有这样一种模式，我们在植物稀少的地方生产这些人造木头，然后把它们传播出去。

人造木头有着哪些优势呢？

在实验室中培育植物组织是从细胞阶段开始的，而不是种子。研究人员从年轻的百日草（zinniaelegans）的叶子中提取活细胞，之所以选择百日草这个物种，是因为它生长迅速，而且在细胞分化方面（细胞从一种类型转变为另一种类型的过程）已经得到了很好的研究。将细胞置于营养肉汤培养基中，在转移到凝胶中进行进一步发育之前进行繁殖。贝克维思（Beckwith）解释道：细胞悬浮在这种凝胶支架内，随着时间的推移，它们会生长发育，填满支架体积，也转化成我们感兴趣的细胞类型。这种支架含有维持细胞生长的营养物质和激素，这意味着植物基材料的生长是被动的，不需要阳光或土壤。

然而植物细胞和凝胶的混合物如果不经过一些修整，是不会变成任何非常有用的东西的。因此，研究人员测试了操纵凝胶介质的激素浓度、pH值和初始细胞密度以及其他变量如何影响发育，并可能影响所产生的植物组织的特性。"如果你给它们提示，植物细胞有能力变成不同的细胞。"维拉斯奎兹·加西亚（Velásquez-García）认为："你可以说服细胞去做一件或另一件事，然后它们就会得到你想要的特性。"

为了获得一种类似木材的材料，研究人员必须促使植物细胞分化成维管束细胞类型，这些维管束细胞可以运输水和矿物质，并构成木质组织。随着细胞的发育，它们形成了一个加厚的次生细胞壁，其由木质素强化——这是一种可使细胞变得更加坚硬的聚合物。利用荧光显微镜对培养物进行分析，研究人员可以观察哪些细胞正在木质化（或变成木头），还可以评估它们的增大和伸长。

一旦到了打印它们的时候，加热然后对凝胶进行3D生物打印，就可以使产生的材料在冷却和凝固后，变成任何可以想象的形状。研究团队生产的深绿色组织相当坚固，但对于大多数建筑用途来说，它在结构上并没有如此坚固。贝克维思（Beckwith）认为：目前，这种薄薄的矩形打印结构只有几厘米长，正在进行机械测试和表征，不过打印更大的版本是可行的。(研究人员也做了各种各样有趣的试验，比如，打印狗骨头和树形结构。)

百日草（Zinniaelegans）项目更多的是对他们所尝试的生长技术进行概念验证；下一步可能是将其转化为其他植物品种，从而可能生产出具有有用性状的更坚固的材料。贝克维思（Beckwith）说，起初，这些材料可能比传统的植物产品更贵，但能够避开收获、加工和制造步骤，最终可以降低成本。

自己种出一个木头家具，可能不是梦

研究人员设想，有朝一日可能会打印出完全成型的物品，比如家具，但即使只是生产出现成的木块或木梁，也可以减少砍伐木材和将木材塑造成可用形态所需的能源。可以严格控制制备凝胶介质的用水量，减少径流。贝克维思（Beckwith）表示，在实验室里培养植物组织可能需要几个月的时间，但这要比等20年才能培育出有利可图的木材要快得多。

威斯康星大学麦迪逊分校生物系统工程系潘学军教授，虽没有参与这项研究，但他认为，除了种植整件家具的诱人可能性之外，这种植物材料还可以提高燃料和化学品的产量。你不一定要种一块结实的木头。例如，如果你能生产出一种生物质，作为未来生物工业的原料——具有竞争力和生产力，那将是很有吸引力的。

查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室（Charles Stark Draper Laboratory）的研究合著者和小组组长杰弗里·博伦斯坦（Jeffrey Borenstein）说，这项与可打印有机物的早期研究，甚至可能为有朝一日创造出先进的材料和设备，利用活细胞实现温度响应或自我修复能力提供见解，一家非盈利的工程研究和开发公司，为这个项目提供资金，并向贝克维思（Beckwith）提供奖学金。在植物中，活细胞能够感知刺激并对环境的变化做出反应，如果能整合到材料中，这是一种潜在的转化能力。博伦斯坦（Borenstein）认为：一种既能生长，又能对环境作出反应，又能自我修复的材料将具有巨大的威力。事实上，它们是由活细胞构成的，这使得以前极其复杂的方法成为可能。

研究人员说，生物打印植物细胞还没有得到广泛的探索，在打印结构中选择性生长可调节植物组织的工作可能是第一次。然而，即使是最环保的雄心壮志也必须经过严格评估。尽管任何能让树木长在地上的做法听起来都是一种全新的变革，但很难预测实验室培育的木材工业未来的影响。

那么相比人造肉，人造木头是否会更受人们所认可呢？

相比之下，以养殖肉为例，养殖肉旨在降低肉类生产的环境成本，尤其是牛肉。实验室培育的人造肉类比实验室培育的植物材料要走得更远，但在工业规模扩大之前，评估减排量可能会变得模糊不清。例如，用牲畜的甲烷排放量来换取肉类养殖设施所需电力的二氧化碳排放量，是一种不确定的权衡。与养牛所需的水量相比，一个工业过程可能需要多少水还不清楚。

扩大标准化实验室培养植物材料的生产，还需要对影响细胞发育的因素有更深入的了解，从激素水平和pH值，到凝胶支架内的机械力，再到细胞间的生物化学信号——简言之，还有很多工作要研究的。维拉斯奎兹·加西亚（Velásquez García）认为，鉴于其他植物成分的多样性，将百日草的生长技术转化为其他物种可能是一个挑战。他说：全面探索这个想法，也许需要更多的人，拥有更多的专业知识。但他坚信，创造更可持续的解决方案需要大胆的想法，有时实验室培养的方法比自然创造的方法更有效。

撰写：GolevkaTech

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