姑婆芋與可食芋頭有什麼差別？又為什麼毒？

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒，那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）　英國理論物理學家

大約在八十年前，當第一台數位計算機出現時，一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧；但七十年後，還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」（Artificial Intelligent，簡稱 AI）的能力最近十年突然起飛，在許多（所有？）領域的測試中擊敗了人類，正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元（graphic process unit，簡稱 GPU）是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia（英偉達）股票從每股不到 $5，上升到今天（5 月 24 日）每股超過 $1000（註一）的全世界第三大公司，其創辦人（之一）兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳（Jenson Huang）也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人！可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎？到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？

在回答這問題之前，筆者得先聲明筆者不是學電腦的，因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事，不是我們外行人需要了解的；但作為一位現在的知識分子或公民，了解基本原理則是必備的條件：例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析，即可判斷永動機是騙人的；又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上，它們不用往室外排廢熱氣，就可以提供屋內冷氣，讀者買嗎？

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」（central process unit，簡稱 CPU）。CPU 是電腦的「腦」，其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務，如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作；但為了簡單化，我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作（arithmetic and logic unit，簡稱 ALU），如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下，CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時，CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後，CPU 開始顯示心有餘而力不足：例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素（pixel），每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年，英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定／裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」（註二）定位為「世界上第一款 GPU」，「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU，GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作，快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢？因每一時刻只能做一件事，所以其步驟為：

• 計算 7×5；
• 計算 6/3；
• 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢？很多工作便可以同時（平行）進行：

• 同時計算 7×5 及 6/3；
• 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間，但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢？單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間（16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間），而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間（1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間）！

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了，如何將它擺正成右圖呢？ 一句話：「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點（座標 x, y）組成的，所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了：每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算！如果每一運算需要 10^-6 秒，那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉，便需要 6 秒，這豈是電動玩具畫面變化所能接受的？

人類的許多發明都是基於需要的關係，因此電腦硬件設計家便開始思考：這些點轉換都是獨立的，為什麼我們不讓它們同時進行（平行運算，parallel processing）呢？於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 10⁶ 運算，那上圖的轉換只需 10^-6 秒鐘！

GPU 的興起

GPU 可分成兩種：

• 整合式圖形「卡」（integrated graphics）是內建於 CPU 中的 GPU，所以不是插卡，它與 CPU 共享系統記憶體，沒有單獨的記憶體組來儲存圖形／視訊，主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上；早期英特爾（Intel）因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤，在這方面的研發佔領先的地位，約佔 68% 的市場。
• 獨立顯示卡（discrete graphics）有不與 CPU 共享的自己專用內存；由於與處理器晶片分離，它會消耗更多電量並產生大量熱量；然而，也正是因為有自己的記憶體來源和電源，它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年，英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後，科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化，在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效，因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理，不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化，也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬（註三）等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分，正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲，遠遠落在英偉達（80%）及超微半導體公司（Advance Micro Devices Inc.，19%，註四）之後，大約只有 1% 的市場。

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」，而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心（core）單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心，因此其核心功能不如 CPU 核心強大，但它們能同時高速執行大量相同的指令，在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心；GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書，不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等，也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺，它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是：嘴巴在講，腦筋思考已經不知往前跑了多少公里，常常為了追趕而越講越快，將不少學生拋到腦後！這不表示筆者聰明，因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技，因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣（matrix）的讀者應該知道，如果用矩陣和向量（vector）表達，上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的（註五）。而矩陣和向量計算正是機器學習（machine learning）演算法的基礎！也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在！因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石：它們的架構就是充分利用並行處理，來快速執行多個操作，進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」（deep learning）。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂：「下一次工業革命已經開始了：企業界和各國正與英偉達合作，將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升，幫助企業降低成本和提高能源效率，同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子：下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後，讀者是不是認為筆者該退休了？

GPU（圖形處理單元）和 AI（人工智慧）之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力，特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步，使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率，使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐，而且使其更具成本效益，因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展，GPU 的角色可能會變得更加不可或缺，推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標，這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作，使我們能夠執行複雜的任務，例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外，研究表明，與非人類動物相比，人類大腦具有更多平行通路，這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上，一邊聽音樂一邊做飯，或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技，因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵：透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

（註一）當讀者看到此篇文章時，其股票已一股換十股，現在每一股約在 $100 左右。

（註二）組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」（GeForce 256）插卡吧?

（註三）筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時，就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士（fellow）」Enrico Clementi 的團隊：因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層，我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦（非 IBM 品牌！）與一大型電腦連接來做平行運算，進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

（註四）補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商：英偉達及 ATI（Array Technology Inc.）。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立，2006 年被超微半導體公司收購，品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐（Lisa Tzwu-Fang Su）博士為執行長後，股票從每股 $4 左右，上升到今天每股超過 $160，其市值已經是英特爾的兩倍，完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色，正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題：超微半導體公司現任總裁（兼 AI 策略負責人）為出生於台北的彭明博（Victor Peng）；與黃仁勳及蘇姿豐一樣，也是小時候就隨父母親移居到美國。

（註五）或。

延伸閱讀

• 「熱力學與能源利用」，《科學月刊》，1982 年 3 月號；收集於《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版），轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
• 「網路安全技術與比特幣」，《科學月刊》，2020 年 11 月號；轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。

「動漫”我的英雄學院”中誰最強呢？」這是去年某一次泛科學直播的主題，老實說最後好像沒有結論，但是直播中y編感嘆這部動漫中好多空想科學可以寫啊。而人在聊天室潛水，平常其實比較喜歡遊戲和電影的R編就默默地把自己推進這個坑了~

沒辦法…..剛好有看嘛呵呵

第一位，因為個人興趣~我們就先跳過單純一拳超人式的主角綠谷和All Might，來看看第二男主角–爆豪勝己吧。

你手上流的到底是什麼啦？

一個認真的動漫，都會有嚴謹(?)的角色介紹和能力設定。在漫畫中，爆豪的特殊能力（或者說~個性）：爆破，是從手上分泌「具有硝化甘油特性」的汗水，然後引爆(注1)。

哇！！硬要從人的身上擠出炸藥的話，明明還有其他分泌物可以大做文章，為什麼要挑汗水呢？

正常人類的汗水組成有98~99%都是水，剩下的就是一些鹽類、乳酸和尿素，其中鹽類包括鈉(0.9 g/L)、鉀(0.2 g/L)、鈣 (0.015 g/L)、鎂 (0.0013 g/L)…等化合物，其實只要是人類體內會出現的元素，身為人類排泄大功臣的汗水一樣都不會少，甚至包括一些微量元素，所以只要不是放射性物質，汗裡面幾乎都有，只是多或少的問題而已。

而且最重要的一點是~~汗水裡面有尿素和胺這類含氮的物質喔(注2)！因為有很多的炸藥都是碳、氫、氧以及氮的化合物，所以如果你真的要從普通人的汗水裡蒐集到所有可以製備爆裂物的元素是有可能的，只要有正確的化學反應或是奇異的身體代謝，說不定還真的能成功喔~

如果我們假設爆豪的汗水是我們真實世界存在的爆裂物好了，我們需要其滿足幾個條件：

1. 必須要具有爆裂性。
   廢話~~
2. 成分要是汗裡面有的元素。
   這個容易
3. 是液體。
   我們可從來沒看過他用手上的鹽粒或結晶引爆過啊~
4. 像硝化甘油。
   我們就假設做身體檢查的醫生知道不是硝化甘油才這麼說了，硝化甘油是個廣為人知的物質，會用來類比也可以理解。

前兩個條件基本上沒什麼問題，但是滿足第三個條件的爆裂物其實就不多了~ 目前現在已知且比較有資料的的液態炸藥並沒有太多種，以下列出幾個比較有名如：

硝基甲烷（化學式：CH3NO2）

硝酸甲酯（化學式：CH3NO3）

過氧化丁酮（化學式：C4H10O4）

這幾個化合物(注3)基本上完美的符合了以上三個條件：常溫下都是液體、基本上組成都是汗裡面有的元素、或多或少具有爆裂性，那麼爆豪的汗水應該較是這其中一個其中的化合物囉……等一下……

這幾個化合物全部有毒！！！

• 硝基甲烷是一種殺蟲劑的原料之一，如果人吸入或接觸了輕而科嗽、暈眩、嘔吐、刺激皮膚眼睛；重而肝腎功能損傷或發生高鐵血紅蛋白症、造成呼吸困難。
• 誤食硝酸甲酯會造成頭痛，而且一樣會有高鐵血紅蛋白症。
• 過氧化丁酮除了會引發上述狀況外，還有機會發生腸胃道損傷、橫紋肌溶解……等症狀。

就算我們把範圍拉大，把連中文翻譯都沒有的液態爆裂物也考慮進來的話，這之中最沒毒性的……對人體也是有刺激性的。

如果爆豪不小心汗流進眼睛裡怎麼辦？？就算他本人免疫好了，今天其他同學跟他握了手，沒洗乾淨的情況下就吃東西會不會就直接送醫啊？？但是既然爆豪能如此安心的使用他的汗水當作爆裂物，身邊的同班同學都安然無恙，想必是非常安全無毒的炸藥吧～～

如果我們能夠穿越動漫時空勢必要把配方找出來，這會是人類的一大工具。

少年啊…你要不要喝點水？

那暫時把汗的成分放在一邊，就先假設在我的英雄學院的世界觀之中有一種未知的液態爆裂物從這個國中生身上流出來好了…但他的汗夠嗎？

要知道爆豪的汗夠不夠，我們得先假設出一個他使用能力的情境，估算這次爆炸所需的能量，然後轉換成爆裂物。既然我們放棄判斷他的汗是什麼成分，這裡為了方便起見，我們就先假設他的汗與硝化甘油有一樣的特性好了。

如果今天爆豪使用他的個性，憤怒的破壞掉1立方公尺的水泥塊，這需要用掉大概200克的 TNT炸藥，也就是84萬焦耳的能量。

在炸藥的世界中為了衡量 TNT 之於其他炸藥的強度，我們發明了相對應有效指數（或稱RE指數，Relative effectiveness factor ），是爆炸所需 TNT 的質量與其他爆裂物所需質量的比值，例如1公克的A炸藥產生的能量等於2公克的 TNT，那這個A炸藥的RE指數就是2，也就是比 TNT 強2倍。

在這個尺度中，TNT 固然是1，而硝化甘油是1.54。換句話說，1.54克的 TNT炸藥=1克硝化甘油產生的能量。

而現在我們需要以硝化甘油來取代200克的 TNT 的話，就是200/1.54=130 克……換句話說，如果今天爆豪想要炸掉1立方公尺的水泥塊，他的汗水需要含有大概130克的硝化甘油，如果靠慮到硝化甘油的密度的話，就是大概81立方公分(毫升)。

聽起來不多…你倒出來在杯子裡真的不多，但是我們在談得是汗水。

一般成年人1小時全身排汗量最高只有2~4公升，也就是每分鐘只會有33~66毫升的汗水被排出，而且其中有98~99%的成分都是水。而我們的爆豪只不過是用出一個小爆炸就需要81毫升的硝化甘油，雖然爆豪是個血氣方剛的青春期少年，但怎麼看都不夠啊(注5)！！

如果我們堅持使用硝化甘油、在1分鐘內發功的話，爆豪手掌1分鐘的出汗量需要高達6.5公斤，才有足夠的硝化甘油產生威力這麼強的爆炸…..但是漫畫裡爆豪產生爆炸多半速度很快、火球又更大，所以這個數字一定會更誇張。

而且爆炸誇張不是問題，問題是你要產生這麼大量的汗，你就需要大量的水。假設爆豪的體重是65公斤，只要損失體重2%的水—也就是1.3公斤—就是非常嚴重的脫水現象了，現在這位仁兄要在1分鐘內擠出6.5公斤的汗，裡面有將近6.4公斤是水，不送醫才怪咧～～

尤其是這些硝化甘油都需要集中在手掌上，手掌又不是最會產生汗水的地方。經過統計，正常狀況下每小時手掌上流出的汗水最多不過才0.4克而已，如果你劇烈出汗甚至有多汗症的話，這個數字只不過多了幾倍，變成2.3克而已，怎麼看都差太多了(注6)。

看來如果他要在這麼少量的汗水裡達到200克 TNT 一樣效果的話，我們勢必要拋棄硝化甘油的想法，重新找出汗水爆裂物的性質。

如果我們用手汗的極端狀況來考量…1小時2.3克的汗換算成每分鐘0.0383克，扣除掉98%的水，只剩下大概0.038克是其他物質，假設在爆豪的案例裡這些其他物質全部都是炸藥好了，要滿足84萬焦耳的門檻，這種炸藥的RE指數會高達5263！！！

我的老天爺啊！！這已經無法用正常的炸藥來類比了，在炸藥當量表裡，這已經是核子武器的範疇了。舉個例子，二戰時美國使用的「胖子」原子彈，它的RE指數只有4500…..這位少年啊….你火氣太大了喔……

 這麼大聲你不怕嗎？

不過既然都說是超能力了，我們就別計較和的產生方式和威力啦！！一定是一種完全獨特的生理機能，產生出一種對人體無害的又具有爆裂性的液態炸藥，威力雖然比擬核子武器，但從汗水產生畢竟還是不多，爆豪的身體又撐得住，一切順順利利~~爆炸就在爆豪手中唾手可得……

但是有有個問題了……爆炸和火焰傷不了爆豪就算了，但是爆炸伴隨而來的另一種東西，我們很常忽略了……那就是聲音。

雄英有一位老師是以講話大聲聞名的 你在大聲什麼啦，在漫畫中所有的學生都對他的大聲公有所反應，所以大家的聽力都是正常的嗎~

但是爆豪的爆炸為什麼大家就選擇性失聰了？找到了一張分貝表，其中有列出許多包含爆炸等誇張情況的分貝數，其中有列出：「距離1磅（450克）的TNT爆炸5公尺左右聽到的分貝數是180分貝」、「在手榴彈爆炸中心聽到的分貝數是191分貝」。

人類只要待在100分貝左右的地方15分鐘聽力就會受損，而120分貝左右的聲音別說聽個幾分鐘了，建議你最好馬上離開。而我們這裡的180分貝不要說聽力受損了，你可能就直接昏倒了，但爆豪還跟1年A班的同學們生活在一起、在運動會上跟其他學生彼此較勁、甚至在這麼近的距離對御茶子同學使出這麼多爆炸，我看大家的耳朵都不保了吧……

爆豪的汗水可能對其他人有毒、聲音又大、爆炸又用的這麼頻繁，真的是「最不想當他同學」第一名啊！！

注：

1. 在漫畫中，爆豪爸媽的個性設定分別是「酸化汗」及「甘油」。而硝化甘油的製備則是由甘油與濃硝酸：濃硫酸體積比1：3的混合液體加在一起硝化而得。雖說媽媽很火爆沒錯，但爸爸的個性更可怕吧… 濃硝酸和濃硫酸耶…你們洞房花燭夜真的沒問題嗎？？
2. 為什麼要挑汗水呢？其他人體產生的物體中，口水成分基本上沒有什麼生成炸藥的必要物質，而如果要含氮物質的話，大便其實更多，但應該沒人會想看吧…如果有的話我也不想研究（這篇文章寫於研究薩諾斯肛門之前）。
3. 我這裡先挑的其實是有找到足夠中文翻譯和介紹的物質。其實還有一個四硝基甲烷，但它其實是強氧化劑而已，跟其他物質混和很危險沒錯，但本身不會爆炸。
4. 在英文維基「液態炸藥」頁面扣掉混和化合物的話裡面有14種物質，裡面唯一沒有毒性標示、只會有刺激反應的物質是硝酸異丙酯(?)Isopropyl nitrate (2-propyl nitrate,C₃H₇NO₃)，是一種算是安全的爆裂物，常用來當火箭燃料，要不是之後實在找不到這個化合物爆炸產生的能量資料，不然可能會繼續用下去…吧
5. 在漫畫裡，對爆豪而言破壞掉1立方公尺的水泥我相信只是小Case，運動會時的大爆炸、執照考試時的表現畫面上都比這個強多了。
6. 以下來自於榮民總醫院的資料：多汗症是病態的排汗異常現象，不應該流汗卻莫名奇妙地汗流不止，造成生活上的諸多困擾。多汗的原因可分原發性及繼發性兩種；原發性多汗佔大多數，其原因主要是因為交感神經反射的亢進而引起異常排汗。發生最多的是在手、心、腳底及腋窩這些汗腺分佈較多的地方。繼發性多汗的原因包括身體系統性疾病﹐如糖尿病、低血糖、甲狀腺疾病等。中樞神經系統疾病，有時也會引起多汗情形。爆豪你還是去看醫生好了

參考資料：

• 維基百科（炸藥當量、汗水、液態炸藥）
• 尋找一些化合物的性質: PubChem
• 手汗研究:The measurement of sweat intensity using a new technique

• 用 TNT 度量這個爆炸的世界：「黃色炸藥」到底是什麼？

• 爆豪的資料

本文由衛生福利部食品藥物管理署委託，泛科學企劃執行

諮詢專家／姜至剛 醫師 │ 國立臺灣大學 毒理學研究所 副教授
採訪／雷雅淇、李德庭
整理／李霜茹

近年來 N 次的食安事件，使得大家只要一講到食品安全就感到十分緊張，擔心哪個常吃的食品會不會又有什麼問題；而每當媒體又報導某食物中含有「殘留化學物質」、「疑似致癌物」，就會全民情緒激動，要求下架。

可是，到底什麼是「毒」呢？毒理學之父 Paracelsus 先生（1493-1541）有一句名言：「所有化學物質都有毒，世界上沒有不毒的化學物質。」很恐怖吧？但他話還沒說完，「但依使用劑量的多寡，可區分為毒物或藥物。」也就是許多專家學者努力向大家解釋的：劑量決定毒性！當我們詢問一種物質有沒有毒的時候，「劑量」是決定答案的關鍵。

無害的東西怎麼會變毒藥？

這邊先來兩個最極端的例子。

1. 就算是人體必需的「水」，短時間內飲用過量還是會中毒

人類腎臟最大利尿能力約為每分鐘 16 毫升（或者說 1 公升/小時），超過這個量，過多的水分會使細胞開始膨脹，造成細胞脫水、鹽分（鈉離子）濃度降低，使體內電解質不平衡。當血液中的鈉含量降到低於約 120mEq/L 時，會出現頭痛、噁心等症狀，若更嚴重則可能導致呼吸困難甚至死亡。

2. 劇毒的「砒霜」也能入藥

文學作品和民間傳說中都常出現的毒藥 ──「砒霜」，主成分其實是最具商業價值的砷化合物：三氧化二砷。台灣早在 2002年就已核准三氧化二砷藥物 Asadin上市，在醫學上常常被應用於急性前骨髓細胞白血病（APL）的治療。

看似無味無毒的人類生存必須物質，超過安全範圍仍會致命；「壞東西」若拿捏正確，也能成為救命仙丹。這背後的概念便是「劑量決定毒性」！

重點來了，這個「劑量」要如何訂定？到底誰說了算？

所以我說，那個「安全容許量」呢？

大家應該都在新聞上看過某食品的化學物質（通常是指食品添加物）或農藥殘留被驗出「超標」，「標」指的就是法律上規定的「安全容許量」。

在台灣，我們的《食品安全衛生管理法》對食品中之食品添加物等有「安全容許量」的相關規定，而這個「量」經常是參考世界各國標準所訂定。參考的對象，包含聯合國糧食和農業組織與世界衛生組織大會在 1963 年組成的食品法典委員會（Codex Alimentarius Commission, CAC），以及世界衛生組織（WHO）所召開的專家會議。

被這個公式嚇到的朋友，先拍拍自己胸口說不要害怕，給個機會，因為它其實很好懂。

首先，參考劑量的英文是 Reference Dose，縮寫為 RfD。而公式的分子 NOAEL（non-observed-adverse-effect level），代表的是「無觀察到危害反應的劑量」。

NOAEL 由科學家經過動物實驗取得，亦即某物質對實驗動物「沒產生危害反應」的劑量。不過，這個 NOAEL 值並不會直接拿來應用在食品安全上喔！NOAEL 還要再經過一些微調才會變身「參考劑量」，也就是下方分母要處理的部分。

看起來有點複雜的分母：科學家們在取得 NOAEL 之後，還會考慮很多事，像是實驗動物和人類的差距、人類之間的個體差異（老人和小孩可能比較敏感嘛），這些因素會被列為不確定因子（uncertainty factor，簡稱 UF）；考慮完 UF 之後，謹慎的科學家還會加入不確定係數（modifying factor，簡稱 MF），例如實驗偏差、非長期實驗等，才形成這個公式。而從動物實驗取得的 NOAEL 要推估到人體，至少還要除以 100 到 1000（甚至更多），才會是參考劑量。

得到了參考劑量之後，主管機關會根據它來訂定法規上的「安全容許量」，也就是大家在新聞上出現的「標」。

制定時，會把握「安全容許量（容許食品中殘留的劑量）× 膳食平均值（國人平均都吃多少）< RfD（參考劑量）」原則，也就是總共吃下去的殘留物質，不可以超過經實驗取得的參考劑量。在這個安全容許量之下，就算有殘留，長期食用也不太可能對人體造成危害。

好的，塞了這麼多名詞，來幫各位整理一下它們的關係：食品的安全容許量是根據給人體的參考劑量與膳食平均值等條件而定；而參考劑量則是根據 NOAEL 與 UF、MF 等因素微調而成。因此「安全容許量」是經歷許多實驗及考量而設定的標準，大家可以對這標準有信心。

接下來，談談眾人聞之色變的「致癌物」

毒理研究將上述的「參考劑量」看作人類暴露在非致癌物下的「閥值」，也就是對人類身體造成不好影響的門檻。只要在門檻之下，就是所謂的安全劑量。

但那是非致癌物的範疇，當我們談到致癌物，就沒有這個安全門檻囉！因為科學家們認為，人只要暴露在致癌物之下，不論劑量多低，就一定會有健康風險的產生，關鍵在於這個健康風險有沒有大到讓你致癌。基本上，如果產生的風險低於百萬分之一，就是一般大眾與毒理學中較能接受的風險程度。

不過，到底要怎麼分辨致癌物跟非致癌物啊？依舊十分偉大的科學家研究出一套標準，判定該化學物質是不是具有致癌性，目前 WHO 下的國際癌症研究中心（IARC）有一套國際上最常被引用的標準。

# 第一類：對人體有明確致癌性的物質或混合物。

# 第二類-A：雖然在人類流行病學研究上的證據有限，但於動物實驗上確定是致癌物，也有發現細胞的致癌機制。

# 第二類-B：雖然和 2A 類一樣有動物實驗的證據，但還不確定致癌機制，因此 B 類證據會比 A 類薄弱些。

# 第三類：沒有足夠的資料可以證明是致癌物。

# 第四類：依據現有的證據，認定對人類可能沒有致癌性（可以注意一下，IARC 的敘述是「Probably not carcinogenic」）。

看完表格和敘述後各位有沒有發現，在 IARC 的表格中，致癌物分類的依據在於不同實驗的「證據」。換句話說，這個分類並不是「物質的致癌程度」，而是 IARC 對「這個物質是致癌物」的「信心程度」。

所以，我們不見得能說「三類就是比二類安全（沒有致癌風險）」，因為或許有一天，原本在第三類的致癌物會被找到足夠證據，重新分配到第一類也說不定。

加工紅肉等同砒霜，好可怕？

2015 年十月底，IARC 宣布把火腿、香腸等「加工紅肉」列入第一類致癌物；牛、豬、羊等「紅肉」列為第二類（2A）致癌物，曾造成大眾一陣譁然，甚至出現「世衛組織：致癌風險加工肉等同砒霜、紅肉等同除草劑」這樣的新聞。

很顯然地，這個驚悚的標題就是忽略了「劑量」。微小劑量的砒霜就會對人體造成危害，那培根也是嗎？我吃一口紅肉跟吃一口除草劑，結果會是一樣的嗎？別忘了，前面反覆說明致癌物的分類標準是「證據」，並非被分在同一類的物質，就會在同樣的條件下跨越那條「百萬分之一」的致癌風險線。是否致癌，重點還是在劑量。

另外也要提醒大家，癌症是「多點激發」，是很多致癌因子交互影響而致病，人體對毒物的反應機制包含了「吸收、分佈、代謝、排出」，除了吃的東西，我們的作息、運動等生活習慣也會影響癌症的發生機率。

跟我唸一次：劑量決定毒性

不論是致癌物還是非致癌物，劑量都是決定毒性的關鍵。下次再有人恐嚇你「吃某某東西會致癌」，你就可以得意地算數學給他看，到底有沒有達到會致癌的風險程度；或是又有人在節目或網路上說「某某食品竟然驗出了殘留物」時，也不妨試著自己檢視「是有驗出，但有沒有超標呢？」，別只能恐慌地什麼都不敢吃了。

參考資料

• 衛福部衛教資訊：水中毒
• 科技大觀園：喝水過量會水中毒？
• Processed meat and cancer – what you need to know（Casey Dunlop，2015）

2017 年 1 月 1 日早上行政院發言人徐國勇先生，因為誤食家附近採摘的姑婆芋莖梗所炒的小菜而中毒送醫。我們不鼓勵隨意採食野菜，但在野外緊急需要時，當須辨明，以免中毒。

姑婆芋（Alocasia odora (Lodd.) Spach., 1846）與我們平常吃的芋（Colocasia esculenta (L.) Schott, 1832）的各種栽培品種，或者在山間可見、緊急時可拿來充飢的台灣青芋（Colocasia formosana Hayata, 1919），都屬於天南星科Araceae，常被混淆；我們就前者（姑婆芋）與後兩者（芋和台灣青芋，下文簡稱芋頭）的特徵來做分辨：

1. 色澤：姑婆芋葉面有蠟質光澤感，會反光；芋頭葉面色澤白霧白霧，有消光感覺，這是因為葉表有細毛之故。

2. 水珠：潑水在姑婆芋葉表，水會散開、黏附於葉表；芋頭葉表因為有細毛，除了看起來有消光感，潑在上面的水會成珠，不會打溼葉面，表現出蓮花效應。

3. 葉脈：姑婆芋葉脈顯而易見，芋頭較難。

4. 果實：姑婆芋會結紅色漿果、內有種子 1~2 顆；芋一般不太看得到結果；台灣青芋的果實是橘色、內有許多種子 [1]。

5. 葉裂：姑婆芋的葉子通常裂得較深，呈現裂縫較深的愛心形；芋頭就不會裂得那麼深，整體葉形比較像一端較尖的盾形。

姑婆芋的毒來自哪裡？

再說說姑婆芋造成刺激感與不適感的原因。姑婆芋主要的毒性與刺激性來自於不溶性的針狀草酸鈣結晶（raphides）與氰苷（Cyanogenic glycosides），食入後，極少數人會表現出心血管與腎臟相關病徵，其中的腎臟病變被認為可能與針狀草酸鈣結晶隨血流分布至腎臟有關 [2]。

其實天南星科植物內常有高含量的針狀草酸鈣結晶與生物鹼，所以有時候削生的芋頭，接觸到汁液也會造成皮膚發癢。根據蔡等（2006）的文章，芋頭生汁造成皮膚不適的原因，是因為不溶性草酸鹽、水溶性蛋白質、鹼溶性酚類三種因素交互作用產生，只要去掉其中一個因素，就可以消除汁液對皮膚的刺激感。

我們了解天南星科植物造成皮膚刺激的三個因素之後，很多感覺很玄的坊間傳說就變得有道理了，例如：

1. 戴手套：避免接觸

2.手癢的時候把手烘一烘：破壞蛋白質（酵素？）

3.泡過醋後再削：去除鹼溶性酚類

4.泡過鹽水再削：溶掉草酸鹽（針狀草酸鈣結晶），這部分可以參閱作者另一篇文章〈鳳梨咬嘴的秘密：尖尖碰碰拳〉，內文提到鹽水可能有助針狀草酸鈣結晶的溶解，可能是能降低刺激的原因。

最後還是要提醒，沒有把握辨認出來的野菜就不要隨意採食，平常也盡量食用人為栽種的菜蔬，可以避免新聞中的情況發生；也提供了一些削芋頭避免手癢的小撇步，除了知其然，還要知其所以然，下次處理芋頭就可以更有概念囉！

新聞來源

• 誤食姑婆芋 政院發言人徐國勇中毒送醫，自由時報，2017-01-01
• 徐國勇臉書

參考資料

• HUANG, Tseng-Chieng. 2000. 29. ARACEAE. Flora of Taiwan, second edition
• Holloway WD, Argall ME, Jealous WT et al. Organic acids and calcium oxalate in tropical root crops. Journal of
• Agricultural and Food Chemistry 1989; 37: 337-341.
• 蔡淑珍, 劉慧瑛, & 黃祥益. (2006). 芋頭麻刺感與蛋白質區分之相關性研究. 台灣農業研究, 55(1), 63-71.

本文轉載自科科儲思盆