0

0
0

文字

分享

0
0
0

不想老是喝掛?煉金術師提供的小秘訣:「劑量─反應」曲線

行政院環境保護署毒物及化學物質局_96
・2017/10/10 ・2644字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局委託,泛科學企劃執行

撰文/陳亭瑋

「所有物質都是毒物,沒有一種不是毒物。
只要劑量正確,就可以把毒物變成仙丹。」
──煉金術師 巴拉賽爾士(Paracelsus, aka 馮‧霍恩海姆)

圖/Wellcome Image @Wellcome Images, CC BY 4.0

有遭遇過拚酒的場景嗎?希望自己不要輕易被酒精飲料「放倒」嗎?這箇中的秘訣五百年前的煉金術師就已經告訴我們了!了解化學物質「劑量 ─ 反應」曲線的原理,讓你學會拚酒的科學!(喂)

要引起反應,先要通過這些關卡

人體內原本就有些代謝關卡專門處理「有毒」物質。生命在世界上,就算不拚酒,也會隨時面臨外來物質入侵。不像化學反應,身體並不會全部照單全收、予取予求(?)反應出來。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

第一關,是「吸收」

每種化學物質的吸收路徑並不相同。以酒精為例,大口喝酒的時候,嘴巴跟喉嚨會先接收到一小部分的酒精,約五分之一的酒精會由胃吸收,大多數的酒精則經由小腸進入體內,幾分鐘後出現在血液中。腸胃中如果有食物,酒經由身體吸收的速度會慢得多,但如果飲酒混合了含氣泡的飲料,酒精吸收的速度會快得多;而如果是純飲酒,酒精被嘴巴跟喉嚨吸收前,就會經由呼吸被排出體外。

許多化學物質在低劑量或不適合被吸收的狀況下(如鉛在固體的狀態下很難被吸收,要融入液體或成為氣態才容易進入體內),由身體的自然屏障阻擋,不會進入體中,自然就沒有中毒的問題了。

第二關,是「代謝」

化學物質闖過了吸收這個關卡後,會出現在血液中。如上述酒精的例子,隨著血液進入肝臟的酒精會被分解,剩下的酒精有一小部分會由肺排除,另外一小部分會由腎排除,這就是為什麼我們可以由呼氣或是驗尿來檢測一個人的酒精濃度。酒精從血液中被排除的速度約為每小時 14 毫升,也就是想代謝完一瓶啤酒的酒精含量,至少需花上一個小時。

代謝速度除了和爸媽留給你的遺傳有關,還包括攝取酒精的人過去是否經常飲酒,如常喝酒的人的確不容易喝醉;另外如最近的生理狀況,營養攝取是否均衡、是不是有睡飽等,都會影響代謝速度。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
當連代謝都來不及 ……圖/Alexas_Fotos @Pixabay, CC by 0

如果化學物質持續進入體內、超過了代謝速度,這些物質主要會累積在血液中。一般來說,持續喝酒、體內的酒精濃度逐漸提高,會依序達到四種狀態:微醺狀態,頭暈目眩但心情愉快;喝醉狀態,言行失控;爛醉狀態,最後則是有急性死亡風險1(對,酒精其實有過量致死的紀錄)。

「科學飲酒」的必備資料──「劑量-反應」曲線

圖/Bbs16893300665 @Commons Wikimedia, CC 0

持續記錄某一個人攝取了多少酒精時、會進入哪個狀態,正是「劑量-反應」曲線的表現方式[2]。在大多數的化學物質反應上,這是一個類似 S 型的曲線,左側接近零與右側接近 100% 的地方會是平坦的,代表此種化學物質在某個劑量以下不會有反應,以及在高到某個劑量時會有最大反應。這個曲線除了與化學物質種類有關,也和物種、體質、代謝相關。

在「劑量 - 反應」曲線的最左端平坦處到有反應之前,曲線未開始上升之處所對應的劑量值就是「無可見作用劑量(NOAEL)」,也是前述在一般接觸時,人體能夠自然屏障、以及快速代謝(解毒)的化學物質劑量。很容易想像,一個人即使酒量再差,也不至於會因為打針時消毒藥棉上的酒精而臉紅或醉倒,因為此劑量很明顯還低於 NOAEL 值。

同樣類型的「劑量 ─ 反應」曲線,還可以參考科學家霍爾丹實(玩)驗(命)而來的一氧化碳中毒研究。在還不太了解煤氣中毒的原理之前,霍爾丹以自己為實驗對象,記錄曝露在不同濃度一氧化碳中的中毒症狀,同時持續測量自己血中的一氧化碳含量。他發現當血中的一氧化碳濃度達到 27% 時,視線會變暗、人也變得極端虛弱、一施力就會昏倒;最高紀錄則為血中一氧化碳濃度達到 56%,他已經無法行走、並且無法記得實驗期間的所有事情。(警告:玩命科學家不良示範請勿學習)

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

如果希望「科學」飲酒,可以參考霍爾丹的作法,記錄自己每次喝酒的量以及感受到的醉意程度,那就是你個人的「劑量-反應」曲線了 ── 而如擁有夠完整(?)的紀錄,你會知道該怎麼喝、喝到什麼程度不能再喝,自然就不會輕易被「放倒」了[3]。

不妨記錄試著畫出自己的酒精「劑量 ─ 反應」曲線。圖/B Rosen@flickr, CC BY-ND 2.0

建立在「劑量─反應」曲線上的風險評估與治療

今天人們對於許多化學物質如一氧化碳或酒精中毒等症狀的理解與知識,正是透過霍爾丹這類以身涉險的研究、或是動物實驗的資料而來。在治療某種化學物中毒的病人時 ── 這些病人絕大多數都無法告知醫生使他中毒的化學物質或劑量 ── 如果能對照相關資料,知道在什麼劑量下會造成中毒、甚至從出現的症狀回推中毒劑量,就可以根據這些資訊進行救治、提供適當的解毒劑。

另外,「劑量-反應」曲線對於化學物質,包括藥物、食品添加物、食品污染物的風險評估亦十分重要。舉例來說,酒精如果攝取過多會有致死的毒性、攝取到一定劑量也會使判斷力與專注力下降,因此定有法規限制駕駛的「酒測值」上限(吐氣所含酒精濃度 0.15mg/L 或血液中酒精濃度達 0.03%),若超過則有罰鍰。不過,一般擦拭消毒所使用酒精劑量極少,皮膚的吸收效率又低於腸胃消化道,因此我們可以判斷得出這個行為是安全的 ── 應該沒有人會擔心打針回家的路上會被驗出酒駕吧。

「劑量 ─ 反應」曲線再次具象化了毒物學的第一原則:在某些劑量以上,所有化學物質都是有毒的;在某些劑量下,化學物質不會出現任何效應

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

劑量,決定了物質的毒性。

註解

  1. 四個階段的酒醉狀態與血中酒精濃度:微醺狀態 100mg/100ml;酒醉及言行失控 200mg/100ml;爛醉300mg/100ml;有死亡危險 400mg/100ml。換算下來一個 65 公斤的成人攝入超過 200 克的酒精就有致死的風險。
  2. 關於「劑量 ─ 反應」曲線包括給予一群個體不同劑量的化學物質,記錄表現出某種反應(如醉酒)的比例;或是記錄某個特定個體在不同劑量下的表現程度(本次的舉例)。
  3. 由於酒精代謝除了個人體質還包含很多因素(包括扯後腿的酒友),即使有紀錄也請不要太自信,盡量不要飲酒過量,並且千萬避免喝到 S 型曲線的右側。《新世紀福爾摩斯》第三季中就挑戰過一次。

參考資料

  • 約翰‧亭布瑞著 莊勝雄譯 《毒物魅影:瞭解日常生活中的有毒物質》商周出版 2006-05-19 ISBN 986-124-659-2
    Haldane J (1895).The action of carbonic oxide on man. The Journal of Physiology. 18 (5–6): 430–462.
    Wikipedia – Carbon monoxide poisoning
文章難易度
行政院環境保護署毒物及化學物質局_96
52 篇文章 ・ 8 位粉絲
行政院環境保護署毒物及化學物質局,落實毒物及化學物質之源頭管理及勾稽查核,從源頭預防管控食安風險,追蹤有害化學物質,維護國民健康。 網站:https://www.tcsb.gov.tw/

0

8
2

文字

分享

0
8
2
快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
196 篇文章 ・ 300 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

3
0

文字

分享

0
3
0
最理想的元素週期表?其實元素週期表有很多種!——《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》
日出出版
・2023/06/10 ・2017字 ・閱讀時間約 4 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

前面幾章都在談元素週期表,但還有一個重要面向沒有提到。為什麼有這麼多元素週期表出版,而且為什麼現在的教科書、文章、網路,提供這麼多種元素週期表?有沒有「最理想的」元素週期表?追求最理想的元素週期表有意義嗎?如果有,我們在找出一份最佳週期表的過程中取得那些進展?

種類數量可觀的元素週期表

愛德華.馬蘇爾斯(Edward Mazurs)關於週期表歷史的經典著作中,收錄自一八六○年代首張元素週期表繪出以來,大約七百張的元素週期表。

馬蘇爾斯的書本出版已過了四十五年左右;之後,期間至少又有三百張週期表問世,如果再加上網路上發表的就更多了。為什麼會有這麼多元素週期表,這件事情需要好好解釋。當然,這些元素週期表中,許多並沒有新的資訊,有些從科學的觀點來看甚至前後矛盾。但即使刪除這些具有誤導性的表,留下的數量還是非常可觀。

元素週期表的變體:有圓形的還有立體的?

我們在第一章看過元素週期表的三個基本形式:短元素週期表中長元素週期表長元素週期表。這三類基本上都傳達差不多的訊息,但相同原子價(編按:原子的價數,金屬為正價、非金屬為負價)的元素,在這些表中有不同的分族。

此外,有些週期表不像我們一般認識的表格那樣四四方方。這種變體包括圓形橢圓的週期系統,比起長方形的元素週期表,更能強調元素的連續性。不像在長方形的表上,在圓形或橢圓形的系統中,週期的結尾不會中斷,例如氖和鈉、氬和鉀。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但是,不像時鐘上的週期,元素週期表的週期長度不同,因此圓形元素週期表的設計者需要想辦法容納過渡元素的週期。例如本菲(Benfey)的元素週期表(圖 37),過渡金屬排列的地方從主要的圓形突出來。也有三維的元素週期表,例如來自加拿大蒙特簍的費爾南多.杜福爾(Fernando Dufour)所設計的(圖 38)。

圖 37/本菲(Benfey)的圓形元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表
圖 38/費爾南多.杜福爾(Fernando Dufour)的三維元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表

但我認為,這些變體都只是改變週期系統的描繪形式,它們之間並無根本上的差異。稱得上重要變體的,是將一個或多個元素放在和傳統元素週期表中不同的族。討論這點之前,我先談談元素週期表一般的設計。

元素週期表的概念好像很簡單,至少表面上是,因此吸引業餘的科學家大展身手,發展新的版本,也常宣稱新的版本某些地方比過去發表的更好。

當然,過去有過幾次,化學或物理學的業餘愛好者或外行人做出重大貢獻。例如第六章提過的安東.范登.布魯克,他是經濟學家,也是首先想到原子序的人,他在《自然》等期刊發展這個想法。另一個人是法國工程師夏爾.雅內(Charles Janet),他在一九二九年發表「左階式元素週期表」(Left-step periodic table),後來持續受到週期表的專家和業餘愛好者的關注(圖 39)。

圖 39/夏爾.雅內(Charles Janet)的左階式元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表

「理想」的追求

那麼,追求最理想的元素週期表真的有意義嗎?我認為,這個問題的答案取決於個人對週期系統的哲學態度。一方面,如果一個人相信,元素性質近似重複的現象是自然世界的客觀事實,那麼他採取的態度是實在論。對這樣的人而言,追求最理想的元素週期表非常合理。最能代表化學週期性事實的就是最理想的元素週期表,即便這樣的表還沒制訂出來。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

另一方面,工具論者或反實在論者看待元素週期表,可能會認為元素的週期性是人類強加給自然的性質。若是如此,就不必熱切尋找最理想的元素週期表,畢竟這種東西根本不存在。對約定俗成論者或反實在論者來說,元素究竟如何呈現並不重要,因為他們相信我們處理的,不是元素之間的自然關係,而是人造關係。

——本文摘自《【牛津通識課10】元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》,2023 年 4 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

日出出版
13 篇文章 ・ 7 位粉絲

0

1
1

文字

分享

0
1
1
寫在起司工廠邀請函背面的曠世巨作:元素週期表出現的這一天——《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》
日出出版
・2023/06/09 ・1127字 ・閱讀時間約 2 分鐘

雖然門得列夫一直思考著元素、原子量、分類,但是足足想了十年之久,才終於迎來「我發現了!」這個時刻,就是一八六九年二月十七日這一天,也許可以訂為「我發現了!」紀念日。這一天,他取消了以顧問身分視察起司工廠的行程,決定投入研究他日後最膾炙人口的代表作——元素週期表

真正的發現

首先,他在起司工廠邀請函的背後,把幾個元素的符號列成兩行:

接著,他列出一個稍微更大的陣列,包括十六個元素:

當天晚上,門得列夫就把整個元素週期表都畫了出來,包括六十三個已知元素。此外,這張表還留了幾個空格給當時未知的元素,甚至預測這些未知元素的原子量。

他將這張表複印兩百份,寄給整個歐洲的化學家。同年三月六日,門得列夫的同事在俄羅斯化學學會一場會議上宣布這項發現。一個月內,這個新成立的學會就在期刊上刊登了一篇文章,另一篇更長的則在德國發表。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

多數關於門得列夫的大眾讀物和紀錄片會說他在夢中想到他的元素週期表,或在玩紙牌接龍時把牌當成一個個元素。這兩個故事,尤其後者,現在已經被許多門得列夫的傳記作者視為是杜撰的,例如科學史家麥克.戈爾丁(Michael Gordin)。

原則的堅持

還是回來討論門得列夫的科學方法吧。他和對手洛塔爾.邁耶爾很大的不同是,他不相信所有物質的統一性,也不支持普洛特關於元素具有複合性質的假說。門得列夫也刻意與三元素組的想法保持距離。例如,他提出氟應該和氯、溴、碘放在一起,形成一個至少四個元素的族。

洛塔爾.邁耶爾專注於物理原則,主要關注元素的物理性質,而門得列夫則非常熟悉元素的化學性質。然而,說到分類元素最重要的標準時,門得列夫堅持以原子量排序,不容許有任何例外。當然,許多在門得列夫之前的人,例如尚古多、紐蘭茲、奧德林,以及洛塔爾.邁耶爾都承認原子量的重要性,儘管程度不一。但是門得列夫對原子量與元素的本質有更深層的哲學理解,得以一探尚未被人發現的元素,進入這個未知領域

——本文摘自《【牛津通識課10】元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》,2023 年 4 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

日出出版
13 篇文章 ・ 7 位粉絲