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沒有二分法,就沒辦法分類?把多樣性放在哪裡了?——《像科學家一樣思考》

商周出版_96
・2020/05/19 ・3195字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 539 ・八年級
  • 作者/史坦利.萊斯 (Stanley A. Rice);譯者/李延輝

月亮上,全部都是黑色和白色。晚上是晚上,白天是白天,沒有灰色地帶。但在地球上,因為大氣層分散了日光,所以會出現晨光與暮光的灰色陰影。地球具有多樣性,科學也在研究多樣性,上述只是幾乎無數種呈現方式中的第一種。

不是白天也不是黑夜的黃昏之時。圖/IMDb

但人類心靈並不是一直輕易就接受多樣性。人類心靈有二元偏見,我們看待事物非黑即白,但科學必須抗拒這種偏見,就像抗拒其他許多偏見一樣。

即使人類心靈並未以二元的方式看待世界,也會以分類的方式看待:即使現實往往包含連續體而非各自獨立的類別,我們仍喜歡將所有事物分類。二元思考是分類思考的兩類別子集合。想知道一些分類和連續思考的例子嗎?這就是本章涵蓋的內容。

分類思考就是只能分兩類?

或許人類偏向分類思考是因為我們是兩兩對稱的生物。我們有左右手、腳和很多其他東西,也有上和下、前和後。相較之下,水母就是放射對稱,它有前和後,但除此之外其他部分都從中心點放射而出對稱。假如水母可以思考,它可能會將世界看成充滿各種可能性,而不只是「這個」相對於「那個」。

動物和人類祖先必須迅速決定是否該採取行動,例如是否要逃離老虎,是否要吃某種食物,這可能是我們演化出二元思考的原因。生死交關的決定往往是二元對立的,甚至對水母來說也是如此。

不是「這個」就是「那個」?圖/giphy

一方面,人類往往會將世界視為非黑即白,不是這個就是那個,非左即右,不是這裡就是那裡,非上即下,不是我們就是他們。另一方面(延續我二元對立的隱喻),我們也承認有許多多樣性無法納入分類思考的框架中。(世界上有兩種人:會將事物分類的人和不會將事物分類的人。)人類常常努力在分類思考和連續思考間取得平衡,但這是假設我們能將所有思考分類為分類或連續思考。

再者,二元對立也符合我們的公平感。記者就有強烈的偏見要「平衡雙方報導」,即使有兩方以上或其中一方顯然行事荒唐也是如此。

微世界中的多樣性

在科學家研究的物理、化學、生物和人類世界中,少有事物在分類上是絕對的。極少數二元對立的事物之一就是原子粒子的電荷。電子具有負電荷,而質子具有正電荷。但連電荷都是一種夸克的衍生特性,而夸克就構成了電子和質子粒子。其他事物無論是可分類或連續的,都以許多不同可能性的形式存在。

元素符號都一樣,中子、電子數目不一樣

縱使元素符號相同,性質也有可能不同。圖/pixabay

以原子為例,「原子」一詞代表不可分割的事物。原子會分裂,但一旦發生分裂,原子就會喪失其特性,所以「它們」不可能分裂但仍維持原樣。

我們可能會認為所有的碳原子都很類似,全都屬於一種類別。但並不是這樣。它們的原子核都有六個質子。大多數也會有六個中子(使它們成為 12C 或碳-12)。但少數碳原子多了一個中子,重量更重(13C 或碳-13)。再更少數的碳原子多了兩個中子,原子核變得不穩定,因此具有放射性(14C 或碳-14)。不同元素的同位素具有相同數目的質子,但中子的數目不同。

同樣地,純粹的鐵原子具有 26 個質子和 26 個電子。但許多鐵原子已經失去了它們的電子。亞鐵離子失去了兩個電子,而三價鐵離子則失去了三個。這讓它們具有不同的電荷。同一元素的不同離子具有相同數目的質子,但電子數目則不同。因此,每一種元素組成的類型都不同。

拉著電子不放的氧,讓水分子也「黏」在一起

我們可能會想,在這些類別中,原子都很相似。但連這也不是完全正確,因為原子絕對不會獨立存在。

舉例來說,思考一下兩個氫原子和一個氧原子組成了水分子(H2O)。分子內的原子都自由分享它們的電子,但也不能說完全自由。氧分子就是出了名的渴求電子。在水分子內,自由移動的電子時間大多花在氧原子上,而較少花在出了名軟弱的氫原子上。

氫鍵。圖/giphy

水分子具有一個中性電荷,電荷中共有 18 個質子和 18 個電子,但它有三極:兩個正氫極和一個負氧極。一個水分子的正極會吸引其他水分子的負極,讓水分子稍微黏在一起。

水分子的黏性是造成冰會漂浮的重要特性,也會使液態水最後煮沸前保留許多熱度,並在蒸散作用時透過植物將水往上拉,還有其他許多事物,少了這些事物,生命就不可能存在。

這些「氫鍵」也將 DNA 的股鏈結合在一起,強韌到足以保存分子完整性,但又寬鬆到足以讓各股鏈分解再重新聚集。(DNA 是細胞內儲存遺傳訊息的分子。為了讓這些資訊可以供細胞使用或是傳給下一代,股鏈必須能夠彼此分離,顯示出其隱藏的訊息。)因此,一個原子的特性取決於哪個或哪些其他的原子與其結合。

壁虎不貼牆也能爬牆,也是原子搞的鬼?

一個原子或分子可以互相改變,甚至不必結合也可以做到。用個隱喻來說,一個分子的電子可以嚇跑其他鄰近分子的電子,造成電荷差異,讓分子可以互相吸引。

在哪種平面都能爬行的壁虎。圖/wikimedia

這種「凡得瓦力」(Van der Waals forces)也讓壁虎不用真的黏在牆上就可以爬上牆。2014 年,國防高等研究計畫局(Defense Advanced Research Projects Administration, DARPA)宣布要發展壁虎裝,使用這樣的力量讓軍人可以爬牆,就算不像壁虎一樣輕而易舉,也可以勝過其他軍人。在每個原子的離子或同位素類別中,有一整個可能特性的連續體,這取決於其他可能與其結合的原子,甚至是那些恰好接近它的原子。

向左旋,向右旋,性質大不同!

許多分子可以以一種以上的構造存在,例如就像彼此的鏡像一樣。(這種分子只有兩種可能的鏡像,這可能是宇宙中除了電荷外,少數二元對立的性質之一。)這會造成很大的差異。

「左旋」的胺基酸組成的蛋白質讓我們維持生命,「右旋」的蛋白質則常有毒。左旋和右旋的胺基酸混合起來造成不穩定的蛋白質。因此,自然淘汰已經排除任何結合左旋和右旋型態的蛋白質。地球上的生命恰好是以左旋胺基酸開始,右旋胺基酸只好扮演壞人的角色。在火星的生命非線性死亡之前,火星上如果有蛋白質,或許就是由右旋胺基酸組成。

溫度也來參一咖

變化越來越多了。想一下有一堆同樣種類的分子,電荷和左右旋都沒有差異。分子集合在一起會具有特定溫度。溫度來自於移動的能量,或分子的動能。但沒有任何兩個分子具有一模一樣的動能。每個分子都有自已獨特的能量狀態,有些移動得多,有些移動得少。你可以把溫度想成是分子的平均動能,但這不是嚴格數學定義下的平均。

溫度也會讓原子或分子帶來多樣的表現。圖/giphy

水一煮沸,平均動能就足以造成分子在液體中不再彼此黏合,自由地以氣態移動飛散。但早在水煮沸之前,許多水分子就已有足夠的能量可以蒸發。連冰都有一些水分子,可以進入氣態,以美麗的科學術語來說,這種過程稱為昇華,但這種例子很罕見。所以甚至連一杯水裡的水分子也有多樣性,而且是連續的多樣性。分子並不是屬於動能的類別。

可能存在的分子種類數目理論上是無窮無盡。在真實世界中,這並非無窮無盡,但當然也超越人類心靈所能理解的範圍,至少我無法理解。1976 年,我在有機化學拿了 C,後來每況愈下。

所以這就是多樣性、多樣性、多樣性,且常是連續而非可分類——而且我們還只是在講分子而已。

——本文摘自泛科學 2020 年 5 月選書《像科學家一樣思考》,2020 年 4 月,商周出版


 

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推理系動畫毒殺利器!——認識致命的「河魨毒」

Evelyn 食品技師_96
・2022/01/21 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 文/Evelyn 食品技師

早在兩千年前《山海經》就提到肺魚(河魨)[註 1]會毒死人;明代的《本草綱目》亦記載:「河魨有大毒,味雖珍美,食之殺人」,可知早在古代,大家就發現河魨肉的美味之處,也知道他擁有「劇毒」,甚至連動畫《名偵探柯南》都曾上演用河魨毒殺人的案件呢!(動畫第 226 ~ 227 集:戰鬥遊戲的陷阱)

河魨是媲美和牛的夢幻料理,為了一嚐美味連命都不要了!

在日本,河魨被視為珍饈佳餚,尤其河魨生魚片富含膠原蛋白、脂肪含量低、味道清爽鮮甜,口感爽脆帶勁,其美味足以媲美日本和牛,被認為是一生必吃一次的夢幻料理。

許多饕客無法抗拒河魨的美味,為了能嚐上那一口極品,即使冒著生命危險也在所不惜。史上因河魨送命的最知名案例,莫過於 1975 年日本國寶級歌舞伎演員八代目坂東三津五郎,在料亭師傅推薦下,吃了四份河魨肝(據說是河魨最美味的部位)後中毒身亡,成為食魨死士。

根據日本厚生勞動省統計,在 1959 年前,日本每年因河魨毒中毒死亡的人數超過 100 人,直至 1982 年後,中毒死亡人數才降至每年 10 人以下。主要是因日本政府推行「河魨料理廚師執照」,通過筆試與術科考取執照,才可以合法烹調河魨,使河魨毒中毒死亡率大幅降低。 

星斑叉鼻魨 Arothron stellatus(Bloch and Schneider)。圖/參考資料 1

相較之下,臺灣雖然沒有如此盛行吃河魨,但每年仍發生不少因誤食河魨而中毒的案例。筆者根據衛生福利部的歷年食品中毒資料統計,從民國 81 年至 109 年河魨毒中毒案件計有 33 案,患者總人數為 139 人,死亡總人數為 11 人,死亡率高達 7.9%。

民國 81 年至 109 年河魨毒中毒統計資料。資料來源/衛生福利部

分析主要原因是漁品產銷人員及社會大眾辨識河魨能力不足,為此,民國 101 年衛生福利部食品藥物管理署出版「臺灣常見有毒河豚(魨)圖鑑手冊」,整理臺灣常見之有毒河魨(參考資料 1),提供漁品產銷人員及社會大眾參閱,故民國 101 年後的中毒案件及人數確實有顯著下降。

河魨毒素究竟有多強?和「麻痺性貝毒」非常接近!

1909 年,日本科學家首次從河魨卵巢中分離出毒素,命名為河魨毒素(tetrodotoxin; TTX)。1964 年後,日本科學家們確定 TTX 化學結構。TTX 分子式為 C11H17O8N3,分子量為 319 Da,為河魨毒中毒性最強的主要化合物,擁有許多結構類似物(structural analog)[註 2],分子量與毒性強弱依結構型態而有所不同。 

河魨毒素(tetrodotoxin; TTX)分子結構及其結構類似物。圖 / 參考資料 5

其中以 TTX 毒性最強,小鼠口服之半數致死劑量 LD50 是 334 μg/kg [註 3],跟麻痺性貝毒的毒性十分接近(蛤蚌毒素 LD50 為 263 μg/kg)[註 4]。且不論是化學特性、中毒機制、毒性或治療方式,皆與麻痺性貝毒非常相似。

當 TTX 進入人體內組織後,會阻塞神經末梢細胞上的鈉離子通道,使鈉離子無法進入神經細胞,膜電位無法去極化 (depolarization),動作電位無法產生,使神經元失去傳導功能,進而造成中樞神經、知覺神經及運動神經麻痺。尤其當毒素量高時,迷走神經、血管運動中樞至橫膈膜皆麻痺,最後蔓延至呼吸神經麻痺而死。

TTX 潛伏期一般在 3 小時內(通常在 10 至 45 分鐘),潛伏期長短亦受進食毒素量影響。目前河魨毒中毒並無特殊之藥物可以使用,主要治療乃是支持性療法為主。如未產生呼吸衰竭,應不會造成死亡。但若患者已產生明顯之肌肉無力現象,則應隨時準備放置氣管插管,並以人工呼吸器幫助呼吸。亦可給予經稀釋的活性碳及輕瀉劑,以加速毒素排出。

而《名偵探柯南》動畫中,更是直接將河魨毒刺入人體動脈中,作用的速度和反應會比食用更快、更強烈。筆者估計死者應該當場暴斃,連症狀都來不及發生……也順便稱讚一下,那集茱蒂老師講解 TTX 的毒性資訊真的正確無誤喔!

這位是茱蒂老師(怕你忘記是誰)。圖/IMDb

河魨毒原來是細菌產生的!河魨怎麼不會被自己毒死?

河魨毒最早是發現於河魨因而得名,後來也被發現存在於其他脊椎生物中,包括蠑螈、蝦虎魚、箭毒蛙等;無脊椎動物包括海螺及章魚等。後來在河魨、有毒蟹類以及紅藻 Jania sp. 中篩檢出海洋菌株 Shewanella algaAlteromonas tetraodonis,並發現該細菌具有產生河魨毒的能力。

海洋菌株 Shewanella alga。圖/參考資料 5

後續有愈來愈多研究證實,河魨毒主要來源應是具產河魨毒能力之細菌,經由寄生或共生的方式,存在於生物體(如藻類、魚、蝦、蟹或貝等)中,河魨再透過食物鏈累積在其體內,而非河魨自己產生。河魨甚至還會刻意選擇具有河魨毒之生產能力的生物為食物,使毒素累積在體內,以肝臟、卵巢累積最多,腸道、皮膚次之,為一種特殊的防禦機制。

此外,河魨的肌肉中,因含有河魨毒結合蛋白(TTX-binding protein),可包覆河魨毒,參與河魨毒的運輸,使河魨對毒素耐受性高,才不會被自己毒死。

  • 延伸閱讀:盤點海洋中的「毒系寶可夢」!河豚、貝類有毒不是 they 的錯 ft. 食品技師 Evelyn【科科聊聊 EP71】

這批有夠純!河魨毒除了可以止痛,還可以被海豚拿去「吸」?

想不到的是,身為天然劇毒的河魨毒對生物可不全然只有害,有研究指出河魨毒由於具有抑制神經傳導的作用,可能有機會應用於醫療用途呢!

動物實驗的結果顯示,微量的河魨毒可作為局部麻醉劑,合併其他麻醉藥物一起使用,可有效延長局部麻醉時間;作為止痛劑使用,也能有效減輕受傷所造成的發炎反應、肌肉疼痛及神經性疼痛,且無其他副作用,比起嗎啡(morphine)更溫和。

當然,以上河魨毒的醫療應用,於人體實驗還需要進一步的研究。

另外英國《BBC》的自然紀錄片《荒野間諜》(Spy in the Wild)在南非拍攝到罕見的「海豚吸毒」景像。海豚們紛紛把河魨當成玩具亂丟亂甩,把河魨咬在口中「吸毒」,陷入恍惚的興奮狀態,並做出各種ㄎ一ㄤ到不行的行為,最後玩膩了才把河豚放走,是不是有夠像小屁孩呢!

海豚吸河魨毒影片截圖。圖/參考資料 7

不要拚死吃河魨!注意應避免食用來路不明的水產品

最後還是要呼籲,只要避免食用河魨或來路不明的水產品,即可有效避免河魨毒中毒。如果真的需要滿足口腹之慾而「拚死吃河魨」的話,建議先確認是否屬無毒魚種,並有效去除其內臟組織及皮膚。

若不幸食用河魨而中毒時,應先催吐使胃內容物排出,並儘速就醫,以免因中毒嚴重,造成呼吸衰竭而死亡。 

註解

  1. 河魨,常作河豚,古名肺魚。
  2. 「河魨毒」為 TTX 及其所有結構類似物的總稱;「河魨毒素」為 TTX;結構類似物(structural analog),是指一系列的化合物在主結構上大致相同,但部分結構會有一個或多個原子、官能基或子結構的不同,造成他們之間的化學特性可能不一樣,故河魨毒一系列類似物的毒性大小不會完全相同。
  3. 半數致死劑量(lethal dosage 50%; LD50),指在動物實驗中,使實驗動物產生百分之五十比例之死亡所需要化學物質之劑量。
  4. 麻痺性貝毒(paralytic shellfish poison)為一系列毒素總稱,其中毒性最強烈的毒素為蛤蚌毒素(saxitoxin)。

參考資料


 

Evelyn 食品技師_96
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國立大學食品科學研究所畢業,現為一名食品技師兼食品研發專員,對食品科學充滿熱忱。有鑒於近年發生許多食安風暴,大眾對於食品安全的關注越來越高,網路上卻充斥著不實資訊或謠言。希望能貢獻微薄之力寫些文章,讓更多人有機會認識食品科學的正確資訊!想獲得更多食品營養資訊可追蹤作者的粉絲專頁 https://www.facebook.com/profile.php?id=100066016756421