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這杯重水喝起來甜甜的,我可以再來一杯嗎?

羅夏_96
・2021/05/04 ・2845字 ・閱讀時間約 5 分鐘

水是我們賴以生存的重要物質,想必大家都對水的化學式 H2O 不陌生。不過從技術上來說,地球上的水並非都是由 H2O 組成。普通水 H2O 也稱為「輕水」,但除了輕水之外,自然界還有「重水」。近期有研究指出,雖然輕水和重水的外觀都是透明無色,但人可以分辨出重水的味道,因為它嚐起來有些許甜味[1]

輕水和重水的外觀都是透明無色,但人可以分辨出重水的味道。圖/Pexels

氫的同位素

要說明「重水」之前,得先聊聊同位素。同位素是指同一種化學元素中,具有不同質量數的原子(質子數相同,但中子數不同)。

氫有三個同位素,分別是氕(元素符號 H)、氘(元素符號 D)和氚(元素符號 T)。氕是最常見的氫,由 1 個質子形成的原子核,周圍有 1 個電子包圍;氘是以 1 個質子和 1 個中子形成原子核,周圍覆著 1 個電子;氚則是 1 個質子和 2 個中子形成原子核,周圍覆蓋 1 個電子。

氫的三種同位素。圖/Heavy Water Ice Cubes Do Not Float

普通水由氕構成,就是最常見的 H2O。若由氘構成的水,化學式為 D2O。氘由於質量較氕重,讓 D2O 的質量也 H2O 重,因此 D2O 又被稱做重水。D2O 在化學性質上與 H2O 基本沒有差異,但氘也因質量較重,讓重水的物理性質如密度比正常水高約 10%,其凝固點和沸點也比正常水略高一點點[2]。另外比起正常水,D2O 的氫鍵註1較強一點點。

輕水和重水的化學式。圖/Heavy Water Ice Cubes Do Not Float

重水對人體有影響嗎?

重水在自然界的含量是正常水的 6,400 分之一,因此人每天都會涉入微量的重水。少量的重水對我們的健康無害,但如果你想長期飲用純重水,可能就不是甚麼好主意了。

動物實驗顯示,當大鼠長期飲用純重水使體內的重水含量達到 50% 時,其細胞分裂會被抑制,這使得需要快速細胞增生的組織出現壞死,最終導致大鼠死亡。

重水喝起來不一樣?

重水在 1930 年代被發現後,就一直有個有趣的傳聞:重水和一般水味道不同,有些許甜味。而由以色列的兩位生化學家 Natalie Ben Abu 和 Philip E. Mason 所領導的研究團隊,就對這個傳聞展開探討。

研究團隊首先找來 28 位志願者,想了解他們是否能區分重水和普通水。研究人員將買來的商業重水純化後,給予受試者兩滴重水和一滴普通水(或者反過來),然後請他們分別以嗅覺和味覺來辨別這三滴水是否有異。

在嗅覺測試中,25 人中只有 9 人能辨識重水。但在味覺測試中,28 人中有 22 人能辨識出重水(受試者表示有淡淡的甜味)。而在塞住鼻子的味覺測試中,超過一半的人能辨識出重水,這顯示舌頭上的味覺受體確實能捕捉到重水的微妙甜味。接著研究人員發現,隨著普通水混入重水的比例增加,受試者品嘗到的「甜味」也會增加。另外,重水也能增加其他甘味劑如葡萄糖的甜味。

(a) 重水的比例越多,受試者能嚐到的甜味也越多。(b) 重水能增加葡萄糖的甜味。圖/參考資料 1

研究人員接著想了解,小鼠是否也能分辨重水。儘管小鼠喜歡喝糖水,但牠們飲用普通水和重水的量是一樣的。這顯示小鼠並不像人,能感知到重水產生的甜味。不過研究團隊表示不感意外,畢竟有些甘味劑如阿斯巴甜,人類可以嚐出甜味,但小鼠不能。

(a) 小鼠喝普通水和重水的量沒有差異。(b) 小鼠喝糖水的量比普通水高。圖/參考資料 1

甜味與甜味受體

既然講到甜味,那得先簡單聊聊人類的味覺是怎麼產生的。

味覺是舌頭上的味蕾接受到食物的刺激後,將刺激轉換為神經訊號並傳至大腦所產生的一種感覺。味蕾是由味覺細胞、基底細胞和支持細胞組成。味覺細胞的頂端有許多纖毛,毛上則分布很多味覺受體。當特定的味覺受體與特定的分子結合後,味覺細胞會產生訊號,讓連接著味蕾的神經將此訊號傳至大腦,進而產生不同味覺。

味蕾的構造。圖/維基百科

目前研究發現,人類的甜味受體由兩種蛋白質共同形成,其中一種是 TAS1R2,另一種是 TAS1R3。能與甜味受體結合並讓味覺細胞產生訊號的物質,則被稱為甘味劑。

重水能活化甜味受體

回到這篇研究,根據上面的結果,研究團隊推測重水可以刺激味覺細胞中的甜味受體,讓人嚐到甜味。

為了驗證這個想法,研究團隊設計出能表現甜味受體 TAS1R2/TAS1R3 的細胞,並觀察重水是否能刺激甜味受體。結果顯示重水確實能刺激 TAS1R2/TAS1R3。另外,加入甜味受體的抑制劑,也確實能封鎖重水對 TAS1R2/TAS1R3 所產生的刺激。這顯示重水確實能與甜味受體結合並刺激其產生訊號,讓人嚐到甜味。

重水能刺激甜味受體,而這個刺激會被甜味受體抑制劑 (lactisole) 封鎖。圖/參考資料 1

研究團隊根據分子動力學模型,發現甜味受體和正常水與重水之間的相互作用有輕微的差異,而正是這個差異,讓重水能刺激甜味受體。研究團隊推測造成這種差異的原因在於,重水的氫鍵比普通水略強。不過他們也表示需要更深入的研究,才能確認重水之於甜味受體的結合部位和作用機制。

雖然我們現在知道重水也能產生甜味,但重水顯然不是實用的甘味劑。不過當我們更了解重水與甜味受體的作用後,或許能提供甜味分子更廣闊的可能,甚至能以此設計出新型的人工甘味劑!

最後,文章雖沒對超重水進行實驗(畢竟要純化超重水的成本極高!)。然而若重水的甜味真的是源於氫鍵較強,那麼超重水的氫鍵也比普通水強,或許也帶有淡淡的甜味。照這樣說,近期沸沸揚揚的福島核廢水,若經淨化後只帶有氚水(超重水),或許嚐來是甜的?不過我想,恐怕不會有人想嘗試吧~

註釋

  1. 氫鍵:氫鍵是一種分子間偶極 – 偶極作用力,或者說其實是一種特殊的靜電作用。氫鍵是由兩個陰電性大的原子與處在其中間作為橋樑的氫原子所組成。氫鍵對於生物高分子尤其重要,蛋白質的二、三和四級結構和 DNA 的雙股螺旋結構,氫鍵都是穩定這些結構的重要原因。

參考資料

  1. Ben Abu, N., Mason, P.E., Klein, H. et al. Sweet taste of heavy water. Commun Biol. 4, 440(2021). 
  2. 重水
  3. Heavy Water Ice Cubes Do Not Float. mathscinotes. 2014/2/23

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陰謀論大徵集!你聽過哪些陰謀論?【科科齊打交】

stage_96
・2021/05/03 ・605字 ・閱讀時間約 1 分鐘

S編按:【科科齊打交】是我們希望與大家一起進行的對話形式,期待在討論的過程中,我們能離知識更近一些。

在製作《Pan-pan-Panspiracy 一切都是泛科學的陰謀》專題時,我們蒐集到了不少陰謀論,But!這還不夠!我們想要更多!親愛的科夥伴們,快來貢獻你們聽過的陰謀論吧!

所以說,什麼是陰謀論?

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