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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】

PanSci_96
・2021/12/13 ・3035字 ・閱讀時間約 6 分鐘

泛泛泛科學Podcast這裡聽:

第二屆泛泛泛科學 Podcast 主題票選「那些搞錯用途的毒物」,請各位泛糰選出兩種「最毒話題」,本集便將由 y 編與「絕命毒師」食品技師 Evelyn,探究動物「天然毒」的可怕之處!

節目將解析海鮮的毒素由來,原來河豚有毒不是 they 的錯?海產店吃「塔香西施舌」也可能意外致死?「吃魚肝補人肝」其實也很危險?節目中讓你「以毒攻毒」,一次獲得解答!

  • 01:41 毒理學小教室:劑量決定毒性

被稱為「毒理學之父」的中世紀鍊金術師霍恩海姆曾說:「所有物質都是毒物,沒有一樣物質不是毒物,但依使用劑量的多寡,可區分為毒物或藥物。」即是後世毒理學家所稱的「劑量決定毒性」,代表世上並無絕對的「毒」,但若劑量達到一定程度,任何物質都可能傷害人體,例如:水過量可能「水中毒」。Evelyn 再補充,外界認為食品添加物「很毒」,但實際得吃到「胃撐」才可能中毒;而動植物產生的天然物質,反而有可能在極低劑量便對人體造成傷害。

延伸閱讀:

化學殘留、疑似致癌物讓人心惶惶?劑量才是關鍵!—食安基本功(上)

  • 04:29 中毒和過敏是同一件事嗎?

許多人可能會因食物「過敏」、「不耐症」或「中毒」所引起的身體反應相似,而混淆三者的區別。Evelyn 則指出食物過敏是自體免疫系統,因食物引起的異常反應;食物不耐症則是指人體缺乏某種酵素而無法正常消化(如:乳糖不耐症 );食物中毒則指上述兩種情況之外,食品中的物質導致人體部位產生中毒反應,例如:物質作用在神經系統的動作電位上,導致神經性中毒,或作用在腸胃導致嘔吐、腹瀉。三者成因不同,因此也並無關連性。

延伸閱讀:

過敏反應是怎麼一回事?──《毒特物種》

  • 08:59 動植物的「天然毒」

許多動植物在演化出保護自身的生存機制,合成對抗外敵的化合物,可能劑量極低便具有毒性,部分生物也會「再演化」,產生對該毒素的「免疫」機制。Evelyn 舉例,部分藻類為防止被動物食用,會自體合成藻類毒素(Algal Toxins)。雖然河豚與部分貝類對這些毒素免疫,但這些物質仍殘留於他們體內,若經由食物鏈進入人體,便可能產生中毒反應,貝類的麻痺性貝毒便是源自於藻類毒素累積而成。

  • 12:02 有毒河豚比貝類還容易取得

Evelyn 曾試圖做麻痺性貝毒的研究,但由於貝類需食用藻類毒素,才會具有麻痺性貝毒,而一般養殖貝類則會定期檢測水質,也難以具有毒性,因此難以取得實驗檢體,最終研究只得作罷,相對而言河豚的毒素,反而較容易取得。Evelyn 也提及,河豚的毒素多半藏於其皮膚、內臟、卵巢或精巢等處,若經審慎處理,仍可食用其肌肉部位。

  • 18:55 什麼是半致死劑量?

毒理學常以半致死劑量(Median Lethal Dose,簡稱 LD50)作為毒性的指標,意即能殺死一半試驗總體之有毒物質的劑量,通常為有毒物質的質量和試驗生物體重之比,例如:「毫克/千克體重」。該指標可比較各種化合物的毒素強度,也可作為食品規範的參考,Evelyn 以麻痺性貝毒舉例,約每 1 毫克的毒素便會令成人致命,河豚的毒性則稍弱一些。她也提及在海洋生物學界,更常用「mouse unit」(足以毒死一隻試驗小鼠的劑量)做為毒素指標。

延伸閱讀:

推理系作品中兇手的最愛「氰化物」,它真的有那麼致命嗎?

  • 21:32 吃海鮮「避毒」可以這樣做

1975 年,68 歲的日本國寶歌舞伎演員「第八代坂東三津五郎」曾吃下四份河豚肝,四小時內便一命嗚呼。Evelyn 說明,若食用含有毒素的河豚,人體確實會立即產生中毒反應,因此建議大家,如果擔心食用的海鮮有問題時,可先在口中咀嚼一兩下,若產生刺痛麻痺感,該食品即可能含有毒素,務必將口中食品吐掉。

  • 28:38 海產店吃「塔香西施舌」也會中毒

Evelyn 曾在泛科學文章提及,民國 75 年時曾有國人食用「塔香西施舌」,導致 116 人出現神經性中毒症狀,更有 2 人因此死亡,這即是「麻痺性貝毒」惹的禍。當時因為國內養殖業興起,未建立水質檢測的制度,業者也未察覺藻類增生,導致藻類毒素殘留於貝類,才釀成憾事發生。Evelyn 說明,此後政府單位針對養殖業制定法規,定期做水質監測,便是為民眾的食安嚴格把關。

延伸閱讀:

在海產店吃盤「塔香西施舌」然後就死掉了?——來認識致命的「麻痺性貝毒」

  • 32:28 「燙不死」的河豚與貝類毒素

由於人類常因食用貝類而中毒, 1957 年美國西北大學化學實驗室利用強酸水溶液,從阿拉斯加巨型奶油蚌組織中,萃取出麻痺性貝毒,經實驗純化出各種類似物進行毒性試驗,並將其中強度最高的命名為蛤蚌毒素(Saxitoxin)。此種毒素的結構與特性,類似於河豚毒素,皆屬於水溶性、非生物鹼的神經毒素,並且耐酸、不怕熱,因此無法靠烹調過程「殺毒」。貝類毒素還有下痢性貝毒、失憶性貝毒等種類,國外也有人因此中毒與死亡。

  • 34:54 「吃魚肝補人肝」也可能出事

另一種常見的生物毒素則為熱帶性海魚毒素(Ciguateric Toxins),例如:龍虎石斑魚、笛鯛魚都可能含有此毒素。由於其屬於脂溶性,容易累積在魚類肝臟,較難從外觀察覺,食用時也較不像河豚毒素、麻痺性貝毒會有立即反應,通常會先產生腸胃腹瀉、嘔吐,或皮膚脫皮的現象,而後才會有神經中毒症狀,但過量食用仍有可能加速反應。Evelyn 也提及國人「吃肝補肝」的習慣,導致許多人因熱帶性海魚毒素中毒,建議盡量少食用大型魚類的肝臟部位。

  • 38:38 同種生物的毒性可能有差異

Evelyn 以麻痺性貝毒為例,季節因素可能讓藻類增生,導致較多藻類毒素累積於貝類中,增進其麻痺性貝毒的強度;若該地的海域較髒,產生麻痺性貝毒的風險也會增加。y 編與 Evelyn 也建議想食用海鮮的民眾,必須找有信譽的餐廳用餐,更不要輕易嘗試「捕捉野生海鮮」自行食用;Evelyn 也表示,許多科學家為了找尋「安全品嚐美食」的方法,進而開始研究生物毒素。

  • 42:24 食物中毒該怎麼辦

Evelyn 表明食物中毒時,必須即刻送醫,並留下食用檢體,以供相關單位做事後檢驗。她也提及,現今醫療技術無法立刻解毒,只能提供支持療法,比如遇到呼吸不順暢時協助患者的肺部暢通,或使用活性碳吸附體內的殘存毒素。呼籲聽眾們享用食物時,仍需小心謹慎。她也再次重申「劑量決定毒性」的概念,說明國外亦有實驗使用河豚毒素,發展局部麻醉劑,可見毒素並非「一定毒」,也可能有其他應用。

延伸閱讀:

你愛吃細菌也愛,那你該擔心什麼?——談台灣近年來的食物中毒


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既是科學家,也是樂團鼓手!──專訪數學物理學家程之寧

研之有物│中央研究院_96
・2022/03/11 ・5978字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|郭雅欣、簡克志
  • 美術設計|林洵安、蔡宛潔

在學術與搖滾的多重維度上行走

還記得美劇《The Big Bang Theory》嗎?劇中常常出現的物理名詞「弦論」,是描述物理世界基本結構的理論。中央研究院「研之有物」專訪院內數學研究所程之寧研究員,她正是研究弦論的科學家,也是熱愛音樂的搖滾樂團鼓手,這種跨領域身份並不衝突,兩邊都需要創造力與紀律。由於天生斜槓的性格,讓程之寧在數學和物理領域大展身手,透過數學的深入探討,她試圖將弦論更往前推進。最近程之寧更跨足到人工智慧領域,為學界提供理論物理上的貢獻。

中研院數學所程之寧研究員,主要研究 K3 曲面(特殊的四維空間)的弦論,她發現模函數和有限對稱群之間有 23 個新的數學關聯,稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。圖/研之有物

萬有理論和難以捉摸的「月光」

世界從那裡來呢?物理世界的本質是什麼呢?回答這樣的大哉問,一直是理論物理學家所追求的目標。從牛頓力學(日常應用)、廣義相對論(探討很重的物質)到量子力學(探討很小的物質),隨著物理學不斷發展,我們似乎一步步接近答案,但至今卻還未走到終點。

舉例來說,如果有個東西很重又很小,就像「黑洞」,或是大爆炸時的宇宙,我們要怎麼用數學描述?於是科學家試圖整合廣義相對論和量子力學,找出所謂的「萬有理論」(Theory of Everything)──能完全解釋物理世界基本結構的核心理論。

程之寧研究的「弦論」就企圖發展成這樣一個萬有理論。弦論一如其名的「玄妙」,它設定宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。

「人類一直以來的夢想之一就是,如果能用一句話解釋所有事情,那該有多麼美好。」中研院數學所研究員程之寧說道。

程之寧的研究牽涉到數學上的「月光猜想」(Moonshine)與弦論中 K3 曲面的連結。月光猜想是存在於模函數係數與特殊群之間的數學關聯,程之寧與其研究夥伴共發現了 23 個新的關連,並稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。

基於弦論的假設,我們的世界是十維的,除了人們在日常生活中可以感知到的 3+1 維(空間+時間),還有六維是因為尺寸太小而無法用肉眼觀察的,這些看不到的維度影響著物理世界,最終也產生了我們這個物理世界所需的各種條件與特性。

綜觀程之寧的研究,橫跨了物理與數學兩個領域,她笑稱自己「天生斜槓」。在學術上,程之寧原先喜歡文學,之後卻走上數理研究的道路;在音樂上,程之寧喜愛搖滾樂,至今仍在自己的樂團裡擔任鼓手。

她如何看待自己一路走來的各種轉折?游徜在數學與物理之間,她又對這兩個領域的連結有怎樣的體會?在與「研之有物」的訪談中,程之寧侃侃而談她的經歷、想法,以及對學術研究的熱忱所在。

在弦論的設定中,宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。圖/iStock
  • 請問您是如何對數學及物理產生興趣?從何時開始?

一開始考大學時,其實我想去念中文系(笑)。不過,因為我高中是選理組,而且只念了一兩年,對文科考試比較沒把握,加上對工程科系沒興趣,最後就選擇臺大物理系就讀。

後來發生兩個轉折,第一個是我很認真的去修了大學中文系的課,結果發現真的沒有想像中容易。第二個就是我發現物理系的課還蠻有趣的,像量子力學和相對論,讓我覺得還想再多學一點、多知道一點。

我開始覺得如果念完臺大物理系就停下來,好像有一種小說沒讀完的感覺,所以就想繼續讀碩士班。那時還沒有覺得自己會走上學術研究的路,單純抱著想把故事看完的想法。

  • 後來是如何接觸到弦論?弦論是如何引起您的興趣?

後來我去荷蘭念碩士,指導教授是諾貝爾物理獎得主 Gerard ’t Hooft。他其實蠻不認同弦論,但他對於如何處理量子力學與相對論很有興趣。

當時 ’t Hooft 教授在建議我碩士題目時就說:「你也知道我不太認為弦論是一條正確的道路,不過聽說弦論最近真的在量子重力這一塊有一些成果。不如妳去讀一讀,看看是不是真的有一些東西在那裡,也可以比較一下其他量子重力理論。」

在我很認真的比較各個量子重力理論之後,就變成弦論派了(笑)。’t Hooft 教授對此也保持開放態度,他有幾個不錯的博士生後來也變成弦論學家,之後我在 Erik Verlinde 的指導下念博士時,就完全以弦論為研究主題了。

  • 研究理論物理會影響您對現實世界的理解嗎?

蠻多人會問我說,妳學了量子力學,是不是就會比較了解這個世界不是非黑即白?或問我量子力學跟宗教是不是有關?可是我覺得我分得很開,我不會去做這樣的連結,我還是活在現實裡,走路時大部分都在專注於自己不要跌倒之類的。

如果真的要講,我蠻感激我們的存在,因為我所學的東西讓我知道這是沒有必然性的。我們能這樣以一種人形的很奇怪的生物的形式存在,然後在這樣一個環境過一輩子,是機率很低的事情,而且我還蠻開心我是當人,而不是奇怪的阿米巴蟲或外星生物!有些人會從這裡連結到宗教或轉世,但我不會,我就停在這裡。

  • 來談談您的研究,伴影月光猜想與 K3 曲面弦論之間是什麼關係?

弦論中有很多的可能性,我們可以挑選特定的四維,然後假設這四維空間是個 K3 曲面。例如說,我們可以把兩個甜甜圈乘起來,在上面做特殊的奇異點,來製造出一個 K3 曲面。這個曲面有一些很有趣的對稱性。從弦論的角度來講,我們可以透過這個過程,找出一個解釋為何有伴影月光猜想的框架。

「把維度乘起來」這個概念很難想像,但這在數學上是成立的。我舉例一個我們能想像的「乘起來」:如果有一個空間是一條線,另一個空間是一個圓,乘起來就變成一個圓柱形,從一個方向剖面可以切出圓,另一個方向則切出線。而在數學上,不管幾維,能不能在紙上畫的出來,都可以這樣操作。

程之寧向「研之有物」採訪團隊解釋「把維度乘起來」的概念。圖/研之有物
  • 如何透過計算,發現捉摸不定的「月光」?

有時候這看似湊巧,一個數學上的函數正好就是弦論某個問題的答案。但其實並不是真的那麼巧,弦論看起來很有彈性,好像什麼都可以解釋,但它其實有非常多結構及限制。

當我在計算一個弦論理論時,它的內部結構可能原本就具有某些特定的性質,然後我再去觀察數學中,有這樣性質的函數可能就只有一兩個,只要再初步算一下,就能知道哪一個是答案。弦論學家日常的計算常常是這樣的,所以這是巧合嗎?是也不是。

  • 您曾經發現 23 個新的伴影月光猜想,您對這類題目特別有興趣嗎?

我覺得數學有兩種,有些數學家喜歡系統性的事情,就像蓋房子一樣,在數學裡建造一個很美麗、非常有系統性的結構,可以把很多事情都放入這個結構來理解。

另一種比較少數的,就是喜歡獵奇,去收集分類奇奇怪怪的特殊東西,例如有這些性質的函數在哪裡?可能你算出來就是 5 個,你也不知道為什麼。月光猜想很明顯就屬於這一類。

兩種的樂趣感覺是不一樣的,我覺得應該都很棒,但我可能是屬於偏好獵奇的這種。

  • 您的研究連結了物理上的弦論與數學上的月光猜想,您怎麼看待這兩個知識體系的互動?

弦論是一個需要很多數學理論配合的物理理論,它是一個有點繁複的框架,我們什麼都要會一些,才能看懂這個理論。當你把許多不一樣的學門的知識加起來,有時候就會在某一個學門──例如幾何──有意想不到的收穫。

弦論在數學上也扮演探索與找尋新方向的角色,讓數學家有新的發現。雖然最後數學定理的證明還是得仰賴傳統數學方法,但在這二三十年間,我們一直從弦論身上找尋數學研究的新方向或有趣的猜想,看到了弦論與數學之間的互動。

數學家有兩種,一種人喜歡建立美麗又有系統性的結構,另一種人喜歡尋找和收集奇怪特殊的數學物件(比如函數),程之寧表示自己屬於後者。圖/研之有物
  • 剛才一開始提到,您高中只念了一兩年,是因為對學校沒有興趣嗎?

其實我一直都覺得上學很無聊。我小時候臺灣教育和現在很不一樣,一班 50 幾個人,老師必須盡量軍事化管理,大家最好都一模一樣,比較好管理。我和學校一直處於互相磨合的狀況,我自認已經努力配合學校,但學校一直覺得我在反抗,這可能是一個認知上的差別。

舉例來說,我小學的時候不想睡午覺,可是老師說大家都一定要睡午覺,不睡午覺的人要罰抄課文,所以我早上到學校時就會把已經抄好的課文交給老師。我覺得我這樣做是在配合老師的規定,可是以老師的立場會覺得我在反抗,學校教育中我遇到了很多類似的情況。

還有就是不喜歡高中的升學氛圍,同學和老師好像都只有一個活著的目標,就是「考大學」。我當時無法習慣升學氛圍,感覺好像活在平行宇宙一樣。

  • 高中休學後,您去唱片行工作,可否談談當時的想法?

我國中開始聽音樂,這是我除了看書之外的重要興趣,我也很快就喜歡上了搖滾樂。高中休學的時候,我唯一的謀生技能可能就是我對音樂的各類知識吧!所以我就去了唱片行,這是唯一一個我會做又有興趣的工作,還好那時候還有很多唱片行(笑)。

  • 對音樂的熱忱,讓您與朋友共組了樂團,並擔任鼓手。您是否比較過樂團生活和學術研究之間的異同之處?

有些人覺得我這樣很跳 tone,但我自己覺得還好。音樂和學術都是我發自內心覺得好玩的東西,兩者也有相同之處,例如它們都需要創造性,也都有需要了解的框架。數學需要嚴謹的證明,音樂演奏也需要遵循結構,例如不能掉拍。

音樂領域還有一點和數學類似──玩樂團的圈子也是以男性為主。我們樂團則是只有一個男生,其他都是女生,可能我真的天生對框架有點遲鈍,玩團之後才發現:「怎麼大家都是男生?」

程之寧表示,學術界仍有許多性別不平等問題未受重視。圖/研之有物
  • 也就是說,目前數學學術圈仍是男性主導,在研究路上,您有因為性別而感受到一些衝擊或眼光嗎?您怎麼面對?

有。那感覺很明顯,日復一日地要去面對,尤其是年紀還比較輕、還必須每一天去證明自己的能力的時候,特別有感。

我遇到時的反應就是,在心裡暗罵一句髒話,然後繼續做我要做的事。我不會想改變別人的想法,感覺那是浪費時間,就算環境給我的阻礙是這樣,我還是繼續去做該做的事。

可是有些事情沒那麼簡單,現在我也當過老師,有時候會看到年輕女生在學術界因為性別而被欺負,或遭到不公平待遇、甚至騷擾。

對此我感到心痛,覺得為何我們學術領域還是這樣的狀況?甚至為什麼性騷擾至今還是一個議題?可以確定的是,學術界許多性別不平等問題未受到重視。

  • 您現在已經有傑出的研究成果,還會因為性別而遭受質疑嗎?

我現在比較會遇到一個狀況反而是來自學生的質疑。我在荷蘭阿姆斯特丹大學教書時,有時候學生會因為我是女教授,而且我的外表在許多歐洲人眼中看起來就像小妹妹,所以比較容易去挑我的毛病。

在課堂上,下面坐的可能都是男學生,只有一兩個女學生,那個氣氛就會變得很奇怪。例如說偶爾會聽到學生評論我的身材或樣貌。

我有和其他一些在歐洲或美國的女性教授聊過這樣的問題,似乎不少人都有類似的不太愉快的經驗。感覺不是很好。

  • 看到您最近的研究和人工智慧(AI)有關,為何會想往這個方向發展?

我有兩個動機。一個就是我真的想深入了解人工智慧。我也可以像普羅大眾,看看 AI 下圍棋,讚嘆「哇!好厲害!」這樣就好,可是我覺得我一定可以真的去理解它,這可能就是數學家的自大吧!

另一方面,我知道對科學研究來說,未來 AI 將會是一個非常重要的工具。這是「在職訓練」的概念,我可能會用到這個新工具,或以後我可能會需要教這樣的課,因為學生是下一代的科學家。因為這些原因,我覺得我需要去訓練自己使用新的工具。在我的領域裡,也有一些有趣的、還沒被解答的科學問題,是 AI 有可能幫得上忙的,我看到了一些潛力。

  • 弦論和 AI 感覺差距很大,AI 也可以應用到弦論的研究嗎?

乍看之下,弦論的確比較抽象,也不像其他許多實驗會產生大量數據。但其實弦論有大量的可能性,我認為使用 AI 來在這些巨量的可能性當中搜尋特別有趣的理論,是一個有潛力能夠加深我們對弦論理解的新的研究方法。

而且 AI 的應用絕不僅限於巨量資料。如果是面對一些比較新的挑戰,在沒有現成的演算法可以用的情形之下,可以自己做出需要的功能嗎?這過程我覺得也非常很有趣,而且應該是會有成果的一條路。這種不是那麼顯而易見的事情,我覺得很有挑戰性,也蠻好玩的。

除了用 AI 來幫助物理跟數學的研究之外,我也試著物理研究當做靈感來源,找出新的 AI 的可能性,我覺得這也是一個很有趣的研究方向。我現在有和 AI 的學者合作,嘗試做出一些創新的演算法,真的還蠻有趣的。

  • AI 對您而言是全新的領域,您如何面對跨領域遇到的門檻?

一開始會覺得真的要去碰這個新的領域嗎?其實現在也還是偶爾會有這樣的懷疑。我在弦論領域可能已經是專家,但去了一個新的領域,我學得不會比二十歲的人快,要怎麼去跟人家競爭?是不是在浪費時間?

但也會想,與其想這麼多,不如先做再說。到目前為止我做了兩年多,感覺還蠻好的,我有學到東西,也有做出小小的貢獻。

其實我還蠻感激有這樣的學習機會。對我來說當科學家最大的好處就是,去搞懂一個新的東西就是工作的一部分。當科學家雖然蠻辛苦,但就結果論來說,我還蠻開心能當一位科學家!

延伸閱讀

  1. Moonshine Master Toys With String Theory | Quanta Magazine
  2. Mathematicians Chase Moonshine’s Shadow | Quanta Magazine
  3. 林正洪教授演講 一 怪物與月光(Monster and Moonshine),《數學傳播》

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook