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寶傑,你說說看鈉有多恐怖?

活躍星系核_96
・2013/12/02 ・2803字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 478 ・五年級

文 / 邱韻如(長庚大學通識中心、科學月刊編輯委員)

寶傑在2013年11月28日晚上的關鍵時刻與幾位來賓談鈉奶殺嬰事件。節目中講解了一些科學名詞及做了幾個科學實驗,讓觀眾瞭解『鈉』有多恐怖。

氯化鈉不是鈉

鹽巴的成分是氯化鈉,小緗緗的病名是高鈉血症,這個不幸的事件,讓『鈉』成了致死的字眼。不到三個月的緗緗,因為吃了含鈉太高的奶粉而致死,螢幕上打出『一天35公克鹽巴吃下肚,小緗緗竟死在伯母心狠手辣!?』

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一天35公克鹽巴是怎麼算出來的?來賓西屏說,「最後一罐奶粉,100公克的奶粉裡面,驗出6千毫克的鈉,如果以一天喝八次,一天就會喝下35公克的鹽。」這裡所謂的6千毫克的鈉,應該指的是6公克的氯化鈉,鈉和氯化鈉是不同的,不能把氯化鈉簡稱為鈉。

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寶傑拿出一個60cc的奶瓶,加入兩湯匙的奶粉後,加了4點多公克,將近5公克的鹽巴。寶傑試喝一下,皺了皺眉頭說很鹹,說這個鹽度大概比海水的鹹度要鹹許多。一般海水的鹹度大概是1000公克海水裡含大約35公克的鹽類,寶傑泡的奶,的確是比海水鹹很多很多。

傷口上灑鹽?

牛津大學化學博士陳耀寬說,就像洪仲丘,因為沒喝水,身體的鈉過高,造成高鈉血症。他說高鈉血症與滲透壓有關係,講解滲透壓:

滲透壓就是說,海水他比一般身體血液的濃度還要高,你喝進去的鹽水,這時細胞裡面的水分就會滲透出來,細胞就乾掉扁掉了。脫水,就好像我們的器官,緗緗的器官就好像喝了大量的鹽巴,不僅是泡在鹽巴水裡面,器官是衰竭,器官是收縮是乾扁的。因為他的水分都滲透出來,滲透壓的關係。

陳博士繼續解釋,他說:

器官泡在鹽水裡,就好像醃蘿蔔,現在緗緗就好像一條蘿蔔,因為人體的血液裡面,人體的這個水分裡面,大概70%就是水分了,緗緗這麼小的嬰兒,大概80%,就好像一條小蘿蔔用鹽巴去醃,各位知道,醃蘿蔔像什麼樣子嗎?

到底他們是要用蘿蔔來代表緗緗,還是她的器官?還是細胞?我很疑惑。我以為他們會拿出一條蘿蔔當場來醃,正猜想說他們是要把鹽水灌入蘿蔔裡,還是把蘿蔔泡在鹽水裡,沒想到他們拿出來的是青江菜?!我當場傻眼了,用青江菜取代蘿蔔,這未免也差太多了吧?那你們為何不直接講醃青江菜,幹嘛扯到醃蘿蔔?既然講蘿蔔,就該去買條蘿蔔來啊!

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陳博士一邊做實驗一邊說,我們今天沒有買蘿蔔,就用青江菜,他在青江菜上灑鹽,然後開始搓搓及捏捏,讓觀眾看到青江菜的水分被擠出來。不是說泡鹽水嗎?怎麼變成灑鹽,還努力的擠?

各位看一下,有沒有,滴出來了,就滴出來了,這麼多。所以它滴出來之後就扁掉了乾掉了….

從螢幕上,我沒有看清楚青江菜是不是立刻乾掉扁掉。寶傑在一旁回應:等於說我一加水,因為鹽分滲透的關係,我就把裡面的水給吸出來了。所以我如果吃很多鹽巴,然後我身上的水會被抽出來,難怪她會抽搐。

陳博士接著說明,除了抽搐發燒之外,她還會痙攣,哭聲是非常尖銳的,就像酷刑一樣,例如在傷口上灑鹽巴,又讓她曝曬到陽光底下,就是那種感覺。

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用傷口上灑鹽來當例子,是要形容痛苦的程度,從『喝鹽奶』到『醃蘿蔔』到『在青江菜上灑鹽』,延伸到『在傷口灑鹽後還曝曬在陽光下』,用這樣的例子來說明,實在比在傷口上灑鹽還令人心痛哪!

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接著拿出兩碗鮭魚卵來講解,一碗泡鹽水說會乾扁收縮,一碗泡淡水說會膨脹,來說『這就是滲透壓』。鮭魚卵泡鹽水會乾扁收縮,看來是呼應要前面的青江菜灑鹽實驗,但泡淡水會膨脹,讓我想問,那我喝淡水,我的細胞會膨脹嗎?

恐怖的鈉?

來賓創夏接著上場,講解把鈉加到水裡有多恐怖。這個把金屬鈉加入水中的實驗其實許多人在國中的時候都學過,但是創夏還真是有「創意」,他說:如果把鈉加到你的細胞去,因為我們身體裡面70%都是水,你的細胞是一個一個被炸毀的,所以才會這麼慘。

「炸毀」?我差點從沙發彈起來。細胞如何被炸毀呢?他用一段影片來教學,他說:

美國的科學家告訴我們會怎樣,這是一個40加侖的水桶,一個人跑過來丟一點點的鈉,桶子就爆了。…當鈉進去之後,會快速的跟水反應,然後立刻放熱。水就膨脹就裂開。

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他似乎以為是水分子受熱膨脹而炸開,進而連結到身體的細胞會因喝了超鹹奶而一個個被炸毀。天啊,剛剛不是才說會乾掉扁掉?我在想,國中學生在學這個實驗時,會不會和他一樣,以為是水分子被炸爆開?

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更勁爆的在後面,創夏接著說:

還有更可怕的,其實那個鈉裡面,如果是鈉離子,跟你身體的水一結合,那是最強烈的腐蝕劑。我們知道腐蝕裡面酸,硫酸,你加一點硫酸,你的手都已經完蛋了,跟硫酸相對的,我們知道從小學的就是氫氧化鈉,就是鈉離子加上水之後,氫氧化鈉那是強鹼,照樣把你身體裡面的細胞全部給腐蝕。所以她會有腎衰竭,有各種狀況,…

創夏似乎以為鈉離子比鈉還恐怖,不知道金屬鈉和鈉離子不能混為一談。金屬鈉和水會產生激烈的反應,但鈉離子在日常生活中常見,例如鹽巴溶解到水裡面,就分解為鈉離子和氯離子,這時的水和鈉離子,是不會結合為氫氧化鈉的,大家可以放心,平時還是可以用鹽水漱漱口,可以喝鹹的湯啦。

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小結:別聞『鈉』色變!

不知道是誰最早把這個被加入鹽巴的奶粉稱為『鈉奶』,可能是『高血鈉症』裡的『鈉』字的關係。若用鹹奶或鹽奶,聽起來就沒有鈉奶那麼恐怖,或許比較不會產生不該有的迷思。

對於一般民眾來說,鹽巴是日常生活裡熟悉的東西,但是『氯化鈉』聽起來就難懂多了。因為『鈉奶』,讓寶傑他們連想到『鈉金屬加入水裡』及『氫氧化鈉有腐蝕性』這兩個國中程度的化學知識,誤以為因為喝鹽奶會導致細胞炸開及腐蝕。不知道牛津大學的化學陳博士有沒有糾正他們?更不知道還有多少學過國中理化的老百姓跟他們有一樣的連結,或是看了他們的節目後,聞『鈉』色變?

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寶傑的這堂課,配合時事請好幾位專家講解科學,輔以實驗及影片,是相當精采的安排,可惜內容錯誤百出,有許多誤導。

在課堂上做實驗,很好,但說的是蘿蔔,做的卻是青江菜,這樣的取代,是否恰當?是否有助於教學?還是更助長迷思?更何況在這裡,用蘿蔔也還不是十分恰當。影片教學亦然,這一段影片很精彩,但卻不能用來講解這次鹽奶致死的原因,更不能把鈉離子和鈉混為一談。這也讓我們想到在教學上所做的示範實驗或輔助媒體,是否能真切的幫助學生瞭解所要學習的內容,還是製造更多的迷思與誤解,不可不慎哪!

日常生活裡不可或缺的鹽巴竟能致人於死,在於過量。節目應該要讓民眾知道吃過鹹又少喝水會對身體有何危害,以及為何在海上求生時不能喝海水解渴,而不是把『氯化鈉』、『鈉』、『鈉離子』和『氫氧化鈉』混為一談來危言聳聽。

民眾常因對一些科學名詞的不瞭解而導致無謂的恐懼,因此媒體的責任應該試幫助民眾瞭解與認清這些科學名詞,而不是嘩眾取寵,製造更多的恐懼。更重要的是,還是該找位真正的專家先審定一下節目的科學內容吧!

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「關鍵時刻」11/28完整內容

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 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?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

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。

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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:

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  • 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

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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?

圖形處理的例子

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。

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典型的CPU與GPU架構

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?

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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?

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(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)

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。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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鹹味小知識:蜜蜂比較喜歡鹹鹹的花蜜?
椀濘_96
・2022/04/26 ・3413字 ・閱讀時間約 7 分鐘

民以食為天。日常裡,我們習慣以鹹食作為正餐,可想而知,鹹的味覺感知一定有著其必要性,使得我們懂得去尋找並補充帶有鹹味的食物。

食鹽長怎樣?

聰明的你或許已經想到了!關於鹹味,那就不得不提——鹽。

現代人類在食物中添加鹽作為調味劑,統稱為食鹽。我們常使用的餐桌鹽為一種含有 97~99% 氯化鈉(NaCl)的精製鹽。

常見的食鹽,餐桌鹽。圖/維基百科

氯化鈉是一種常見的離子化合物,在多數情況下呈現白色粉末狀,其結晶為半透明的立方體;其內部結構為史上第一個測試的晶體結構,由帶正電荷的 Na+ 和帶負電荷的 Cl所組成。Na+ 與 Cl在相互垂直的 3 個方向平面上,以 1:1 的比例均勻分布,如下圖所示。

圖中的綠色圓球為氯離子(Cl-),紫色為鈉離子(Na+)。圖/維基百科

鹽含有維持生理機能的所需物質,除了用來增添風味、滿足口腹之慾以外,也能讓我們從中獲取所需的營養。適當攝取氯化鈉對健康有許多好處,不僅有助於使肌肉鬆弛,也能幫助細胞吸收養分。

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而氯化鈉當中的鈉離子,更是在人體中扮演著重要角色!

「鈉」很重要,「鈉」很重要,「鈉」很重要!

鈉離子為體液中重要的電解質,可以維持神經和肌肉正常活動;血液中的鈉離子濃度影響著神經傳導物質的信號;而鈉離子也幫助代謝、維持體內滲透壓,以及穩定酸鹼平衡等重要生理活動。

除此之外,鹹味的感受主要也是透過鈉離子觸發的

這邊我們額外提一下,味覺的感受可分為兩種:一種是透過 G 蛋白耦合受體獲得的,也就是讓味覺感受器及味道分子耦合味蕾上的 G 蛋白味導素(Gustducin),進而產生甜味、苦味、鮮味;另一種則是離子(如:H+、Na+ 等)通過味覺細胞上的離子通道,導致細胞的膜電位產生變化,進而引發神經刺激,產生酸味和鹹味。

酸與鹹的感受像是離子通過安檢閘門;而苦、甜、鮮則像是積木,需兩兩吻合才能結合。圖/NIH[1]

回到鹹味的感受,當鈉離子經由味覺細胞頂端微絨毛表面的鹹味受體——上皮鈉離子通道(epithelial sodium channel)進入細胞後,就會造成細胞內的膜電位改變,促使味覺細胞釋出神經傳導物質,刺激感覺神經末稍,將神經動作電位傳達至腦部,感受出鹹味。

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人體一旦缺乏鹽分,或者說是缺乏鈉時,會造成體內電解質失衡。頭痛、暈眩、懶散等初期症狀較不易察覺;然而,嚴重的話,則可能引發肌肉痙攣、血壓下降,甚至心臟衰竭而死亡。

另外,我們也需要知道,不只是人類,對於所有動物而言,鹽分的攝取是非常必要的。

只要是動物都需要鹽哦!

動物如何攝取鹽分與飲食方式有關。牠們會想方設法尋覓鹽分,如肉食性動物可透過捕食獵物獲得,肉品中的鈉含量足以供牠們維持生理運作;然而,植物無法提供足夠的鹽分,因此,野外的草食性動物會大群移動、遷移尋找有鹽分的地方,如鹽土、天然礦鹽等,而圈養型的飼主則需提供鹽磚,讓動物透過舔舐含鹽物質,滿足自身所需的營養。

野外的草食性動物會大群移動、遷移尋找有鹽分的地方,如鹽土、天然礦鹽等。圖/Pixabay

當然,那些在植物周圍打轉的昆蟲也不例外——牠們亦須設法獲取鹽分。

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近期,皇家學會(Royal Society)《生物學報》(Biology Letters)發布了一篇與動物攝取鹽分相關的報告。研究發現,蜜蜂這類會幫助植物授粉的物種(pollinator,可譯為傳粉者)會在吸食花蜜時,選擇含鹽量較高的植物,藉此補充自身所需的鈉。

蜜蜂比較喜歡鹹鹹的花蜜?

過去就有研究表明,蜜蜂主要吸食的花蜜僅含有少許營養素,而所採集的花粉中,主要為鉀、鈣、鎂等礦物質,其含量在夏秋兩季之間會有所不同。

由此可知,僅靠花卉飲食並不足以維持個體生命,甚至是支撐起整個蜂群,因此蜜蜂會透過其他攝食方式來補足所需的礦物質,其中則包括鈉。例如:比起在乾淨的水源中覓食,蜜蜂反而更喜歡「骯髒」(這裡的骯髒是指富含化合物)的水,又或者是食用腐爛的水果、肉品,從中取得鈉。上述兩個例子也在實驗中發現,比起攝取其他礦物質,蜜蜂更偏愛鈉

綜上所述,再回到生物學報上的研究報告,該研究團隊試著證明比起髒水及腐食,花蜜中的鈉含量若是足夠,或許也會受牠們青睞,進而從中獲取營養。於是,團隊提出了這樣的問題:「花蜜含鈉量的多寡,是否會影響蜜蜂吸食時選擇的花卉?」換句話說,就是「含鈉量越高的花蜜,是否更能吸引蜜蜂拜訪?」

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含鈉量越高的花蜜,是否更能吸引蜜蜂拜訪呢?圖/Pixabay

實驗過程及結果

該研究團隊選擇了五種原產於佛蒙特州(該實驗室位置)的開花植物,其中包括蓍草和紫錐花,並種植在面積約一個籃球場大的溫室裡。

在每個溫暖、有陽光、適合授粉的日子裡,研究人員都會使用微型手動泵,將原有的花蜜從花中吸出,改以含糖溶液代替。每一種植物中,有一半被注入含有 1% 鹽的人造花蜜,而另一半則不含鹽;隨後,全天觀察植物,追蹤前來拜訪花朵採蜜的蜜蜂、螞蟻和蝴蝶。實驗從 2021 年 7 月開始進行,為期一個月。

實驗結果發現,對於任一種花而言,被含鹽花蜜的花所吸引的各類傳粉者,為僅含糖的兩倍;進一步說明,花蜜中的鈉含量多寡,確實影響了傳粉者對於花卉個體的選擇。

現代植物已經演化出許多種方法來吸引傳粉者,其中包括產出含有傳粉者必需的營養物質之花蜜,吸引牠們前來幫助授粉。

鈉是傳粉者必需的礦物質。考量到植物的花蜜中通常含有少量鈉,而在同一物種中,鈉的含量可能因個體而異,加上現階段關於花蜜與傳粉者間的相關研究較少;因此該團隊人員就實驗結果討論出:花蜜中的鈉可能在植物—傳粉者相互的生態和演化中,發揮著重要但仍未被重視的作用

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實驗結果發現,花蜜中的鈉含量多寡,確實影響了傳粉者對於花卉個體的選擇。圖/Pixabay

結語

筆者認為,動物均有尋找鹽分的能力,若花蜜中含有足夠的鈉,那麼就近取得確實容易許多,似乎就不用倚靠其他方式來攝取鈉。筆者也期待未來能有更深入的研究,進一步確認兩者間的相關性,甚至是演化趨勢。

最後,不忘提醒讀者,現代社會中鹽分的攝取非常容易,人類膳食中大多數的鈉來自食鹽,而在一般情況下,人體所需的鈉含量不易缺乏。根據世界衛生組織建議,成年人每天應攝取少於 2,000 毫克的鈉,相當於 5 公克的食鹽。因此,在享用美食的同時,應謹記鹽攝取量不宜超過每日所需。高鹽飲食可能出現高血壓、中風、心臟病等健康危機。

註解

  1. Purves D, Augustine GJ, Fitzpatrick D, et al., editors. Neuroscience. 2nd edition. Sunderland (MA): Sinauer Associates; 2001. Taste Receptors and the Transduction of Taste Signals.

參考資料

  1. Pollinators like their flowers with a dash of salt—Science news
  2. Finkelstein Carrie J., CaraDonna Paul J., Gruver Andrea, Welti Ellen A. R., Kaspari Michael and Sanders Nathan J. (2022). Sodium-enriched floral nectar increases pollinator visitation rate and diversity. Biology Letters. 18:20220016
  3. Bonoan, R.E., Tai, T.M., Tagle Rodriguez, M., Feller, L., Daddario, S.R., Czaja, R.A., O’Connor, L.D., Burruss, G. and Starks, P.T. (2017). Seasonality of salt foraging in honey bees (Apis mellifera). Ecological Entomology, 42: 195-201.
  4. Dorian, N.N. and Bonoan, R.E. (2021). Stingless bees (Apidae: Meliponini) seek sodium at carrion baits in Costa Rica. Ecological Entomology, 46: 492-495.
  5. Insects & Pollinators
  6. 新竹市立動物園—草食動物營養知識 / 需要吃鹽?
  7. 鹽的故事:妙不可「鹽」–鹽的重要性與應用—科技大觀園
  8. 味覺產生的分子機制上(Taste)—科學 Online
  9. 味覺產生的分子機制下(Taste)—科學 Online
  10. 氯化鈉—科學 Online
  11. 食鹽—維基百科
  12. 氯化鈉—維基百科
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不是胖,只是水腫?了解「易腫」的因素和改善方法——《帶你爽吃美食又能瘦,才是營養師!》
如何出版
・2019/12/01 ・2226字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

  • 作者/ Emma 周佑庭

我有一位好姊妹,時常睡眠不足;又因為被好多人說發福了,於是晚餐,完全不碰澱粉;加上連日行程暴增,最近都沒時間運動。雖然她只胖了 0.5 公斤,看起來卻肥了一大圈!

哇,胖了。圖/GIPHY

我們的身體組織中有 50∼70% 的水,它能幫助體內代謝的運作。但當組織間隙的水分異常蓄積時,便會引起腫脹不適,特別在眼皮、下顎處、手臂、小腿、腳踝等處,也就是所謂的「水腫」。

排除因腎臟病、心臟衰竭、肝硬化、局部靜脈堵塞或藥物引發的狀況,大多的水腫是因營養失衡、活動不足、生理狀況所引起的非病態性水腫。「非病態性水腫」有幾個特徵,包括血液生化數值都正常、久壓皮膚後,凹陷處很快會回彈、與生活習慣有關,20∼40 歲的女性較常見。

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水分鬱積的情況是即使沒有多吃,體重仍會增加 0.5∼1 公斤,甚至有些人會到 2 公斤。與其說變胖,我覺得變腫更能形容這種窘境。以下,讓營養師帶你了解有哪些易腫因素和改善方法。

如果水腫是因為「營養失衡」

鈉是鞏固組織間隙水分的物質,攝取過度的鈉,會讓液體滯留,造成水腫。

衛福部建議成人一天的攝取量為 2400 毫克。扣除從蔬菜、乳製品、肉類等天然食材攝入的 400∼600 毫克,平均一餐約剩下 600∼700 毫克的額度。

圖/pixabay

許多人都以為鹽、醬油、烏醋、沙茶醬、番茄醬等調味料,或者酸梅、泡菜、酸菜等醃製品,以及餅乾、罐頭、泡麵、零嘴、起司、湯品等鹹味食物才有鈉,其實部分甜味或鹹甜的零食、肉乾、麵包也會加小蘇打或其他添加物,鈉含量也不容小覷。像是大的零卡果凍(1 個)、半包 OREO 餅乾、豬肉乾(4 片)、肉鬆麵包(1 個)、花生夾心吐司,也含有約 200∼350 毫克。

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此外,蛋白質也會影響身體的水分平衡,攝取不足或消耗增多時也會誘發水腫。

尤其是減重者怕胖而吃太少肉,或過度勞累會損耗身體蛋白質;加上澱粉攝取不足,吃進的蛋白質改以供給熱量為主,讓整體蛋白質的供需不佳,浮腫容易變得更嚴重。

飲食上可以怎麼做選擇呢?圖/GIPHY

縱使外食者很難避開鈉的重重陷阱,但盡量選擇少加工、少調味的餐點,並且搭配可促進鈉的排出、富含鉀的食物,或多或少能有些補救:

  • 高鉀澱粉:山藥、皇帝豆、南瓜、馬鈴薯、芋頭、蓮藕等。
  • 高鉀蔬菜: 菠菜、大陸妹、空心菜、韭菜、綠花椰菜、芹菜、地瓜葉、金針菇等。
  • 高鉀水果: 木瓜、奇異果、小蕃茄、草莓、哈密瓜、西瓜、泰國芭樂、棗子等。

另一方面,記得搭配一餐 1 手掌心的肉類(手掌不包含手指的區塊),一天最少吃 0.5∼1 碗的飯或麵,能緩衝因營養失衡而造成的水腫。

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如果是因為「活動不足」而導致水腫

長時間的站立或坐著都會導致血液循環不佳,讓腿部的水分無法順利回流,一整天下來,下肢會特別浮腫,到了晚上腳掌可能會比早上大上半至一號。

圖/GIPHY

想要改善這樣的下半身水腫,我推薦這三種舒緩方式:

  • 夜晚抬高腿部

晚上平躺在床上,使用枕頭、坐墊、瑜伽墊或毛巾等柔軟物品,把腳踝墊高 10∼15 公分,略高於心臟即可幫助血液回流、腿部放鬆。

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若是配合足浴(泡到腳踝、小腿肚、膝蓋都可以),舒緩效果會更好。在泡腳時,從腳跟往大腿的同方向按摩,能讓血液回流得更快速!

  • 穿彈性襪

必須久站久坐的工作者,可穿彈性襪來對腿部適當加壓,協助下肢血液回流。如果能選擇壓力從腳踝往小腿遞減,分段式加壓的彈性襪更合適。

襪子的丹數僅表示織品的重量單位,並不能決定加壓力道;能決定加壓程度的,是材質及編織方法。建議購買壓力最輕的醫療級產品,免得不適宜的襪子反而讓血液循環更差。

  • 適量活動

當腿部肌肉的收縮力較佳時,血管回彈力也會進步。保持血液流動順暢,更可讓小腿纖細哦!比如我個人推薦下班時早兩∼三站下車,或邊看電視邊原地踏步等,都是不花錢也不需器材的好方法!

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還有一些「生理狀況」可能也是水腫原因

圖/pixabay

  • 有些女生在生理期,或懷孕時下肢水腫,這些都是雌激素所誘發的。

雖然飲食和日常的改善程度有限,但上述的方法應該還是能稍稍減少不適。

  • 另外,如果長期飲食中缺碘、或慢性自體免疫甲狀腺炎,都有可能讓甲狀腺功能低下而造成水腫。

如果最近有消化不良、腹脹便秘、記憶衰退、體重增加、持續疲憊、心跳變慢等狀況,建議至家醫診所進一步檢查,有沒有甲狀腺功能異常的狀況。

  • 另外,水腫和飲水量沒有太大的關聯

水腫是組織間液體的調節失常,正常人喝 2000∼3000 毫升的水都沒問題。假如喝水會水腫,大多是吃太鹹或隱藏鈉的加工食品,而讓體內的鈉過高、水分滯留,反而應該要喝多點水來排除鈉。最重要的關鍵為減少鈉、增加鉀,而不是限水!

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——本文摘自《帶你爽吃美食又能瘦,才是營養師!:鹹酥雞?手搖飲?下午茶?2.5秒選對吃!》,2019 年 8 月,如何出版