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木薯(Cassava)危機

葉綠舒
・2011/11/20 ・1004字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 473 ・五年級

身為世界第三大的碳水化合物來源,木薯(cassava, Manihot esculenta)目前正面臨空前的危機。

木薯原產於南美,大約在6,600BC時被馴化,在16世紀時由葡萄牙人將它引進到非洲(2),目前已經和玉米並列為非洲兩個最重要的農作物。

不過,不同培育種的木薯多少都含有cyanogenic glucosides。這些cyanogenic glucosides平常在植物細胞內是無毒的,但是遇到特定的glycosidase時會將它分解,產生劇毒的氰化物(hydrogen cyanide, HCN)。分解cyanogenic glucosides的酵素也存在於木薯內,但是和cyanogenic glucosides分別藏在不同的位置。只要不把它的組織弄破(咬、刀切、磨碎…),酵素(glycosidase)與它的受質(cyanogenic glucosides)不會相遇,也就不會有毒(3)。

但是一旦任何生物要吃它,把它的組織弄破,兩者相遇就產生劇毒的氰化物。有些木薯含cyanogenic glucosides較多,有些較少;但是不論多少,食用前一定要先處理(切絲用水煮或其他方法),把氰化物去掉,否則會引起中毒。但是偶而處理不當還是會引發急性中毒或慢性中毒呢!

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當然可能會有人說,這麼麻煩何必吃它?為何不去吃其他沒有毒的農作物?原因很簡單,因為木薯即使在貧瘠的土壤裡也能種植,同時它也相當耐旱、產量也頗穩定。所以即使有氰化物移除的問題,在很多地方他還是很重要的食物來源。

有意思的事情是,氰化物雖然麻煩,但是數千年的經驗發現,含氰化物較高(通常苦味會比較重)的木薯,對於抗蟲害、動物啃食的能力也都比較好;所以即使到了二十世紀、二十一世紀,農夫還是會留下一些含氰化物較高的木薯作為荒年的備糧。

但是最近木薯卻遇到了CBSD(cassava brown streak disease)。CBSD的病原是病毒,感染後的症狀只出現在根,所以不到收穫的時候是看不到問題的(1)。

木薯的根。圖片來源:BBC News

CBSD在2006年第一次出現在烏干達,但是最近幾個月不管是在蒲隆地(Burundi)或是剛果共和國都出現了。由於監控系統不完善,目前也很難正確估計病毒散佈的範圍。因為不到收穫看不到問題,所以聯合國農糧署的專家們擔心CBSD的散佈會在非洲引發大飢荒。

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目前農夫能作的就只有:當他們懷疑自己的木薯田遭到CBSD感染時,就將木薯提早收成。雖然這樣收穫到的木薯較小,但至少大部分都能吃。

目前聯合國農糧署已經培育出8種新種,正在測試它們的抗病毒能力,但是他們認為需要更多的監控系統來監測各地的木薯田,同時他們也需要人員在當地教育農夫不要把木薯的塊根任意散佈,使病毒散播的範圍擴大。

參考資料:

1. BBC News. 2011/11/17. UN warns of staple crop virus ‘epidemic’.
2. Wikipedia. 2011/11/14. Cassava.
3. Taiz and Zeiger. Plant Physiology, 4th ed.

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葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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氰化物的黑暗面:從間諜小說到戰爭罪行的恐怖故事——《毒藥的滋味》
PanSci_96
・2024/09/08 ・3314字 ・閱讀時間約 6 分鐘

最出名的毒藥

氰化物(Cyanide)是最惡名昭彰的毒藥之一,以其殺人於瞬間的特色享譽各大間諜小說和謀殺謎團。推理女王克莉絲蒂非常清楚氰化物的效果,用這種毒藥殺死了十八個角色,甚至還將她七十五部小說的其中之一直接命名為《閃閃發光的氰化物》(Sparkling Cyanide,台版譯名為《魂縈舊恨》)。偵探小說家瑞蒙.錢德勒(Raymond Chandler)在他最著名的《大眠》(The Big Sleep)一書中用加了氰化物的威士忌賜死一名線人。

內佛.舒特(Nevil Shute)的小說《世界就是這樣結束的》(On the Beach)描述毀滅性的核戰後的澳洲生活,而在故事中,澳洲政府分發了氰化物膠囊給民眾,讓他們可以快速輕鬆地自殺,不需面對逼近澳洲的放射性落塵雲帶來的緩慢、痛苦的死亡。

同樣的,間諜小說中的秘密情報員經常也會拿到氰化物讓他們在被抓時使用。甚至連伊恩.弗萊明(Ian Fleming)筆下的○○七情報員龐德以及其他情報員也都有氰化物膠囊;不過不出所料,龐德會把它扔掉。

在現實生活中使用氰化物進行謀殺或自殺的案件同樣令人著迷和驚駭。氰化物是史上一些最惡劣的犯罪行為中使用的兇器。第二次世界大戰期間,氰化氫製作的毒氣是所謂的「最終解決方案」的一部分,在奧斯威辛(Auschwitz-Birkenau)和馬伊達內克(Majdanek)的死亡集中營毒殺了數千名囚犯。

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當德國戰敗的跡象越來越明顯時,含有氰化鉀的玻璃膠囊是納粹高層首選的自殺方法,包括可怕的納粹黨衛軍(Schutzstaffel,SS)領袖海因里希.希姆萊(Heinrich Himmler)和德國空軍最高將領赫爾曼.戈林(Hermann Göring)都人手一顆。在目睹妻子伊娃.布勞恩(Eva Braun)用氰化物自殺後,希特勒也吞下氰化物並開槍自殺,終結了他第三帝國的夢想。

較近期的例子出現在一九七○年代初的舊金山。魅力十足的邪教領袖吉姆.瓊斯 (Jim Jones)吸收了大量追隨者,在加州的紅木谷(Redwood Valley)建立聖殿,開始宣揚自己是甘地、耶穌、佛陀和列寧轉世。

氰化物以其迅速致命的特性在文學中廣為人知,克莉絲蒂和錢德勒都曾使用它。圖/envato

到了一九七○年代中期,瓊斯已經說服了數百人,其中許多人還攜家帶眷,一起和他搬到南美洲蓋亞那當地與他同名的瓊斯鎮,加入「人民聖殿」(People’s Temple)這個新烏托邦。一九七八年,關於瓊斯鎮聖殿侵犯人權和採取嚴刑峻罰的憂心言論開始浮上檯面。同年十一月,國會議員里歐.萊恩(Leo Ryan)與其他美國官員和記者一起前往蓋亞那調查這些指控。

瓊斯起初對前來這座聚落的代表團表達歡迎之意,還在瓊斯鎮的中央涼亭為他們舉辦歡迎會,但接著萊恩突然遭到一名持刀的聖殿士兵襲擊,身上多處受傷。負傷的他依舊成功與代表團其他成員一起逃到瓊斯鎮附近的一座小機場,眾人分別登上兩架飛機。

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然而,他們才登機幾秒,槍手便迅速趕到,殺死了萊恩和其他四人。當天稍晚,瓊斯召集了瓊斯鎮的九百一十三位居民,其中包括三○四名兒童,命令他們進行他所謂的「革命行動」。所有人都拿到了一杯加了氰化物的葡萄口味酷愛(Kool-Aid,沖泡式飲料粉末),父母把飲料拿給孩子們喝,護理師用注射器將致命的混合物滴入嬰兒的嘴裡。最後共有九○九人死亡,其中三分之一是兒童。時至今日,「喝酷愛」這句話依然常在美國被用來形容「個人或團體對某種思想或個人表現出絕對服從或忠誠」。

飲食中的氰化物

儘管氰化物有明顯的致命特性,但含有氰化物的食物種類多得驚人,包括杏仁、皇帝豆、大豆、菠菜和竹筍。桃子、櫻桃、蘋果和苦杏仁等李屬植物(Prunus)的種子或果核都含有氰化物。食用少量氰化物不會對健康造成風險;事實上,我們大多數人都偶爾會吞下蘋果種子,但沒有任何不良影響。這是因為人體有一種處理飲食中少量氰化物的機制。人體內幾乎每個細胞都含有羅丹酶(Rhodanese)這種酵素,能將氰化物轉化為硫氰酸鹽來迅速解毒。

硫氰酸鹽是一種無害的化學物質,可以安全地被腎臟過濾並釋放到尿液中。人體每二十四小時可以處理約一克的氰化物。只有當身體無法負荷突然間湧入的大量氰化物時——特別是以殺人為目的——才會出現問題。

大多數兇手會用結晶的氫化鈉或氰化鉀下毒。雖然兩者都很易溶於液體,但氰化鉀的溶解度是氰化鈉的十倍。即便如此,只要在一杯咖啡或一杯葡萄酒中少量溶解兩者之一都足以致命;所需的份量極少,就代表它不會產生讓受害者有所警覺的氣味或味道。結晶氰化物進入人體後會與胃酸接觸,氰化鈉或氰化鉀會轉變成氫氰酸,造成嚴重的化學灼傷。

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當受害者胃部出現腐蝕性灼傷,但食道沒有灼傷,就代表受害者並非喝下任何腐蝕性物質,死因是在胃中產生的——這是氰化物中毒的關鍵指標。固體或溶解的氰化物晶體遇到胃酸後也會形成氣體氰化氫,接著被吸收進入血液,輸送到全身。本質上而言,受害者最終是同時被固體、液體和氣體氰化物殺死的。

結晶氰化物與胃酸接觸後,氰化鈉或氰化鉀會轉變成氫氰酸,造成受害者胃部出現化學灼傷。圖/envato

氰化物的致死原理

無論遭謀殺的受害者是吸入氰化物氣體還是吞下溶解在飲料中的氰化鈉或氰化鉀,氰化物的致死方式都完全相同。一旦進入體內,氰化物就會黏附在紅血球中的血紅素(hemoglobin)上,跟著血液迅速散播到全身。然而氰化物與血紅素的結合度很差,引起破壞的方式也不是透過影響血液,而是脫離血紅素進入人體細胞,破壞細胞製造生存所需能量的能力。

粒線體(mitochondria)位於我們每個細胞的深處,具有小型的棒狀結構,是身體裡的迷你發電廠,會產生化學能量三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP),這是維持人類活著的能量。每個細胞通常有一百到兩百個粒線體,具體數量取決於細胞需要多少能量。舉例來說,肝臟細胞需要相當大量的能量,因此每個肝臟細胞會有超過兩千個粒線體;而紅血球大致上只是裝著血紅素的袋子,能量需求非常低,所以沒有任何粒線體。然而儘管 ATP 是為身體各方面的功能提供能量的重要角色,但身體能夠儲存起來的 ATP 相當有限。

本質上而言,粒線體執行的功能與樹木的葉子恰恰相反。植物的葉子會利用陽光中的能量,將水和二氧化碳結合在一起來產生葡萄糖;動物細胞中的粒線體則會與我們吸入的氧氣作用,分解食物中的葡萄糖,產生二氧化碳和水並釋放 ATP 形式的能量。基本上,人類和所有動物都是透過這種迂迴的方式利用來自太陽的能量。3

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埋在粒線體膜內襯當中的是一連串的蛋白質,它們構成所謂的電子傳遞鏈(electron transport chain)。我們呼吸的氧氣正是在這裡被確實用於製造 ATP。傳遞鏈中有一個蛋白質成分稱為「細胞色素 C」(cytochrome C),鐵原子靜靜位於細胞色素 C 的核心,是它發揮功能的關鍵。

氰化物的致死性在於它能夠與細胞色素 C 中心的鐵原子緊密結合,使整個蛋白質死亡。一旦失去活性,細胞色素 C 就不能在傳遞鏈的最後一步利用氧氣,導致 ATP 的整個生產過程中斷。

因為細胞運作強烈依賴 ATP 的持續供應,所以人體一旦發生氰化物中毒,中樞神經系統和心臟的細胞都會立即受到影響。當中樞神經系統關閉,受害者會開始感到頭痛和噁心,然後失去知覺,慢慢進入深度昏迷;接著大腦會進一步失去 ATP 能量供應,直到最終耗盡所有 ATP,不可避免地造成腦死;隨著心臟中的 ATP 逐漸減少,心跳會減慢並變得不穩定,脈搏也會微弱到無法察覺,最終使心臟完全停止跳動。

儘管名字聽起來很相似,但發紺(cyanosis,也稱「紫紺」)症狀與氰化物中毒無關。發紺指的是與減氧血相關的藍色,也是靜脈血液呈藍色的原因。相反的,由於與氰化物結合的細胞色素 C 不能再使用氧氣,血液中的血紅素反而會一直保持充氧狀態,4 因此氰化物中毒的症狀之一就是皮膚因為鮮紅色的充氧血而顯得紅潤。

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——本文摘自《毒藥的滋味:11種致命分子與使用它們的凶手》,2024 年 7 月,方舟文化,未經同意請勿轉載。

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推理系作品中兇手的最愛「氰化物」,它真的有那麼致命嗎?
行政院環境保護署毒物及化學物質局_96
・2017/12/18 ・3605字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

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│自由寫手

漫畫《名偵探柯南》第 34 集第 9 回

名偵探柯南》漫畫裡面有人「突然」死掉時,原因通常只有一個:氰化鉀!
(不是氰酸鉀,不是氰酸鉀,不是氰酸鉀!很重要說三遍)[1]

有杏仁味、沾到一點點就會馬上死掉,時常出現在各大案件中…… 氰化物真的這麼毒嗎?呃,其實,漫畫裡的描述只正確了一部分。

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阻斷呼吸作用的「氰根」

一般談到「氰化物」,主要指化學結構中有氰根(CN-)的化合物,常見的包括氰化氫(HCN)、氰化鈉(NaCN)和氰化鉀(KCN),共同特性是在水溶液環境中都會釋出氰根。氰根與重金屬離子的結合力很強,因此會抑制酶的作用;打個比方,氰根對重金屬來講就像種「天菜」般的存在,重金屬遇到氰根就會脫離酶、進入氰根的懷抱;而失去了金屬離子的酶也會因(失戀)而失去用處。其中最敏感的酵素便是主司細胞呼吸作用的呼吸酵素「細胞色素氧化酶a3」(Cytochrome a3)。

大家應該瞭解,所有細胞都需要進行呼吸作用產生 ATP 來獲取能量,然而若細胞色素氧化酶 a3 因為氰化物失去了活性,呼吸作用就會被阻斷,細胞只能使用無氧呼吸獲取能量;當這些能量不足以應付身體的需求,就會產生細胞缺氧及乳酸中毒,甚至進一步死亡。那麼,哪些細胞對於「能量」的需求最大呢?答案是大腦與心臟的細胞!因此氰化物對於這兩個部位的影響最為劇烈。

細胞需進行呼吸作用獲得能量,其中又以大腦與心臟兩個部位的細胞需求最大。圖/health.mail, CC License

當然,講到毒物就不能不談劑量,作為偵探小說的「愛用品」,氰化物的毒性跟其他毒物相比其實並沒有特別高。氰化鉀對大鼠的口服半致死劑量(LD50)約為 5 mg/kg,換算下來一個體重 60 公斤的人要吃下 0.3 g ── 大概比半顆普拿疼多一點點 ── 才有約一半的死亡率。也可以說,若用半致死劑量與其他的毒物來排名[2],氰化物連前十名都進不去。

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但是如果一次攝入的劑量夠高,氰化物便有可能直接造成大腦或心臟細胞壞死,那就是漫畫《名偵探柯南》中常見的殺人場景了![3]

終於輪到黑衣人出場啦!source:imgur

讓我們回頭看看,柯南說對了哪些部分?

首先,杏仁味對了。

氰化物在低濃度下會有苦杏仁味(詳見試吃影片);而如果進入人體,除了由肝臟代謝外,有一小部分會經由呼吸排出體外;因此氰化物中毒的病患,無論重度或輕度,呼吸中都會出現杏仁味。

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而最令人聞之色變的「一碰即死」呢?

人體其實有代謝少量氰化物的能力,如果及時發現,醫院可以使用維他命 B12 族的羥鈷胺(OHCbl, B12a)或是亞硝酸鹽解毒。前面有提過氰化物的半致死劑量不算太高,但氰化物在液體中的溶解度很高,因此如果要在「一口飲料」裡放入足以致死的劑量,是有機會的。如果攝入的劑量夠高,由於氰化物的毒性特質,的確會有瞬間致死的可能。

且讓我們假想一個畫面:被下毒的人毫無戒心地喝了一大口滿滿苦杏仁味的飲料,吞下去之後腸胃吸收力很給力……(柯南背景音樂響起,登登登登登登登登~)

請擔心被下毒的夥伴們記得不要空腹喝杏仁茶啊。(誤)

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作為一種特殊氣味且致死劑量不算低的毒物,氰化物其實不太「適合」用來下毒。那為什麼各種漫畫、小說文本如此熱愛以氰化物作為毒藥呢?這要回過頭,從氰化物的屬性與歷史談起。

下毒也要講究 CP 值

氰化物是二次大戰期間,德國集中營毒氣的主要成分,由於取得方便,戰敗後許多納粹高階軍官也以這種毒物自殺。到了 1980 年代的兩伊戰爭中,則被用於殺死庫德人;近年來氰化物也出現在辛巴威盜獵、毒殺大象的案例中。許多納粹與間諜死於氰化物快速毒素發作的印象,也深深植入眾多小說家心中,使得氰化物到今日仍保有它「下毒」的經典印象。

然而,一開始人們使用氰化物最主要的因素,其實是由於價格便宜。許多毒性物質的來源如細菌或植物,成本都很高 ── 要得到有效純化肉毒桿菌素,或是破傷風菌毒素都不容易。相較之下,氰化物可以說是「CP 值」挺高的選擇,過去也曾經出現在毒魚、毒殺昆蟲等用途。

而除了使人或動物致病、中毒之外,氰化物在礦業中也十分常見,用以將礦石中的黃金跟白銀等貴金屬提煉出來。現代工業上也會將之應用於製備各種有機化合物,例如利用氰化氫加入丁二烯來製造生產的乙二腈,就是我們很熟悉的塑膠材料「尼龍」的前驅物質。

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氰化物可用於將黃金、白銀等貴金屬提煉出來。圖/James St. John @wikimedia BY CC2.0

「純天然」的氰化物

或許有不少人認為食物是「天然的最好啦」!但其實,我們日常生活中食用的植物也不乏氰化物的存在喔。薔薇科的杏仁、蘋果核、櫻桃核,以及小米、青豆、黃豆、竹筍、樹薯都含有「氰苷」,也就是氰根醣類結合的有機化合物。氰苷本身毒性不強(畢竟植物也是要行呼吸作用的啊),但氰苷在細胞被破壞、氧化或接觸到胃液時會釋出「氰根」,把任何膽敢冒犯的動物毒得不要不要的~

蘋果核中也有氰化物的成分。source:pixabay

正如前面所說,談到毒性物質怎麼可以不談談劑量、也就是吃到多少才會「有事」呢?事實上,人體代謝系統有處理少量氰化物的能力,一般我們日常飲食中會接觸到的櫻桃核、蘋果核等氰苷含量都頗低,也太不會有人拿蘋果核或櫻桃核當瓜子啃;就算偶爾吞下種子,只要沒有破壞到結構,隔天「再見」的果核種子都還可以發芽生根呢!所以不太需要擔心蘋果或櫻桃。而氰苷在經過烹煮加熱後會被破壞、不再具備毒性,因此大家可以也對氰苷含量很低,而且不太會拿來生吃的黃豆和竹筍放心了。

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好的,接下來就剩下我們不太熟悉的「樹薯」以及「苦杏仁」了。

電視劇《後宮甄嬛傳》裡的角色安陵容就是以苦杏仁自殺的。苦杏仁並不是我們當零嘴吃的甜杏仁(又稱甜杏仁或南杏),而是較為少見、多用於中藥的藥材,又稱為北杏;苦杏仁含有的氰苷濃度是前述植物中最高的,因此風險評估建議苦杏仁成人攝取量一天別超過兩顆,請不要拿苦杏仁當零嘴了。由於氰苷經過加熱與水煮的過程可以被有效分解,也建議大家有藥用需求時要好好依據醫囑用藥、煮藥啊!

最後則來到幾乎每個人都吃過的樹薯(或稱木薯)了,珍珠奶茶中常見的粉圓就是由樹薯粉製成的。樹薯的氰苷主要集中在表皮,處理樹薯的標準流程包括削皮、水煮、發酵等,主要就是為了消除氰苷。如果經過完整的處理,樹薯內含的氰化物含量可以降到極低,事實上,樹薯是許多非洲國家的主食,至少有五億人依靠它飽腹。

《後宮甄環傳》的安凌容以含有氰苷的苦杏仁自殺。圖/截自影片

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從毒理學的角度來看,每種毒物都有不同的屬性及注意事項,氰化物也不例外。儘管因為漫畫和推理小說較受到矚目,但說到底,氰化物也不過是我們生活中有可能遭遇的化學物質之一,只要足夠瞭解相關食物與接觸情境,也不需要過度恐慌、聞之色變啦。

註解

  1. 氰酸鉀也有毒性,但並沒有苦杏仁味且中毒劑量大很多。
  2. 根據維基百科,前兩名依序為肉毒桿菌毒素、破傷風菌毒素,都是來自生物的毒素。
  3. 根據網友統計漫畫本篇 1~71 集,不含回憶及對話中,死亡人數總計 179 人,漫畫本篇中,釣魚線使用次數為 13 次,氰酸鉀使用次數為 11 次。所以其實並沒有大家印象中那麼多XD

參考資料

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行政院環境保護署毒物及化學物質局_96
52 篇文章 ・ 10 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/

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木薯(Cassava)危機
葉綠舒
・2011/11/20 ・1004字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 473 ・五年級

身為世界第三大的碳水化合物來源,木薯(cassava, Manihot esculenta)目前正面臨空前的危機。

木薯原產於南美,大約在6,600BC時被馴化,在16世紀時由葡萄牙人將它引進到非洲(2),目前已經和玉米並列為非洲兩個最重要的農作物。

不過,不同培育種的木薯多少都含有cyanogenic glucosides。這些cyanogenic glucosides平常在植物細胞內是無毒的,但是遇到特定的glycosidase時會將它分解,產生劇毒的氰化物(hydrogen cyanide, HCN)。分解cyanogenic glucosides的酵素也存在於木薯內,但是和cyanogenic glucosides分別藏在不同的位置。只要不把它的組織弄破(咬、刀切、磨碎…),酵素(glycosidase)與它的受質(cyanogenic glucosides)不會相遇,也就不會有毒(3)。

但是一旦任何生物要吃它,把它的組織弄破,兩者相遇就產生劇毒的氰化物。有些木薯含cyanogenic glucosides較多,有些較少;但是不論多少,食用前一定要先處理(切絲用水煮或其他方法),把氰化物去掉,否則會引起中毒。但是偶而處理不當還是會引發急性中毒或慢性中毒呢!

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當然可能會有人說,這麼麻煩何必吃它?為何不去吃其他沒有毒的農作物?原因很簡單,因為木薯即使在貧瘠的土壤裡也能種植,同時它也相當耐旱、產量也頗穩定。所以即使有氰化物移除的問題,在很多地方他還是很重要的食物來源。

有意思的事情是,氰化物雖然麻煩,但是數千年的經驗發現,含氰化物較高(通常苦味會比較重)的木薯,對於抗蟲害、動物啃食的能力也都比較好;所以即使到了二十世紀、二十一世紀,農夫還是會留下一些含氰化物較高的木薯作為荒年的備糧。

但是最近木薯卻遇到了CBSD(cassava brown streak disease)。CBSD的病原是病毒,感染後的症狀只出現在根,所以不到收穫的時候是看不到問題的(1)。

木薯的根。圖片來源:BBC News

CBSD在2006年第一次出現在烏干達,但是最近幾個月不管是在蒲隆地(Burundi)或是剛果共和國都出現了。由於監控系統不完善,目前也很難正確估計病毒散佈的範圍。因為不到收穫看不到問題,所以聯合國農糧署的專家們擔心CBSD的散佈會在非洲引發大飢荒。

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目前農夫能作的就只有:當他們懷疑自己的木薯田遭到CBSD感染時,就將木薯提早收成。雖然這樣收穫到的木薯較小,但至少大部分都能吃。

目前聯合國農糧署已經培育出8種新種,正在測試它們的抗病毒能力,但是他們認為需要更多的監控系統來監測各地的木薯田,同時他們也需要人員在當地教育農夫不要把木薯的塊根任意散佈,使病毒散播的範圍擴大。

參考資料:

1. BBC News. 2011/11/17. UN warns of staple crop virus ‘epidemic’.
2. Wikipedia. 2011/11/14. Cassava.
3. Taiz and Zeiger. Plant Physiology, 4th ed.

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葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。