煉金術師的拼酒秘訣?「劑量─反應」曲線

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

「所有物質都是毒物,沒有一種不是毒物。
只要劑量正確,就可以把毒物變成仙丹。」
──煉金術師 巴拉賽爾士(Paracelsus, aka 馮‧霍恩海姆)

圖/Wellcome Image @Wellcome Images, CC BY 4.0

有遭遇過拚酒的場景嗎?希望自己不要輕易被酒精飲料「放倒」嗎?這箇中的秘訣五百年前的煉金術師就已經告訴我們了!了解化學物質「劑量 ─ 反應」曲線的原理,讓你學會拚酒的科學!(喂)

要引起反應,先要通過這些關卡

人體內原本就有些代謝關卡專門處理「有毒」物質。生命在世界上,就算不拚酒,也會隨時面臨外來物質入侵。不像化學反應,身體並不會全部照單全收、予取予求(?)反應出來。

第一關,是「吸收」

每種化學物質的吸收路徑並不相同。以酒精為例,大口喝酒的時候,嘴巴跟喉嚨會先接收到一小部分的酒精,約五分之一的酒精會由胃吸收,大多數的酒精則經由小腸進入體內,幾分鐘後出現在血液中。腸胃中如果有食物,酒經由身體吸收的速度會慢得多,但如果飲酒混合了含氣泡的飲料,酒精吸收的速度會快得多;而如果是純飲酒,酒精被嘴巴跟喉嚨吸收前,就會經由呼吸被排出體外。

許多化學物質在低劑量或不適合被吸收的狀況下(如鉛在固體的狀態下很難被吸收,要融入液體或成為氣態才容易進入體內),由身體的自然屏障阻擋,不會進入體中,自然就沒有中毒的問題了。

第二關,是「代謝」

化學物質闖過了吸收這個關卡後,會出現在血液中。如上述酒精的例子,隨著血液進入肝臟的酒精會被分解,剩下的酒精有一小部分會由肺排除,另外一小部分會由腎排除,這就是為什麼我們可以由呼氣或是驗尿來檢測一個人的酒精濃度。酒精從血液中被排除的速度約為每小時 14 毫升,也就是想代謝完一瓶啤酒的酒精含量,至少需花上一個小時。

代謝速度除了和爸媽留給你的遺傳有關,還包括攝取酒精的人過去是否經常飲酒,如常喝酒的人的確不容易喝醉;另外如最近的生理狀況,營養攝取是否均衡、是不是有睡飽等,都會影響代謝速度。

當連代謝都來不及 ……圖/Alexas_Fotos @Pixabay, CC by 0

如果化學物質持續進入體內、超過了代謝速度,這些物質主要會累積在血液中。一般來說,持續喝酒、體內的酒精濃度逐漸提高,會依序達到四種狀態:微醺狀態,頭暈目眩但心情愉快;喝醉狀態,言行失控;爛醉狀態,最後則是有急性死亡風險1(對,酒精其實有過量致死的紀錄)。

「科學飲酒」的必備資料──「劑量-反應」曲線

圖/Bbs16893300665 @Commons Wikimedia, CC 0

持續記錄某一個人攝取了多少酒精時、會進入哪個狀態,正是「劑量-反應」曲線的表現方式[2]。在大多數的化學物質反應上,這是一個類似 S 型的曲線,左側接近零與右側接近 100% 的地方會是平坦的,代表此種化學物質在某個劑量以下不會有反應,以及在高到某個劑量時會有最大反應。這個曲線除了與化學物質種類有關,也和物種、體質、代謝相關。

在「劑量 - 反應」曲線的最左端平坦處到有反應之前,曲線未開始上升之處所對應的劑量值就是「無可見作用劑量(NOAEL)」,也是前述在一般接觸時,人體能夠自然屏障、以及快速代謝(解毒)的化學物質劑量。很容易想像,一個人即使酒量再差,也不至於會因為打針時消毒藥棉上的酒精而臉紅或醉倒,因為此劑量很明顯還低於 NOAEL 值。

同樣類型的「劑量 ─ 反應」曲線,還可以參考科學家霍爾丹實(玩)驗(命)而來的一氧化碳中毒研究。在還不太了解煤氣中毒的原理之前,霍爾丹以自己為實驗對象,記錄曝露在不同濃度一氧化碳中的中毒症狀,同時持續測量自己血中的一氧化碳含量。他發現當血中的一氧化碳濃度達到 27% 時,視線會變暗、人也變得極端虛弱、一施力就會昏倒;最高紀錄則為血中一氧化碳濃度達到 56%,他已經無法行走、並且無法記得實驗期間的所有事情。(警告:玩命科學家不良示範請勿學習)

如果希望「科學」飲酒,可以參考霍爾丹的作法,記錄自己每次喝酒的量以及感受到的醉意程度,那就是你個人的「劑量-反應」曲線了 ── 而如擁有夠完整(?)的紀錄,你會知道該怎麼喝、喝到什麼程度不能再喝,自然就不會輕易被「放倒」了[3]。

不妨記錄試著畫出自己的酒精「劑量 ─ 反應」曲線。圖/B [email protected]flickr, CC BY-ND 2.0

建立在「劑量─反應」曲線上的風險評估與治療

今天人們對於許多化學物質如一氧化碳或酒精中毒等症狀的理解與知識,正是透過霍爾丹這類以身涉險的研究、或是動物實驗的資料而來。在治療某種化學物中毒的病人時 ── 這些病人絕大多數都無法告知醫生使他中毒的化學物質或劑量 ── 如果能對照相關資料,知道在什麼劑量下會造成中毒、甚至從出現的症狀回推中毒劑量,就可以根據這些資訊進行救治、提供適當的解毒劑。

另外,「劑量-反應」曲線對於化學物質,包括藥物、食品添加物、食品污染物的風險評估亦十分重要。舉例來說,酒精如果攝取過多會有致死的毒性、攝取到一定劑量也會使判斷力與專注力下降,因此定有法規限制駕駛的「酒測值」上限(吐氣所含酒精濃度 0.15mg/L 或血液中酒精濃度達 0.03%),若超過則有罰鍰。不過,一般擦拭消毒所使用酒精劑量極少,皮膚的吸收效率又低於腸胃消化道,因此我們可以判斷得出這個行為是安全的 ── 應該沒有人會擔心打針回家的路上會被驗出酒駕吧。

「劑量 ─ 反應」曲線再次具象化了毒物學的第一原則:在某些劑量以上,所有化學物質都是有毒的;在某些劑量下,化學物質不會出現任何效應

劑量,決定了物質的毒性。

註解

  1. 四個階段的酒醉狀態與血中酒精濃度:微醺狀態 100mg/100ml;酒醉及言行失控 200mg/100ml;爛醉300mg/100ml;有死亡危險 400mg/100ml。換算下來一個 65 公斤的成人攝入超過 200 克的酒精就有致死的風險。
  2. 關於「劑量 ─ 反應」曲線包括給予一群個體不同劑量的化學物質,記錄表現出某種反應(如醉酒)的比例;或是記錄某個特定個體在不同劑量下的表現程度(本次的舉例)。
  3. 由於酒精代謝除了個人體質還包含很多因素(包括扯後腿的酒友),即使有紀錄也請不要太自信,盡量不要飲酒過量,並且千萬避免喝到 S 型曲線的右側。《新世紀福爾摩斯》第三季中就挑戰過一次。

參考資料

  • 約翰‧亭布瑞著 莊勝雄譯 《毒物魅影:瞭解日常生活中的有毒物質》商周出版 2006-05-19 ISBN 986-124-659-2
    Haldane J (1895).The action of carbonic oxide on man. The Journal of Physiology. 18 (5–6): 430–462.
    Wikipedia – Carbon monoxide poisoning

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