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炼金术师的拼酒秘诀?「剂量─反应」曲线

撰文/陈亭玮

“所有物质都是毒物,没有一种不是毒物。
只要剂量正确,就可以把毒物变成仙丹。”
──炼金术师 巴拉赛尔士(Paracelsus, aka 冯‧霍恩海姆)

图/Wellcome Image @Wellcome Images, CC BY 4.0

有遭遇过拚酒的场景吗?希望自己不要轻易被酒精饮料“放倒”吗?这箇中的秘诀五百年前的炼金术师就已经告诉我们了!了解化学物质“剂量 ─ 反应”曲线的原理,让你学会拚酒的科学!(喂)

要引起反应,先要通过这些关卡

人体内原本就有些代谢关卡专门处理“有毒”物质。生命在世界上,就算不拚酒,也会随时面临外来物质入侵。不像化学反应,身体并不会全部照单全收、予取予求(?)反应出来。

第一关,是“吸收”

每种化学物质的吸收路径并不相同。以酒精为例,大口喝酒的时候,嘴巴跟喉咙会先接收到一小部分的酒精,约五分之一的酒精会由胃吸收,大多数的酒精则经由小肠进入体内,几分钟后出现在血液中。肠胃中如果有食物,酒经由身体吸收的速度会慢得多,但如果饮酒混合了含气泡的饮料,酒精吸收的速度会快得多;而如果是纯饮酒,酒精被嘴巴跟喉咙吸收前,就会经由呼吸被排出体外。

许多化学物质在低剂量或不适合被吸收的状况下(如铅在固体的状态下很难被吸收,要融入液体或成为气态才容易进入体内),由身体的自然屏障阻挡,不会进入体中,自然就没有中毒的问题了。

第二关,是“代谢”

化学物质闯过了吸收这个关卡后,会出现在血液中。如上述酒精的例子,随着血液进入肝臟的酒精会被分解,剩下的酒精有一小部分会由肺排除,另外一小部分会由肾排除,这就是为什么我们可以由呼气或是验尿来检测一个人的酒精浓度。酒精从血液中被排除的速度约为每小时 14 毫升,也就是想代谢完一瓶啤酒的酒精含量,至少需花上一个小时。

代谢速度除了和爸妈留给你的遗传有关,还包括摄取酒精的人过去是否经常饮酒,如常喝酒的人的确不容易喝醉;另外如最近的生理状况,营养摄取是否均衡、是不是有睡饱等,都会影响代谢速度。

 

如果化学物质持续进入体内、超过了代谢速度,这些物质主要会累积在血液中。一般来说,持续喝酒、体内的酒精浓度逐渐提高,会依序达到四种状态:微醺状态,头晕目眩但心情愉快;喝醉状态,言行失控;烂醉状态,最后则是有急性死亡风险1(对,酒精其实有过量致死的纪录)。

“科学饮酒”的必备资料──“剂量-反应”曲线

 

 

持续记录某一个人摄取了多少酒精时、会进入哪个状态,正是“剂量-反应”曲线的表现方式[2]。在大多数的化学物质反应上,这是一个类似 S 型的曲线,左侧接近零与右侧接近 100% 的地方会是平坦的,代表此种化学物质在某个剂量以下不会有反应,以及在高到某个剂量时会有最大反应。这个曲线除了与化学物质种类有关,也和物种、体质、代谢相关。

在“剂量 - 反应”曲线的最左端平坦处到有反应之前,曲线未开始上升之处所对应的剂量值就是“无可见作用剂量(NOAEL)”,也是前述在一般接触时,人体能够自然屏障、以及快速代谢(解毒)的化学物质剂量。很容易想像,一个人即使酒量再差,也不至于会因为打针时消毒药棉上的酒精而脸红或醉倒,因为此剂量很明显还低于 NOAEL 值。

同样类型的“剂量 ─ 反应”曲线,还可以参考科学家霍尔丹实(玩)验(命)而来的一氧化碳中毒研究。在还不太了解煤气中毒的原理之前,霍尔丹以自己为实验对象,记录曝露在不同浓度一氧化碳中的中毒症状,同时持续测量自己血中的一氧化碳含量。他发现当血中的一氧化碳浓度达到 27% 时,视线会变暗、人也变得极端虚弱、一施力就会昏倒;最高纪录则为血中一氧化碳浓度达到 56%,他已经无法行走、并且无法记得实验期间的所有事情。(警告:玩命科学家不良示范请勿学习)

如果希望“科学”饮酒,可以参考霍尔丹的作法,记录自己每次喝酒的量以及感受到的醉意程度,那就是你个人的“剂量-反应”曲线了 ── 而如拥有够完整(?)的纪录,你会知道该怎么喝、喝到什么程度不能再喝,自然就不会轻易被“放倒”了[3]。

图/Bbs16893300665 @Commons Wikimedia, CC 0

建立在“剂量─反应”曲线上的风险评估与治疗

今天人们对于许多化学物质如一氧化碳或酒精中毒等症状的理解与知识,正是透过霍尔丹这类以身涉险的研究、或是动物实验的资料而来。在治疗某种化学物中毒的病人时 ── 这些病人绝大多数都无法告知医生使他中毒的化学物质或剂量 ── 如果能对照相关资料,知道在什么剂量下会造成中毒、甚至从出现的症状回推中毒剂量,就可以根据这些信息进行救治、提供适当的解毒剂。

另外,“剂量-反应”曲线对于化学物质,包括药物、食品添加物、食品污染物的风险评估亦十分重要。举例来说,酒精如果摄取过多会有致死的毒性、摄取到一定剂量也会使判断力与专注力下降,因此定有法规限制驾驶的“酒测值”上限(吐气所含酒精浓度 0.15mg/L 或血液中酒精浓度达 0.03%),若超过则有罚锾。不过,一般擦拭消毒所使用酒精剂量极少,皮肤的吸收效率又低于肠胃消化道,因此我们可以判断得出这个行为是安全的 ── 应该没有人会担心打针回家的路上会被验出酒驾吧。

“剂量 ─ 反应”曲线再次具象化了毒物学的第一原则:在某些剂量以上,所有化学物质都是有毒的;在某些剂量下,化学物质不会出现任何效应

剂量,决定了物质的毒性。

注解

  1. 四个阶段的酒醉状态与血中酒精浓度:微醺状态 100mg/100ml;酒醉及言行失控 200mg/100ml;烂醉300mg/100ml;有死亡危险 400mg/100ml。换算下来一个 65 公斤的成人摄入超过 200 克的酒精就有致死的风险。
  2. 关于“剂量 ─ 反应”曲线包括给予一群个体不同剂量的化学物质,记录表现出某种反应(如醉酒)的比例;或是记录某个特定个体在不同剂量下的表现程度(本次的举例)。
  3. 由于酒精代谢除了个人体质还包含很多因素(包括扯后腿的酒友),即使有纪录也请不要太自信,尽量不要饮酒过量,并且千万避免喝到 S 型曲线的右侧。《新世纪福尔摩斯》第三季中就挑战过一次。

参考资料

  • 约翰‧亭布瑞着 庄胜雄译 《毒物魅影:瞭解日常生活中的有毒物质》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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