【科學歷史】食物的概念與時俱進
■ 營養學的研究終於推翻了過去對食物的諸多迷思，解釋了食物如何提供能量。因營養素而致病的問題，也迎刃而解。
營養基因體學與其他現代營養科學，均立於十八世紀後期所建立的根基之上。
這並不是說，在此之前沒有人對飲食的功效感到過興趣，埃及、希臘、羅馬、波斯、中國、印度等古文明都明白飲食與健康有關，德國蓋身森大學人類營養學家萊茲曼（Claus Leitzmann）表示，這些古文明皆有飲食法則，其中許多至今仍適用，古埃及人亦將大蒜入藥。
有些飲食的道理可追溯數千年，古希臘名醫希波克拉底（Hippocrates）曾建議，食物應細嚼慢嚥才能長保健康；萊茲曼指出，中古世紀德國修女以及賓根的基督神行赫德嘉（Hildegard of Bingen）「對食物知識淵博，提出許多極具智慧的建議」，例如吃熟食、不吃生食等。
十八世紀化學家拉瓦錫（Antoine Lavoisier）曾經研究，人體吐出的氣息是否與引擎廢氣相似。
但在十八世紀之前，食物的成分或是身體如何消化鮮少有科學的探究，萊茲曼表示，當時研究者「仰賴實驗觀察」，研究的方法是「餵食後觀察其反應」，直到有「現代化學之父」稱號的法國化學家拉瓦錫，才開啟了現代營養基因體學。
食物作燃料
拉瓦錫是頭一個設計實驗設備，來瞭解食物進入人體後情形的科學家，在此之前，科學家知道人體吞下食物的重量高於便溺的重量，他們將原因歸咎於排汗，但拉瓦錫認為食物是燃料，而身體就像當時正在研發的引擎，在燃燒時必然會排放二氧化碳，他假設是二氧化碳造成重量的損失。
為驗證他的理論，拉瓦錫一七八○年代初發明了冰量熱器，外層用冰包覆，以維持恆定的攝氏零度，容器內裝著一隻白老鼠，老鼠的體溫讓冰塊融化，藉著計算量熱器所流出的水估計新陳代謝熱能，再與蠟燭或煤炭燃燒產生的熱能相比。
他的理論證實無誤，拉瓦錫指出，「人體呼吸就像蠟燭燃燒」。
今日人們時時計算熱量，上述言論聽來稀鬆平常，但當時卻是一大突破，加拿大科學史專家尼瓦德（Elizabeth Neswald）提到，「拉瓦錫讓人們意識到，人體需要能量維持運作，而食物具備提供能量的重要功能，我們據此判斷人類需要什麼才能存活、體重為何會增減、為何能做體力勞動，食物與勞動之間的關係為何」。
拉瓦錫的研究亦突顯食物成分多麼重要，也證明便溺、流汗、呼吸均是人體運作的要素。
尼瓦德指出，「早期營養學家花費許多時間觀察他人排泄物，在實驗中，比較食物與排泄物的差異很重要」。
這種「均衡試驗」方式是在一八三○年代時，由法國化學家布山果（Jean-Baptiste Boussingault）設計而成，他分析餵養牛隻的乾草、燕麥、馬鈴薯，以及產出的牛乳，比較兩者的氮含量，證明飼料已含有足夠的氮可供應動物所需，破除人們認為動物需從空氣中獲得氮的迷思。
營養素探究
至十九世紀中，科學家已瞭解食物的主要元素為碳、氮、氫和氧，並將食物成分區分為四大類：碳水化合物、脂肪、蛋白質和水，但前三種的化學元素構成仍屬未知。
後來德國化學家李比希（Justus von Liebig）讓科學又邁進一大步，他年少有成，二十一歲便擔任大學教授，之後發明玻璃裝置（kaliapparat），分析有機化合物之中的碳含量。
李比希建立起世上第一座教學實驗室，讓世界各地科學家慕名而來，也培育出大批二十世紀初的營養研究學者，例如在一八六○年代，他的兩位學生馮沃特（Carl von Voit）與派特柯佛（Max Joseph von Pettenkofer）獲得巴伐利亞政府資助，興建最先進的呼吸室，空間足以讓一個人站進去，這個裝置能測量每日碳與氮變化，進而估算人體所需蛋白質總量。
尼瓦德指出，那個時期多數營養研究焦點並非個人健康，而著重於找到最便宜、最簡單的方式來餵飽囚犯與貧民，以避免因糧食不足引發暴動，例如馮沃特曾探訪監獄與工寮，「觀察人們的食物及健康情況，希望提供飲食指南」。
視食物為人體燃料的概念，之後在美國進一步發展，農業化學家艾瓦特（Wilbur Olin Atwater）曾在馮沃特的實驗室進行博士後研究，他在一八九○年代花費五年，打造一座更大的呼吸熱量測量儀，實驗者能在其中待上不止一天，他所得的數據相當精確，有關蛋白質、脂肪、碳水化合物的資料沿用至今，他也是將「卡路里」做為食物能量單位的第一人（一卡路里的食物熱量相當於一千卡路里的熱能）。
小還要更小
科學家很快意識到，除了供應能量與各種營養素，食物亦影響人體健康及疾病，日本醫師高木兼寬曾於一八七○年代負笈英國習醫，這在德國主導營養學的十九世紀是個少見的例外，日本聖德大學人體營養學家橫井克彥表示，「高木率先證明腳氣病是因營養不良而起」，而非如過去所想是種傳染病。
在二十世紀初，各地科學家開始探索營養不足與各種疾病的關係，如軟骨病、壞血病等，由於這些病症無法以脂肪、蛋白質或碳水化合物解釋，部分科學家開始懷疑，食物內是否還有其他類別的元素。
波蘭生化學家房克（Casimir Funk）於一九一二年研究腳氣病時，發現能防止罹病的硫胺素，他稱之為「關鍵胺素」（vital amine），後來衍生為「維他命」（vitamin）一詞。
對抗壞血病的歷史，正是科學如何找到營養與疾病關聯的例子，十八世紀中期，蘇格蘭海軍軍醫林德（James Lind）發現，只要常吃柑橘類水果，就能治療或預防壞血病，但他誤以為海風是疾病的成因；後來也出現不少錯誤的建議，例如一八四六年時，蘇格蘭毒物學家克里斯提森（Robert Christison）推論，壞血病是因蛋白質不足而起。這項疾病一路延續至二十世紀初，直到一九三二年，美國生化學家金恩（Charles Glen King）才證實，壞血病是因當時剛發現的維他命C不足造成。
動物實驗讓科學界發現更多維他命與疾病，美國生化學家麥柯倫（Elmer Verner McCollum）因為通曉德文，故能研讀過往營養學研究者的著作，讓他得到在老鼠身上進行實驗的靈感。在他原本任職的威斯康辛大學內，研究規定要以牛隻為實驗對象，但麥柯倫說服上司，讓他實驗體型更小的動物；他從寵物店購買十二隻白老鼠，開啟美國老鼠實驗的首例，他進而在一九一三年找到脂溶性的維他命A，再證明能預防軟骨病的元素是維他命D，而非維他命A。
要證明微量營養素與疾病的關聯並非易事，過去糙皮病是造成糖尿病、皮膚炎、癡呆、死亡的一大疾病，美國公衛官員兼傳染病學家高柏格（Joseph Goldberger）試圖推論糙皮病是因飲食而起，而非如當時主流醫界認為是種傳染病，他在一九一六為了證明這項論點，與助理在自己身上進行多項實驗，將糙皮病患者血液注射至彼此體內，混合自己與患者的鼻腔及喉腔分泌物，還吞下內含患者疥癬的膠囊，儘管如此，高柏格與助理並未罹患糙皮病，但他也找不到與飲食相關的病因。之後過了二十年，美國生化學家艾維珍（Conrad Elvehjem）才明白，糙皮病的病因是維他命B3不足。
學界在一九四四年發現眾多微量營養素，讓有些人認為營養學已無未竟之業，但社會才開始逐漸瞭解食物對人體的影響。
從拉瓦錫、李比希到今日，營養學研究著重於愈來愈小的物質，隨著科學家更深入認識了人體吸收與運作的機制，新的問題也不斷提出，至今人類便尚未解答，諸如「基因與食物如何互動？」這樣的問題。
本文是德國漢堡科學作家史達佛（Ned Stafford）在二○一○年十二月二十三日《自然》雜誌的專文
原載於【知識通訊評論月刊一〇一期】2011.03.01