【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

Justus von Liebig先生在德國郵票上。(圖片:德文維基)

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

Liebigs的「Kali-Apparat」(德文)。

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

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