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科學王國增員計畫!認真解析《Dr.STONE 新石紀》EP.08

作者:Celeste偽晴(躺平模式)│Dr.STONE 新石紀│2019-08-24 19:01:34│巴幣:1,082│人氣:6070
一、抗生素:石之路線
註:日文的「石炭」就是煤,翻譯你瑪用心點,中文誰會講石炭啦

 抗生素(Antibiotics)為一類抗細菌藥的總稱,主要的抗菌機轉是透過抑制細菌生命週期中重要的生化反應(如細胞壁的合成)來達到殺菌的效果。人類史上重要的抗菌藥物有兩個:第一個人工合成的抗菌藥物百浪多息(Prontosil),以及第一個由自然界中萃取的抗生素青黴素/盤尼西林(penicillin)

百浪多息與盤尼西林

 盤尼西林是由英國科學家弗萊明(Alexander Fleming)偶然發現的,當時他正在培養細菌,卻發現培養皿上有一塊圓形的區域完全長不出細菌。後來才知道,那塊區域掉進了一株青黴菌,而圓形的無菌區域就是受青黴菌分泌的青黴素影響。
 百浪多息則是由拜耳公司所開發,是世界上第一種商品化的合成抗菌藥物。它的發現也是一個偶然,原本公司是在研究偶氮染料,卻意外的發現百浪多息這個紅色染料有殺菌作用。

 相較於由生物中萃取而來的盤尼西林,完全化學合成的磺胺類藥物對於千空等人來說更容易取得...嗎?我說千空你自己提出的流程裡面都提到從煤裡面提取苯胺了,能做到這一步的時候,順便提取個石油醚之類的有機溶劑來萃取盤尼西林不難吧

 從千空提出的流程來看,他預計合成的應該是最簡單的磺胺類藥物「對氨基苯磺醯胺(sulfonamide)」。讓我們簡單的整理一下流程:


 其實從這個流程來看,千空走了很多冤枉路...首先氫氧化鈉基本上之前在做肥皂的時候應該就已經拿到了,結果卻為了電解,搞得還需要先製作鐵器;再者,用碳酸氫鈉的這一步其實也完全可以用鹽酸來代替,而且這還是工業上最常用的方法。總之,這個流程的槽點實在太多了,不排除是為了戲劇效果而刻意這樣玩的。
 這部份只能看後續作者要怎麼安排了,這邊就先就此打住、進入下一個主題吧。

二、地軸章動

 現代的地球,地軸並非垂直於公轉面,而有一個23.5゚的傾角。這個傾角造成了地球在公轉面上不同的位置時受太陽照射的範圍不同,也就產生了季節變化
 然而,這個傾角並不是萬年不變的。地軸傾角一直在22.1゚到24.5゚之間變化,週期約為四萬年,這個週期被稱作米蘭科維奇循環(Milankovitch cycles)。目前的地球正處於這個循環的中央、往地軸傾角變小的方向前進。這樣的變化讓日照面積縮小,進而使得四季的溫度差異變小,造成暖冬涼夏的現象。

不只北極星會移動,整個星座都會移動啦,製作組偷懶被抓包喔。

 章動所帶來的另一個現象,是星體的位移。由於目前的地軸正指著北極星(小熊座α星),所以北極星無論在哪裡都位於正北方。可是一旦地軸偏移了,北極星就將不再指向正北方。上面提到過一次章動週期約是四萬年,因此在3700年後,舊的星象圖上的北極星其實已經離真正的北極很遠了,屆時的北極星應該比較接近上衛增一(仙王座β)
 其實,不只是北極星會偏移,古希臘時所看到的星座跟現在相比,公轉週期大約相差了一個月。所以古希臘流傳下來的占星術到現在依然適用嗎?這就見仁見智了。

三、高爐煉鐵

 高爐(blast furnace)是目前最廣泛應用的煉鐵法,其主要原理是透過不斷吹入空氣,讓焦炭燃燒,產生高溫的還原性煤氣來還原鐵礦。由於鐵礦中的雜質,高爐往往需要加熱到1400゚C以上,不夠高溫的情況下,只能煉出純度不夠的「鐵疙瘩」,當年中共的「土法煉鋼」就是這樣失敗的。

左:現代的高爐;右:1313年的中國高爐繪畫

 全世界最早的高爐可以追溯到中國的西漢(西元前1世紀),近代這種使用焦炭和鼓風爐的高爐則是在1700年代的歐洲被發明。高爐煉鐵的主要反應是通過炭的不完全燃燒產生有還原力的高溫一氧化碳,再由一氧化碳還原氧化鐵:

2C + O₂ → 2CO
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂


 千空收集的煉鐵原料是鐵砂,學名是磁鐵礦(magnetite)。磁鐵礦的主要成份是四氧化三鐵(Fe₃O₄),是一種黑色的鐵磁性物質,可以被磁石所吸引。由於密度大,在火成岩地形中生成的磁鐵礦遭到河水沖刷之後,容易沉積在河床、沙灘一帶。

 在煉鐵時,除了原料鐵礦以及燃料煤炭以外,還會加入石灰石和白雲石等熔劑。熔劑的功能是與鐵礦中的雜質形成爐渣,藉此提高煉鐵的純度。

四、狗尾草拉麵

 狗尾草(Setaria viridis)是禾本科狗尾草屬的植物,是全世界都很常見的雜草。由於狗尾草的生長力強,容易和農作物爭肥,是田地中的有害植物。
 狗尾草是小米的祖先,小米是中國北方常見的旱作作物,也是古代中國主要的糧食作物,形成中國華夏的「粟食文化」。但是當小麥及水稻普及後,小米便不再是主食,不過蒙古和滿族仍以小米為傳統民俗食品。

 使用狗尾草的種子作為小米的替代品,下一步是揉麵團。麵團的作法是將麵粉和水不斷揉製而成,可以加入不同的添加劑。例如加入酵母可以讓麵團在蒸的過程中膨脹,加入含鈣的物質可以讓麵團變得有彈性,加入雞蛋可以將麵團上色、同時有增強彈性的作用。麵團的製作原理是透過揉壓讓蛋白質變性,使得其中含硫的結構彼此膠聯,形成複雜的網絡結構,這個化學變化是麵團彈性有嚼勁的原因。
 其實,不只是小米,含澱粉量高的榖物都常被拿來做麵,像是小麥、玉米麵粉都很常見。

 接著下一步...嗒啦!


 科學美食拉麵就完成了!

 ...我怎麼覺得從不想吃烤魚開始,到做出拉麵,這中間好像跨過了很多階段吧?其實有這樣的料理技巧,就算沒有麵,也足夠抓住村裡人的胃了。所以這裡我要引用一句名言作結:



【本週總結】
提及的科學議題:4
可行的:2+0.5×2
不可行的:0.5×2

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づく...

認真解析《Dr.STONE 新石紀》EP.08 本回完
下週 作者外出取材休刊
次回2019.09.07連載再開。
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留言共 19 篇留言

吼搭啦
那個....地軸的部分,還要算上星星自己會做公轉的差距,另外幫助尋找的星座,他們圖也會不一樣3700的話應該還推得出來變形樣貌,期許大大去天文找出來嚕

08-24 19:11

Celeste偽晴(躺平模式)
沒錯喔,同一個星座裡的星體只不過是看起來很靠近,其實距離可能差得很遠,所以地軸便動之後,這些星體相對地球移動的距離會不同,所以星座的形狀也是會改變的08-24 19:47
滴答人-最後的魔法師
拉麵的確跳太快了
明明有很多餐點可以選擇 可是偏偏直接選最多工的(果然是要霓虹國產品呀[e6]
不過仔細想想 有啥有可以變現代美食的 似乎都還是得多加工的

08-24 19:13

Celeste偽晴(躺平模式)
食物就是越來越加工才越來越精緻美味,包含調味等全都是學問
不過不得不說雖然覺得跳得很快,但是看起來還是不會覺得很突兀08-24 19:50
黑兔
一開始我還以為要做麵包什麼的 結果是拉麵,雖然後面…不劇透了

08-24 19:17

Celeste偽晴(躺平模式)
總之都是麵食吧,有麵食的技術,很多美食都做得出來了08-24 19:51
滴答人-最後的魔法師
啊!對了!我記得還有 秤桿 有出現
還麻煩蔚晴介紹下了 文案辛苦了
https://i.imgur.com/wUrJwLV.png

08-24 20:18

Celeste偽晴(躺平模式)
我覺得秤應該有國中程度的物理都能看懂,所以就沒多介紹XD08-24 21:59
Celeste偽晴(躺平模式)
話說這圖明明說的是四比一,秤的卻是三比一啊[e17]08-24 21:59
荷月晴(星詠者模式
呀勒呀勒...我總覺得我這邊開天窗的機會越來越大啊…

08-24 21:14

Celeste偽晴(躺平模式)
別勉強自己,除非你有打算做全職YouTuber,不然現在還是先顧好大考吧08-24 22:00
安斎さん
這部的大部分實驗、製作流程都是為了劇情而畫的,確實有更加簡便的方式能製作,但如果過程沒有吸引力的話讀者也不會想看,而且稍加複雜的流程也能讓每個角色的作用發揮到最大

08-24 21:41

Celeste偽晴(躺平模式)
確實,雖然這部很科普,但本質上還是少年漫畫,還是要有一些劇情張力觀眾才看得下去08-24 22:19
Celeste偽晴(躺平模式)
就像我的文章也是,雖然本質是科普,但還是要有點吐槽和笑點大家才不會看得太乾(自己說08-24 22:19
霽嵐雪芛(´・ω・`)
說起星星位置

以前某個特攝作品的劇情有出現過食星怪獸把星座的星星一個一個吞掉

先不提那個怪獸的移動速度,說不定它有空間跳躍的能力,但是重點是完全搞不懂那個食星怪獸幹嘛這樣吃恆星啊?不累嗎?而且一個宇宙怪獸絕對不可能知道地球看上去把那幾個恆星視為一個星座,為什麼它會剛剛好選那些恆星吃呢?

08-24 22:13

Celeste偽晴(躺平模式)
這個嘛...就像這一系列的標題,認真你就輸了[e29]08-24 22:20
Celeste偽晴(躺平模式)
不過那個宇宙怪獸如果後來有來到地球的話,或許可以視為對地球人的挑釁(?08-24 22:21
海綿飽飽
老師~加入氯磺酸那一步的反應機構看不太懂,為什麼苯環能夠進行這樣的反應,是因為在對位的推電子基嗎?然後為什麼在這一步氫氧根能作為離去基?

08-25 06:58

Celeste偽晴(躺平模式)
真的沒想到有人會在巴哈問我這麼深入的化學問題,我太感動了(?
首先,苯環是高電子密度的物種,所以本身其實容易做加成反應。但是由於苯環的共振有額外的穩定能,所以當加成完之後,會很想離去什麼回復成苯環,所以平常觀察到的大部分是取代。
其實那一步並不是氫氧根作為離去基,第一步加成離去的是氯離子,先形成苯磺酸。然後在氯磺酸在超級過量的情況下,會把苯磺酸進一步酸化,變成帶兩個氫離子。這時候氯離子回打,離去水,就得到苯磺醯氯。推電子基只會引導反應發生在對位,與反應性無關。
https://truth.bahamut.com.tw/s01/201908/c306a6d2674e05b1f9d27ef12c78dabc.JPG?w=30008-25 09:00
海綿飽飽
然後最後一步的還原成NH2也不太懂

08-25 06:59

Celeste偽晴(躺平模式)
最後一步並不是還原,只是單純的去掉在胺上的乙醯基保護。這個反應可以在酸性或鹼性條件下進行,一般實驗室中常用的是鹼性條件,如KOH;工業上則是常用酸性條件,即鹽酸。08-25 09:02
海綿飽飽
喔喔~懂了 剛剛看了一下才發現原來這根本是磺化反應,因為用的藥劑不同第一時間沒注意到,在課本上只看過濃硫酸作為藥劑

08-25 19:16

Celeste偽晴(躺平模式)
課本上往往教的都是最基本的反應,所以大部分都只是讓你學習一種模式。以後越學越深入的時候這種情況會越來越常見,要盡量讓自己習慣喔08-25 20:36
海綿飽飽
https://truth.bahamut.com.tw/s01/201908/7fca146201617b0b0f924b767a29d1e8.JPG?w=300

08-25 19:39

海綿飽飽
所以這整個反應機構是上面那個樣子嗎?剛剛畫了一下發現最後一步確實不合理 因為前面全都是在酸性下反應 最後卻突然改成了鹼性條件

08-25 19:41

Celeste偽晴(躺平模式)
大致上沒問題
其實在最後一步前用氨水去打的反應就已經是鹼性條件了,而且鹼性下的確也比較不容易讓苯磺醯胺水解,我這裡提出這樣的想法只是因為用鹽酸可以省去準備很多藥品的麻煩而已。其實化學反應只要能做得出來就是合理的,問題只在於符不符合經濟效益08-25 20:39
海綿飽飽
好喔~謝謝老師 希望下次可以再一起討論科學問題

08-26 17:54

Celeste偽晴(躺平模式)
被叫做老師感覺好不習慣XD
我也只是因為剛好被問到專業才有辦法回答這麼深入,其他的科學問題我可能負荷不來,不過還是很歡迎一起討論動畫中的科學議題[e34]08-26 20:11

盤尼西林好像在末日劇情裡都會出現=-=

08-27 11:28

Celeste偽晴(躺平模式)
可能因為太有名或太具代表性吧08-27 22:31
忙忙碌碌的初心者
現代藥廠用的青黴菌菌株是人工突變種
(維基上寫產量從每毫升40單位,改良到六千多億單位,這倍數我不算了)
用野生種菌株來萃取,可能要萃到天荒地老才夠一個人用的份量
所以千空才說,除非菌氣超好被他們篩出超高產量的菌株,不然行不通

08-31 15:59

Celeste偽晴(躺平模式)
原來還有這麼一層原因,查資料沒查清楚,是我疏忽了
感謝你的提醒08-31 22:05
消失的月亮(~I am God~)
考古(?:1.目前青黴素商業規模的提煉是用“產黃青黴“(當年接下實用化試驗的科學家在水果攤的一顆哈蜜瓜找到的)過了N年還有沒有這黴菌還是個問號,再來千空目前也沒有培養精煉的條件(自然環境下真菌會互相競爭)。 2.

09-07 23:17

Celeste偽晴(躺平模式)
謝謝你的補充[e41]
這樣看起來的確還是安份的走合成路線比較恰當,雖然說能合出來的時候應該也差不多有能力培養青黴菌了,但是變數還是有點多09-08 17:31
消失的月亮(~I am God~)
有個沒史實根據的逸聞:佛萊明曾用青黴素救了邱吉爾,但實際上邱吉爾是服用(對面德國發明的)磺胺藥物....

09-07 23:20

Celeste偽晴(躺平模式)
這個故事我好像也聽過,不過畢竟是軼聞嘛、就不列入介紹囉09-08 17:31
秋和
苯環不是有π鍵會共振嗎?那不是比較容易發生取代反應而不是加成?

10-22 19:38

Celeste偽晴(躺平模式)
確實沒錯,這裡發生的反應也都是取代反應而非加成喔10-25 22:56
Xeonxer
老師老師 我看日劇仁醫的劇情 青黴素的提煉好像比合成磺胺劑的時間更長

08-01 10:55

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