下雨的味道 [科學月刊]

「我聞到一個味道，外面是不是下雨了！」

不知道大家有沒有過這種經驗呢？

在下雨時，除了天空陰暗、空氣變得悶濕之外，還常常會有一種說不上來的特殊氣味！一種濃厚的「土味」飄散在空氣中，但它到底是什麼呢？今天我們就來解開這個味道的秘密吧！

雨味？土味？不夠潮！

關於這個土味，其實有個專有名詞叫做「潮土油」（petrichor），1964年由澳洲科學家貝爾（Isabel Joy Bear）與托馬斯（Richard Grenfell Thomas）在《自然》（Nature）期刊中發表的論文裡提出。這兩位學家提到，一開始人們把這種味道稱為「土味」（argillaceous odour），但他們覺得這個名詞不夠精準，因為「土味」暗示著這種味道是由「土」造成的；然而他們在實驗中卻發現，無論是岩石、泥土、礦物，只要有縫隙就可能在下雨時造成這樣的味道。因此，這兩位科學家發明了「潮土油」這個新名詞，源自於希臘字_petra_與_ichor_，意思分別是「石」與「神的血液」，以表示這種氣味來自於岩石、礦物中的液體。

這篇論文當然不是只創造出一個名詞就結束。為了找出岩石中是什麼東西造成此氣味，他們將不同種石頭、礦物曝曬在太陽下乾燥數個月至一年，並且妥善保護這些石頭，不讓它們碰到任何一滴水，經過妥善地曝曬處理後，再用水或有機溶劑萃取出裡面的物質。他們發現，經過曝曬、萃取而得到的物質都是「黃黃的油狀物」，而這種油狀物的味道正是下雨時我們聞到的氣味（圖一）！然而受限於當時的技術，這兩位科學家並未解析出這種油狀物的成分，不過已經開啟了人們對雨味的未知寶盒。

出來吧，土臭素！

那麼這種土味到底是什麼成分呢？其實這可以回朔到更久之前。從19世紀末開始，人類就一直在研究「土的味道是什麼」，而大部分的研究只說這些造成土味的化合物，可以用水或是有機溶劑從土壤中萃取得到；另外有部分研究提到此種味道與放線菌（Actinobacteria）、鏈黴菌（Streptomyces）的存在有關，但都沒有明確指出其中的物質成分。直到1965年，才由美國羅格斯大學（Rutgers, The State University of New Jersey）的格柏（Nancy N. Gerber）與萊切瓦里耶（Hubert A. Lechevalier）從研究中確定其中一種明確的化合物──土臭素 （geosmin）。

土臭素的命名同樣來自於希臘文，「ge」代表土壤，「osme」則代表味道。在這篇論文中，他們培養數種放線菌，再對其生成的物質進行萃取、分離，最後得到土臭素。他們定義出土臭素的沸點為270℃，可能的元素組成是碳、氫、氧，且在酸性條件下會形成另一種沒有味道的衍生物（argosmin）。很可惜的是，在這篇論文中並沒有定義出土臭素的結構，其完整結構是在3年後才由格柏真正判定出來（圖二），其結構為1,10-二甲基-反式-9-萘烷醇（1,10-dimethyl-trans-9-decalol）；而土臭素的衍伸物的樣貌則是1,10-二甲基萘烷-9,1-烯（1,10-dimethyldecal-9,1-ene）。

而土臭素能幹嘛呢？科學家發現，這種物質能夠將昆蟲們臭走、吸引土壤中的小動物！在土壤中生存的生物們會因為靠近菌株而沾上胞子，當他們再鑽進土中時，就能將胞子散布到土壤中，成長茁壯成下一個菌株。

不過，這種物質之所以叫做土「臭」素，當然不是只有昆蟲覺得臭而已，人類的鼻子也對土臭素極為敏感，只要只要一兆分之五（5 ppt, 5×10-12） 的濃度就足以讓我們感受到它的存在。對於這個數字沒什麼概念嗎？它的臭度差不多等於你用一個寶特瓶瓶蓋裝土臭素，放在臺北小巨蛋的空調出風口，然後整個巨蛋的人都能聞到的程度［註］，這種臭度真的很誇張啊！而這樣強烈的味道當然也造成很多困擾，包含像抓溪魚時吃到的土味，或是養殖漁業水池散發的奇特氣味。所幸前面有提過，土臭素能被酸變成另一個化合物，因此如果害怕吃到的魚有土味，只要加點醋或是檸檬，就能輕易地去除土味喔！

［註］土臭素密度為1 g/cm3，一個寶特瓶瓶蓋體積約5毫升，即裝滿瓶蓋的土臭素約為5克；小巨蛋基地面積為5986坪，高度約45公尺，總計約90萬立方公尺；1 ppt為一立方公尺內含10-6克，因此5 ppt土臭素即整個小巨蛋內含4.5克的土臭素。

不過……下雨的味道真的只有一種嗎？

當然，下雨的味道可不只一種！

事實上，發現潮土油的貝爾與托馬斯在1965年，又對這個物質有了更深一層的見解。他們發現潮土油裡面有一種植物分泌的油狀物成分，會抑制種子發芽（圖四）。探究原因，是植物爸媽為了避免小孩和自己搶水，或是擔心自己因為太過乾旱而英年早逝，因此會在乾旱時分泌出這種油狀物，儲存在石縫與土壤中讓種子先休眠，直到下雨時這些物質才會被沖出來。而當雨水讓周遭的油狀物減少、土質被鬆動之後，原本累積在這些地方的種子，便不再受到壓抑而開始發芽、成長、茁壯，直到它們的生命週期再次循環，植物是不是也很聰明呢？

除了這兩個味道之外，其實還有一種味道是「下雨前」就能聞到的，那就是「臭氧」（O3）。臭氧的生成是源自於雷電的高能量，使空氣中的氧分子被激發成兩個氧原子，而不穩定的氧原子碰到其他的氧分子，就會反應形成臭氧（圖四）。雖然臭氧很不穩定，馬上就會再與別的物質反應，但人類的鼻子很靈敏，絕不會放過這個低濃度的鮮明氣味！不過臭氧的味道有點難形容，有人說是一種「新鮮空氣」的味道；也有些人說是「青青草原」的味道。讀者們下次有機會的話，不妨在午後雷陣雨之前出去聞聞看這是什麼味道吧！

水之呼吸零之型：氣溶膠

至此，人類對下雨的味道差不多已經得到解答了。不過我們真的已經解開所有謎底了嗎？這些土壤與石縫中的物質如何傳播到空氣中呢？

你可能會想說：「不就是用水把他們萃取出來的嗎？」，或是「化合物揮發進到空氣中就有味道了吧！」其實這兩種說法都不算錯，不過也都不完全正確。「雨水把味道帶出來」聽起來好像很直觀，但仔細想想，雨滴是往下落的，要怎麼把氣味向上帶到空氣中呢？而若是這些物質能藉由揮發讓我們聞到，那應該在炎熱的夏天會有更濃厚的氣味，而不是濕悶的下雨天才對吧？

所幸科學家們已經找到證據，讓我們不用憑空猜想。2015年，麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）的科學家們在高速攝影機中找到了直接證據。原來雨滴落在土壤或岩石表面後，會與氣味分子形成「氣溶膠」（aerosol，［註］），也就是我們熟知的「懸浮微粒」。這些懸浮微粒由水滴包覆著土壤中的氣味分子，被風帶向空氣中，就讓我們聞到所謂下雨的味道了。

［註］這裡提到的是氣溶膠，與氣凝膠（aerogel）不同。氣凝膠是一種由氣體填充的膠體，是個中間非常多孔洞且孔洞極小的塊狀物。它的構造類似海綿，但固體成分不是海綿那種軟塑膠，通常由堅硬的矽化合物組成，是一種既堅韌、重量又非常輕的材料。

高速攝影機影片：[https://youtu.be/Waqmq_GTyjA]

下雨味道的真相可真不簡單

總結來說，下雨的味道其實是個集合體，主要來自細菌產生的土臭素、植物分泌的油狀物，以及雷電伴隨的臭氧。每種化學物質的味道各有不同，但總合起來就是我們聞到的味道了。下次不妨在下雨時閉上眼睛，細細品味這個味道，並且和你的朋友說說背後的故事吧！（如果被絕交的話我們不負責喔！）

延伸閱讀

1. Bear, Isabel Joy; Thomas, Richard G. Nature of argillaceous odour. Nature. 201 (4923): 993–995. (1964)
2. Bear, Isabel Joy; Thomas, Richard G. Petrichor and plant growth. Nature. 207 (5005): 1415–1416. (1965)
3. Stensmyr, M. C. et al. A Conserved Dedicated Olfactory Circuit for Detecting Harmful Microbes in Drosophila. Cell 151, 1345–1357 (2012).
4. Bear, I. & Kranz, Z. Fatty acids from exposed rock surfaces. Aust. J. Chem. 18, 915 (1965).
5. Nelson, C. Flipping the switch off. Lab Anim 47, 267–267 (2018).
6. Gerber NN, Lechevalier HA. Geosmin, an Earthy-Smelling Substance Isolated from Actinomycetes. Appl Microbiol. 13(6), 935-8. (1965)
7. Mattheis, J. P. & Roberts, R. G. Identification of geosmin as a volatile metabolite of Penicillium expansum. Applied and Environmental Microbiology 58, 3170–3172 (1992).
8. Polak, E. H. & Provasi, J. Odor sensitivity to geosmin enantiomers. Chem Senses 17, 23–26 (1992).
9. Gerber NN, Geosmin, from microorganisms, is trans-1, 10-dimethyl-trans-9-decalol. Tetrahedron Letters 9(25), 2971-2974 (1968)
10. Polak, E .H.; Provasi, J. Odor sensitivity to geosmin enantiomers. Chemical Senses. 17: 23–26. (1992)
11. https://reurl.cc/EzN1YK (台北小巨蛋規格)
12. https://www.jic.ac.uk/blog/meet-the-molecules-geosmin/
13. https://www.epa.gov.tw/niea/725571C8E8A86C34

附註

原文刊載於《科學月刊》618 期 〈潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道？〉