由 J小編 June 19, 2021
「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
- Bear, Isabel Joy; Thomas, Richard G. Nature of argillaceous odour. Nature. 201 (4923): 993–995. (1964)
- Bear, Isabel Joy; Thomas, Richard G. Petrichor and plant growth. Nature. 207 (5005): 1415–1416. (1965)
- Stensmyr, M. C. et al. A Conserved Dedicated Olfactory Circuit for Detecting Harmful Microbes in Drosophila. Cell 151, 1345–1357 (2012).
- Bear, I. & Kranz, Z. Fatty acids from exposed rock surfaces. Aust. J. Chem. 18, 915 (1965).
- Nelson, C. Flipping the switch off. Lab Anim 47, 267–267 (2018).
- Gerber NN, Lechevalier HA. Geosmin, an Earthy-Smelling Substance Isolated from Actinomycetes. Appl Microbiol. 13(6), 935-8. (1965)
- Mattheis, J. P. & Roberts, R. G. Identification of geosmin as a volatile metabolite of Penicillium expansum. Applied and Environmental Microbiology 58, 3170–3172 (1992).
- Polak, E. H. & Provasi, J. Odor sensitivity to geosmin enantiomers. Chem Senses 17, 23–26 (1992).
- Gerber NN, Geosmin, from microorganisms, is trans-1, 10-dimethyl-trans-9-decalol. Tetrahedron Letters 9(25), 2971-2974 (1968)
- Polak, E .H.; Provasi, J. Odor sensitivity to geosmin enantiomers. Chemical Senses. 17: 23–26. (1992)
- https://reurl.cc/EzN1YK (台北小巨蛋規格)
- https://www.jic.ac.uk/blog/meet-the-molecules-geosmin/
- 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?〉