重水和超重水是否可以直接饮用饮用是什么感觉

　　重水和超重水是否可以直接饮用饮用是什么感觉游戏问答6月22日更新，根据 @Mon1st 提供的文献，提供了一个可能的对重水甜味的解释。
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【越到考试周越作死……@孟祥溪 @张凯栗 @逸心
看到 @A Hilbert 的回答 吃一小勺-200°C的冰会怎么样？ - 知乎 之后我觉得蛮有意思的，然后跑去查了一下提到重水味道的文献。


0. 概述
本文并不能提供关于重水到底是不是甜味的结论性证据，只能梳理一下能找到的文献资料。后文根据 @Mon1st 提供的关于用酸度感受器感受水的文献，提出了一个猜想性的解释（基于重水确实是甜的这个前提）。
请各位不要买重水喝，说重水没有什么生物学效应对人体没害的估计没学过物理有机化学不知道动力学同位素效应（Kinetic isotope effect，KIE）或者是不知道氘代药物（Austedo (deutetrabenazine)，四月初FDA刚批准的[1]）……
很多人提到用重水谋杀的事情，实话说……鉴于人每日摄入排出的水量，被害者被杀死之前估计凶手先穷死了。使用重水谋杀这事情可能起源于1934年的一本推理小说（The Casino Murder Case，鉴于1933年第一次制得纯重水，对比一下后文的重水生物学效应研究的年份，现在写故事的人追热点的能力还是图样啊）。
我还是得必须再声明一下我反对一切食用试剂的行为，而且有些重水还会添加核磁内标（Trimethylsilylpropanoic acid，TMSP或者DSS (NMR standard)，我怀疑过，但是这个应该不是甜味来源……不如说应该会是酸味的吧……）。


1. 关于重水味道和重水普通水区分的文献
1931年Harold Urey发现了氢的同位素氘（1934年因此获得诺贝尔化学奖），1933年人们才第一次制得纯的重水，结果1935年Oslo University的Klaus Hansen教授就与某位答主，某Youtuber和某B站up主等人一起中二了一把（顺带一提这时重水价格$5/g，再顺带一提这位当时旁边可是站着四位医生随时监控体征还准备齐全了救护器材）。[2][3]
他做这次人体实验的主要目的是想尝试看看重水对于人有没有害，所以他的原计划是第一次10毫升，随后每天增量直到100 g，全计划本来要摄入2 L重水。[3]
这位高级中二对于重水味道的描述是“ had a slight taste reminiscent of nitrous gases”[1]“a mild shock and burning lips”[4]。（值得注意的一点是，他服用的重水目测是他自己在实验室中制备的[4]，我们无从评判其中杂质是什么，所以这个味道嘛……）


图1 Popular Science对于这位远古中二的报道，右图这位为Prof. Klaus Hansen [4]


他的这个中二行为似乎是没怎么被严肃科学家看好，Urey在Science上发表了一篇短文驳斥了Hansen所感觉到的“dry burning sensation”[5]，他和他的同事们做了实验，表示两个实验者（一个漱口，一个喝下去）皆无法分辨蒸馏水和重水，认为这两者尝起来是一样的。


随后似乎搜索不到在严肃科学期刊上发表的关于人尝试重水的报告，但有几篇文献值得一提：


1968年， Smith报道小鼠可以区分重水和普通水。[6]


1976年，JHU的Richter用大鼠做了实验，在饮用水只能选择重水时，18只实验鼠平均仅能生存14天，随时间变化，这些大鼠体重迅速下降，且自主摄入的重水量越来越少。[7] 他也发现，如果同时向实验鼠提供蒸馏水和重水，18只实验鼠中的14只很快就开始分辨出重水和蒸馏水并且更多的摄入蒸馏水（互换两饮水瓶的位置它们也可以识别的出来，Fig. 4A），剩余的四只有另外的两种摄入模式（Fig. 4B Fig. 5）。他认为这个现象可以这样解释：当实验前几日实验鼠摄入了较大量的重水时，它们将很快开始厌恶重水（可能因为大量摄入重水感到不适？）；而当前几日大鼠摄入两种水的量接近时，大鼠可能很长时间都无法分辨重水和蒸馏水。


图2 小鼠对重水普通水区分的四种行为模式[7]


但是大鼠很有可能并不能尝出来水和重水之间的区别，另有数只可怜的大鼠被切了味觉神经之后被拿来做实验，实验结果是类似的，这可能说明大鼠是用身体（而不是舌头）感受到了重水。切除嗅球给出的结果不是那么明显，但让我们无法排除这些大鼠用嗅觉区分重水和蒸馏水的可能性。


1979年，Miller和Mooser直接用大鼠的舌头做了实验，通过测量与舌苔相连的鼓索神經的反应来表征不同的物质对舌苔刺激的不同[8]，文章研究了氯化钠，氯化钾，蔗糖和奎宁的重水和水溶液对于神经刺激信号的差别。
研究结果表明，溶于重水中的数种溶质产生了比溶于普通水中的对应溶质更强的信号，但是如果用重水-水的混合溶液的话，在重水比例低于25-50%时将不再能观察到区别，这与Richter的实验结果是比较一致的。如果让样品舌头适应于重水环境而不再是普通水环境后，这种信号差别将会降低（不过舌头样品并不是内部全部被重水替换掉了）。
作者对于重水为何有可能产生这些效果在四个层面上提出了一些猜想和假设（基于氕水对于味觉感受器的响应，游戏问答涉及氢键，pKa等等性质的不同），但是并没有提供进一步的实验。
The mechanism by which D2O excites activity in gustatory nerves is unknown, but some aspects of how H2O affects the gustatory response provide a starting point. Four sites of action of D2O are considered: (1) direct contact with the sensory nerves, (2) penetration into the intracellular compartment of the receptor cell, (3) interactions with surface of the receptor cell, and (4) modification of the bulk phase of the stimulus solution. The action of D2O on the taste receptor is assumed to be homologous to the normal function of H2O in the system. It is assumed that the excitatory effect of D2O is not due to the presence of a contaminating substance which is based upon the analysis from the supplier.（刚发现我要写TA的课的期末考试answer key，所以你们适度催更吧我去复习了）


2. 重水有甜味这一说法的来源
重水有甜味（还有人表示有后味）这个说法散见于中外网站上，尝过的人有的是参加了药物研究实验（Doubly labeled water）：
吃一小勺-200°C的冰会怎么样？ - 知乎
重水是什么味道的“壮士，干了这杯恒河水！”_趣味科普人文_科技_bilibili_哔哩哔哩
https://www.youtube.com/watch?v=MXHVqId0MQc
ELI5: Why does deterium oxide(heavy water) taste sweet? • r/explainlikeimfive
What does heavy water taste like?
What does it feel like to drink heavy water?
Does heavy water taste sweet?
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（尝过的重水品牌有： 99.9% D2O from Cambridge Isotope Laboratories, Inc.，99.9% D2O from Deuterium Laboratory Peking University Mingde, 99.9% D2O from Sigma-Aldrich, Inc. 等等（喂。）
（也有人说喝了之后马上喝了点普通水并觉得自己不能在双盲实验中区分两者的）


3. 重水与普通水性质上的区别
重水密度比水大，熔沸点比水高，粘度略大于水，离子积稍大于水，这很可能导致口感不同，比如一般人都能分辨出可乐和健怡/零度可乐除了甜味不同以外仍有些微妙的差异（普通可乐因大量的糖导致其密度和粘度都比健怡/零度可乐大）。


图3 D2O，HDO和H2O的一些物理性质差别，自维基百科Heavy water - Wikipedia


但是味觉感受器的机理我并不是非常懂，味觉这个过程也比想象中的复杂得多（比如“水味”[9]，比如有些人舌苔温度降低到一定值后就能感受到甜味[10]），我也并无法通过其化学结构给你们做出什么推断（顺带一提请分清D2O和HDO，买到的重水绝大多数氢都是氘，绝大多数都是D2O，你看到的核磁水峰是HDO里面的那个H的峰不是H2O里的H的峰）。


4. 对重水甜味的一个可能的解释
知友 @Mon1st 给出了一篇文献[11]，该文指出酸度感受器通过感应局部pH值的变化可以让小鼠感受到水。按这个想法考虑的话，重水尝起来甜的原因可能不是它刺激了甜味感受器，而是它不“酸”。


由前文所说，D2O，HDO和H2O的离子积是不同的，这将导致纯重水中的D+的浓度与纯水中H+的浓度的不同。利用用这两者的离子积（pKw(H2O) = 14, pKw (D2O) = 14.87 (25℃) [12]），可计算得两者的pH值差值在0.44左右（37 ℃时稍小一点，0.43）。
换言之，在不考虑D+和H+对于味觉感受器造成的影响有区别的情况下，我们可以认为纯H2O比纯D2O的酸性强，纯水中H+浓度是纯D2O中的D+浓度的2.75倍。如果我们认为人口腔中的唾液不是很多，然后你闷了一口重水的的这个效应足以将口水稀释到不需考虑的地步（口水其实是个缓冲体系[13]，但是再考虑这个我就要疯了），这会导致细胞膜外D+(H+)浓度的下降从而导致我们感觉到甜味。
（所以农夫山泉有点甜也是因为这个原因了（农夫山泉pH值在7.3±0.5 [14]）？？？所以我睡觉前没喝完的半杯水醒来闷一口觉得味道不对也是因为这个原因了（二氧化碳溶解在水里导致pH下降）？？？


这个说法意外的很有说服力，因为很多人同样表示蒸馏水/去离子水喝起来也有一些甜味，而这个可以这样解释，口水的正常pH值在6-7[13]，饮用大量水之后我们将口水稀释而降低了口腔中的氢离子浓度（都说了不考虑缓冲溶液了(╯‵□′)╯︵┻━┻）。
我们能感受到这么小的pH值变化么？大概是能的。06年的一篇Nature[15]显示，pH值变化0.5，就会使得表达了PKD2L1蛋白（也是舌苔的酸味受体）的脊髓细胞显示出明显的荧光信号变化（几乎翻倍，虽然这个体系跟舌头什么的差的很远吧……）。


以上讨论都是在不考虑酸味感受器对H+和D+是否有不同的响应的情况下进行的纯粹的物理化学讨论（也没考虑重水即使物理层面上也可能有更多的影响），重水的甜味可能不止来源于这点pH的变化。因为如果我们考虑农夫山泉只是有点甜，而大多数尝了重水的人都表示重水好甜，这个可能说不太通（。
好了，接下来的一步可能是先试试这个猜测对不对，比如先做点pH = 7.43 的水溶液然后去看这个水是不是感觉有点甜（但是这个过程中会引入其他离子，这就很麻烦了）。或者说鉴于HDO的pH值介于两者之间，所以你们谁去尝一下HDO然后看看是不是比纯水甜但是不如重水甜（写个本子申个基金吧……）？


5. 彩蛋时间
有款伏特加的名字叫Heavy Water（Heavy Water Vodka），不过这伏特加并不是用重水酿的。这款来自斯堪的纳维亚半岛的伏特加是为了纪念二战期间对世界上第一座重水工厂，挪威的Vemork水电站（Vemork - Wikipedia）的破袭行动（Norwegian heavy water sabotage）而命名的。


参考文献：
[1] The first deuterated drug arrives The First Deuterated Drug Arrives
[2] Professor drinks "heavy water"——Feels no ill-effects PROFESSOR DRINKS
[3] Pharmacologist drinks heavy water in experiment Pharmacologist drinks heavy water in experiment
[4] Experimenter drinks "heavy water" at $5000 a quart, Popular Science, 1935, 126(4): 17.
[5] Urey, H. C., Failla, G., Concerning the taste of heavy water[J], Science, 1935, 81(2098): 273.
[6] Smith, C. U. M., Discrimination between heavy water and water by the mouse[J]. Nature, 1968, 217(5130): 760-760.
[7] Richter, C. P., A Study of Taste and Smell of Heavy Water (99.8%) in Rats[J]. Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine, 1976, 152(4): 677-684.
[8] Miller, I. J., Mooser. G., Taste responses to deuterium oxide[J]. Physiology behavior, 1979, 23(1): 69-74.
[9] Bartoshuk, L. M., McBurney, D. H., Pfaffmann. C., Taste of Sodium Chloride Solutions after Adaptation to Sodium Chloride: Implications for the" Water Taste"[J]. Science, 1964, 143(3609): 967-968.
[10] 我得找找这是来源于the kitchen as laboratory的哪一章……我忘了……
[11] Zocchi D, Wennemuth G, Oka Y. The cellular mechanism for water detection in the mammalian taste system[J]. Nature Neuroscience, 2017.
[12] Lide D R, ed. al. CRC Handbook of Chemistry and Physics (70th ed.). Boca Raton (FL):CRC Press.1990.
[13] Humphrey S P, Williamson R T. A review of saliva: normal composition, flow, and function[J]. The Journal of prosthetic dentistry, 2001, 85(2): 162-169.
[14] 农夫山泉有点甜 （我没有收任何广告费，农夫山泉相关人员可速与我联系（。
[15] Huang A L, Chen X, Hoon M A, et al. The cells and logic for mammalian sour taste detection[J]. Nature, 2006, 442(7105): 934-938.


以上