為什麼魚越大，體內水銀越多？
― 答案，藏在博物館的舊蛋殼裡
明明游在同一片海裡，沙丁魚怎麼吃都沒關係，鮪魚卻被建議「懷孕期間每週最多一次」。這是因為海裡的水銀，會隨著一次次「吃與被吃」不斷變濃。最早向世人揭示這個機制的，並不是化學家，而是一位四處查看鳥巢、一顆一顆秤博物館蛋殼重量的自然保育研究者。
孕婦健檢時拿到的手冊上，寫著吃魚的注意事項。紅金眼鯛、劍旗魚、黑鮪魚被列為「每次約80克，每週最多一次」。
但沙丁魚、鯖魚、竹筴魚卻沒有特別的次數限制。鮪魚罐頭也被認為可以正常食用。
同樣是海裡的魚，差異在哪裡？這不是說海裡某些地方水銀多、某些地方少。真正的差異，在於這條魚「吃什麼長大的」。
水銀變濃的原因，只有兩個
魚要增加1公斤體重，據信必須吃下約10公斤的食物。剩下的9公斤，會作為游泳、維持體溫等所需的能量燃燒消失。
海中的部分水銀，會經由微生物作用變成「甲基水銀」。它會附著在肌肉的蛋白質上，很難排出體外。
食物會燃燒消失，水銀卻會留下來。結果，10公斤食物裡的水銀，就集中到1公斤的身體裡。這個過程在食物鏈的每一階都會重複發生。
每往上一階，會變成幾倍？
海洋的食物鏈，從肉眼看不見的植物性浮游生物開始。牠們被動物性浮游生物吃掉，動物性浮游生物又被沙丁魚等小型魚吃掉，再被鯖魚等中型魚吃掉，最後被鮪魚吃掉。
請看圖1左側。越下面一層生物量越多，越上面一層越少。但水銀的濃度，卻是越往上越高。「量」的金字塔和「濃度」的金字塔，方向恰好相反。
如果假設每一階的倍率約為8倍，那麼位於4階之上的鮪魚，濃度就會變成約4000倍。實際上，水銀會在過程中慢慢排出體外，所以不會濃到這麼誇張的程度。即便如此，鮪魚的水銀濃度據信仍是沙丁魚的數十倍左右。
揭開謎底的，是一位秤蛋殼的人
1950年代的英國，遊隼數量突然開始減少。四處查看鳥巢的研究者德瑞克·拉特克里夫（Derek Ratcliffe）發現了一件怪事：親鳥本應孵著的蛋，卻在巢裡破裂了。
他猜想，會不會是蛋殼變薄了？於是向博物館與私人收藏家借出舊蛋，一顆一顆秤重。他蒐集到的紀錄，橫跨1900年左右到1960年代。
結果如圖1右側所示。蛋殼重量在將近半世紀裡都沒什麼變化，卻在1947年左右突然減輕了約兩成。而這個時間點，正好與農藥DDT開始在農地廣泛使用的時期重疊。1967年，這項結果發表在科學期刊上。
農地上噴灑的藥量，原本對鳥類來說應該不至於造成危害。但遊隼會吃下許多吃過害蟲的小鳥。在食物鏈的頂端，藥物已經濃到足以擾亂蛋殼的形成機制。
同一時期的日本，熊本縣的水俁灣也發生了類似的事：工廠排放廢水中的甲基水銀，在魚體內濃縮。天天吃這種魚的居民，出現了嚴重的健康損害。這就是水俁病，於1956年正式確認。根據紀錄，在人類發病之前，貓和海鳥就已經先出現異狀，同樣是因為大量吃魚的生物，最先濃縮到高濃度水銀所致。
魚類含有豐富的優質蛋白質，以及對身體有益的脂肪（如DHA等）。厚生勞働省（日本厚生勞動省）的注意事項，並不是要人不吃魚。而是因為腹中胎兒對水銀較敏感，才呼籲懷孕中的人選擇魚的種類與份量。建議以食物鏈下層的小型魚為主，均衡攝取各種魚類。進入體內的甲基水銀，據信約2個月會減少一半。
總結
食物大部分會作為能量燃燒消失，但難以排出體外的物質卻會原封不動地留下來。因此，同一種物質每上一階食物鏈，就會變濃好幾倍。大型魚水銀多，並不是那條魚的錯，而是因為牠在海裡處於「大量進食」的一方。這個機制，正是從遊隼破裂的蛋，以及沉睡在博物館裡的舊蛋殼中被揭露出來的。
吃下去的東西即使燃燒消失，不會消失的東西仍會留下來。
食物鏈的頂端，正是整片海洋「殘留物」的聚集之處。
海洋食物鏈以肉眼可見形式呈現的例子，可參考「漁夫為什麼只要看到海鳥群，就知道魚在哪裡？」；生物量金字塔的介紹，則可參考「如果把地球上所有生物都放上磅秤，最重的會是什麼？」。
- 在超市鮮魚區，挑選陳列的3～4種魚，查查看牠們各自吃什麼長大（例如：沙丁魚吃浮游生物、鰹魚吃小魚等）。
- 從植物性浮游生物開始數起，把該魚位於第幾階寫在紙上。
- 對照厚生勞働省「有關魚貝類所含水銀」的一覽表，確認階數越高的魚，注意事項是否也越嚴格。
即使是同一種魚，個體長得越大，據信因為持續進食的時間越長，水銀往往也越多。不妨也留意一下魚的體型大小，會很有趣。
想了解更多 ― 用語・算式・與教科書的連結從國中理科到大學專業科目，會明確標示屬於哪個程度
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「生物基礎」「生物」課程範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄程度的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（生態學・環境化學・毒理學）的內容
- 研究中連大學都還不會當作「定論」教授、研究者仍在調查中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 生物濃縮：難以排出體外的物質，透過食物鏈，在越高層級的生物體內累積得越濃的現象。
- 食物鏈：吃與被吃的關係鏈結。在海洋中，起點是植物性浮游生物。
- 甲基水銀：水銀上接了一小段碳與氫的形態。容易被生物體吸收，卻難以排出。
國中高中用算式驗證：每階變幾倍、4階後變幾倍
從「食物中水銀進入體內的量」與「體重增加量」之間的平衡，來估算每一階的倍率。這裡的數值，只是為了看清機制而設的假設。
| 用符號寫 | C上 ＝ C下 × ( α ÷ ε ) |
| 用文字寫 | 捕食者的濃度 ＝ 食物的濃度 ×（水銀留在體內的比例 ÷ 吃下的量中變成體重的比例） |
| 算式從何而來 | 水銀出入的收支平衡（物質守恆）。食物1公斤中的水銀，有比例 α 留在體內；而1公斤食物只能讓體重增加 ε 公斤，因此體內每1公斤中的水銀，就會變成 α ÷ ε 倍 |
| 符號 C下・C上 | 食物與捕食者體內水銀的濃度（單位為 每1公斤體重的毫克數 等） |
| 符號 α（水銀留在體內的比例） | 假設為0.8（據信甲基水銀吃下後大部分會被吸收） |
| 符號 ε（吃下量中變成體重的比例） | 0.1（生態金字塔常見的「十分之一法則」估計值） |
| 從植物性浮游生物到鮪魚的階數 | 4階 |
| 每階倍率 | 0.8 ÷ 0.1 ＝ 8 |
| 第2階（沙丁魚等） | 8 × 8 ＝ 64 |
| 第3階（鯖魚等） | 64 × 8 ＝ 512 |
| 第4階（鮪魚） | 512 × 8 ＝ 4096 |
| 鮪魚與沙丁魚的比值 | 4096 ÷ 64 ＝ 64 |
依這個簡化估算，鮪魚的水銀濃度是沙丁魚的64倍，是起點浮游生物的約4000倍。實際上因為水銀會逐漸排出體外，倍率會小得多，鮪魚與沙丁魚的差距約為數十倍。即便如此，「階數增加、濃度就以乘法效應累積」，正是這個差距的根本原因。
高中高中＋為什麼只有「難以排出的物質」會變濃
高中生物基礎課程中會學到，物質在生態系中循環，而能量則會流失。吃下的有機物經由呼吸作用變成二氧化碳和水離開身體，但不會被分解、也難以排出的物質，就會持續留在體內。這正是生物濃縮的核心。
高中＋易溶於水的物質會隨尿液等排出，但易溶於油脂的物質（如DDT）會留在脂肪中，甲基水銀則會附著在蛋白質含硫的部位而滯留體內。此外，魚越大，通常活得越久、持續進食的時間也越長，因此即使是同一種魚，濃度也往往隨年齡增加而升高。
大學生物濃縮係數與營養階層
在生態學與環境化學中，會區分「生物濃縮係數」（直接從水中吸收而變濃的程度）與「生物放大係數」（食物鏈每一階的倍率）。本文提到的 α ÷ ε，屬於後者最簡單的估算方式。生物位於第幾階（營養階層），常利用體內氮的穩定同位素比例來推估。至於甲基水銀本身，一般認為是海底泥沙及缺氧的中層海水中，由微生物將無機水銀加上甲基而生成的。
📖 算式推導與更深入的內容：生物濃縮（維基百科・日文） ／ 水俁病（維基百科・日文）
研究中目前還不清楚的事
- 甲基水銀究竟在海洋何處生成？ 除了海底泥沙外，據推測缺氧的中層海水中也會生成，但不同地點的比例目前仍在估算階段。
- 暖化會讓魚體內的水銀增加嗎？ 水溫上升會改變魚的代謝方式，進食方式也會隨之改變。已有研究顯示魚體水銀可能因此增加，但不同海域的結論並不一致。
- 新型化學物質也會被濃縮嗎？ 曾用於防水劑等產品的部分含氟化合物，據信不是累積在脂肪，而是附著在血液蛋白質上，導致既有的預測公式難以套用，這已成為新的課題。
換句話說，這篇文章的內容，也只是「目前已知範圍內」的解釋。正如拉特克里夫透過秤蛋殼所發現的一樣，長期而踏實的紀錄，往往正是通往下一個發現的線索。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科「自然界的平衡」「食物鏈」 | 吃與被吃的階層，以及數量金字塔 |
| 高中 | 生物基礎「生態系與物質循環」 | 物質留存、能量流失 |
| 高中＋ | 生物基礎專欄「生物濃縮」 | 易溶於油的物質・附著於蛋白質的物質 |
| 大學 | 生態學・環境化學・毒理學 | 生物放大係數、營養階層與同位素 |
| 研究中 | 海洋水銀循環・新型污染物質 | 甲基水銀的生成地點、暖化的影響 |
| ― | 與生活的連結 | 懷孕期間選魚方式、以小型魚為主分散種類 |
- Ratcliffe, D. A. (1967) Decrease in Eggshell Weight in Certain Birds of Prey. Nature 215, 208–210
- 厚生労働省（日本厚生勞動省）「魚介類に含まれる水銀について」（有關魚貝類所含水銀）
- 瑞秋・卡森（Rachel Carson）《寂静的春天》（沈黙の春），青樹簗一 譯，新潮文庫
- 環境省（日本環境省）《水俁病的教訓與日本的水銀對策》（水俣病の教訓と日本の水銀対策）
※本文為一般大眾取向的科學解說。文中數值為幫助理解機制的參考估算值。懷孕期間的飲食，請以厚生勞働省（日本厚生勞動省）最新的注意事項，以及主治醫師・所在地保健指導為準。