不剛正,不屙!破解袋熊的「方便」之謎──2019搞笑諾貝爾物理獎

今年搞笑諾貝爾獎的物理學獎得主,頒給了研究「生物流體力學」的楊佩良(Patricia Yang)與胡立德(David Hu)團隊,以表彰他們破解了袋熊的「方便」之謎。

2019搞笑諾貝爾物理獎頒獎典禮。圖片來源/The 29th First Annual Ig Nobel Prize Ceremony (2019)

矮矮胖胖、圓呼呼、毛茸茸的袋熊有著自然界中最叛逆的絕技──把便便拉成方的。很久以前人們就知道袋熊會製造布朗尼(X)排出接近立方體的便便(O)。但一來,不知道牠們是怎麼辦到的,二來不清楚這些特殊便便到底可以滿足什麼需求,這事也就成了生物學的一樁懸案。

無法否認的,布朗尼實在長得跟袋熊便便有一點像……。圖/wikimedia

含水多寡,形狀有差

還記得上次看到便便是什麼時候嗎?應該是最近一次「回眸一看沖水聲」的時候吧。小時候每當洋洋得意地對著媽媽炫耀:「你看!我拉出了葡萄便便!」媽媽總會碎念幾句:最近是不是水喝太少啦?等等先去多喝一杯水。

實際上便便的形狀也真和水分有關。在 1997 年英國布里斯托皇家醫院(Bristol Royal Infirmary)就針對人類的便便提出了大便量表(Bristal Stool Scale),將便便分成七種型態,協助醫師在臨床上初步判斷患者是便秘、正常或拉肚子等症狀。

在布里斯托大便量表中,第一型指的是「外型如堅果、難以通過的單獨硬塊」,第二型表示「成團塊狀的香腸形」,這兩型都代表著便祕的跡象;而在2016年,英國科學家Tosin Onabanjo的團隊在研究把人類大便當作燃料的時候,順便測量了一下整張大便量表的含水率,至此我們知道了人類第一、第二型的便便大約含有50% 以下、50 至 65% 的水分。1

布里斯托大便量表中,不同類型的含水量。圖片來源/Onabanjo, 2016

當便便趨於乾燥時體積會縮小,如同龜裂一樣裂成了小塊,因此我們才會看到馬桶中出現了一顆顆「葡萄」。

你猜怎麼著?正常袋熊便便的含水量正好在 55% 左右,這可要比正常人類的80% 要乾的多啦!為什麼袋熊的便便這麼乾呢?原因出在袋熊奇低的身體代謝率與飲水量上。

不愛喝水 便便特乾

在野外袋熊的代謝率(Filed metabolic rate)只有科學家對哺乳類預期值的四成,飲水量更是只有同體型草食動物的四分之一2。原來袋熊穴居在澳洲東南部的森林與草原之中,飲食有超過九成五都是青草,其中又以灰早熟禾(Poa sieberiana)和澳洲早熟禾(P. labillardieri)為主2

袋熊生活在澳洲,飲水量很少。By JJ Harrison (jjharrison89@facebook.com) – Own work, CC BY-SA 3.0, Link

這些青草的豐富度會隨著季節漲落,袋熊或許正是適應了飲食豐度的季節變化,才有了這般低落的身體代謝率與飲水量2──吃一頓飯可以消化個兩個禮拜呢。順帶一提,袋熊的近親是同在袋熊亞目(Vombatiformes)的無尾熊,這傢伙與袋熊一樣以不愛喝水出名,二者都以食物當作主要的水分攝取來源。

既然飲食中有豐富的纖維,消化時間又特別長、把便便榨得特別乾,這下就不難理解袋熊的便便為何是一小塊一小塊的了。

大便乾到一粒一粒的動物其實滿多的。圖/Needpix

不過在動物界中便便乾燥的可不只你袋熊一家呀,你瞧生活在非洲的斑馬,便便的含水率只有 49%、飛羚(Aepyceros melampus)也只有 30%,長頸鹿更來到了 27% 的超乾燥便便3,怎麼就袋熊你能拉出方塊便便呢?

袋熊方形的便便到底是怎麼回事?圖/Bjørn Christian Tørrissen [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons

腸道肌肉的厚此薄彼

科學家看著眼前的布朗尼,想起同樣跟烘焙有關的擠花袋來了(誤)──方形的便便該不會是因為袋熊的肛門是方形的吧?當便便被排擠的時候,就會因為肛門的形狀而變成方塊狀了。

這個假說甚囂塵上了好一陣子,也不見有誰提出紮實的證據出來。楊佩良團隊本來也是這麼想,但他們將袋熊麻醉後用電腦斷層(CT)從頭掃過一次,咦?這袋熊的肛門明明也是圓孔呀!這下「方肛假說」可就不攻自破了。

在電腦斷層下,可以看到袋熊的圓肛門。圖片來源/2019 Ig Informal Lectures

不過肛門不是方的不要緊,腸子是方的不也成嗎?於是研究團隊解剖了被路殺的袋熊,將腸子從頭到尾檢查了一次,這可就找到了些貓膩。

從解剖可知,袋熊的便便一開始也是一團鬆軟,要直到腸道末端才逐漸變硬、變方,而要形成我們所見到的方塊便便,則大約是到了腸道末端 8%左右的地方才能見到。

 

 

 

 

—-以下有袋熊解剖畫面—-

 

 

袋熊便便是逐漸變方的。圖片來源/2019 Ig Informal Lectures

隨著組織切片的結果出爐,才發現原來袋熊的腸道肌肉發育的並不均勻。在腸道環周上,有兩處的環狀肌(Circular muscle)比起其他地方更厚了五成,使得這些地方的剛性(stiffness,描述材料因為受力而變形的難易度)相較於它處高上三倍。

在袋熊腸道的多層肌肉上,不同處的組織厚度有差異。圖片來源/2019 Ig Informal Lectures

也就是說,當便便通過腸道時,來自周圍擠壓的力量並不均等,才讓便便有稜有角起來。研究團隊也利用布片的厚度差異,縫製了一段模擬腸道,並塞入保麗龍球看看形狀會如何變化。果不其然,在部分區間有加厚模擬腸道,填入保麗龍球後出現了稜角!

利用布料與保麗龍球模擬袋熊腸道結構,可以見到在實驗組有兩個區段被加粗、加厚。圖片來源/2019 Ig Informal Lectures

方型的便便方便堆高宣告主權?

根據野外觀察,袋熊雖然是生活在草地的動物,但每天晚上排出的八十到一百個便便,會特別安置在岩石、倒木上方,讓牠做好的布朗尼高高在上。其實這也不稀罕,許多動物都會利用排遺的氣味,向同類宣示這兒是誰當家做主、向異性打聲招呼「安安,幾歲,找?」。

把便便放高點當然這布告欄的效果也就特別好了,不過袋熊這乾燥便便要是圓不溜丟,一下就從高處滾下了,效果未免差了些,而或許這就是袋熊演化出方形便便的推力──既然不能保有溼便便直接黏好黏滿,那就把形狀弄得穩固些吧,別屎掉了。

這下總算解開了袋熊的百年布朗尼配方(X),不過這也不是楊佩良與夥伴第一次得到搞笑諾貝爾獎,還記得 2015 年榮獲搞笑諾貝爾物理獎的「哺乳類平均的尿尿時間為21秒」研究嗎?答對了,這也是楊佩良傑出的一手,連續兩度獲得這「乍看荒唐,卻引人深思」的獎項,真稱得上是搞笑諾貝爾獎的瑪麗亞・斯克沃多夫斯卡-居禮呀!

參考資料

  1. Onabanjo, T., Kolios, A. J., Patchigolla, K., Wagland, S. T., Fidalgo, B., Jurado, N., … & Williams, L. (2016). An experimental investigation of the combustion performance of human faeces. Fuel, 184, 780-791.
  2. Evans, M. C., Macgregor, C., & Jarman, P. J. (2006). Diet and feeding selectivity of common wombats. Wildlife Research, 33(4), 321-330.
  3. Ndlela, L. L., & Schmidt, S. (2016). Evaluation of wild herbivore faeces from South Africa as a potential source of hydrolytically active microorganisms. SpringerPlus, 5(1), 118.

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關於作者

曾柏諺

大學念生科系,碩班是生科所,喜歡以生物冷知識和迷因推翻大家的三觀。

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