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動物的尿尿工程學(上):為什麼小孩尿尿的時間跟大人一樣長?——《破解動物忍術》

三民書局_96
・2020/03/13 ・3075字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 494 ・六年級

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  • 作者/胡立德;譯者/羅亞琪
  • 編按:胡立德在 2015 年研究哺乳類動物的尿尿時間都是 21 秒,獲得搞笑諾貝爾物理獎。而他也在 2019 年因「破解袋熊的「方便」之謎」,二度獲得搞笑諾貝爾物理獎,真可說是研究屎尿的翹楚呢! XD

我領獎時,和諾貝爾化學獎的得主達德利‧赫施巴赫 (Dudley Herschbach) 握了手。另外七位諾貝爾獎得主站在一旁,露出嘉許的燦笑。

因研究哺乳類動物的尿尿時間,獲得 2015 年搞笑諾貝爾物理獎。圖/截圖自2015年頒獎典禮影片

我走向哈佛大學的講臺,對超過一千名的觀眾進行演說,來到生涯的巔峰之際,我注意到有幾件事跟我想像的不太一樣:掛在脖子上的馬桶座椅很重,還開始往下滑; 站在我身後的,是一個裸體的中年男子扮成的真人聚光燈,全身漆滿銀色顏料的他,是發明全彩 3D 列印的人之一;我走路時,可以感覺腳下的紙飛機被踩扁了,這些紙飛機散落在舞臺上,就是典禮盛大開幕時投向真人標靶(穿戴實驗室白袍、護目鏡和閃爍的紅光)的那數千架紙飛機。

我走到講臺時,一個臉上有雀斑、一頭紅髮、紮著馬尾、穿著連身吊帶褲的八歲小女孩站在我旁邊,手臂在胸前交叉著。如果我的演講超過時間——就算只有一秒鐘,她也會開始不斷大喊「拜託快停止,我好無聊」,直到我停下來為止。這不是諾貝爾獎頒獎現場,而是搞笑諾貝爾獎 (Ig Nobel Prize),但我卻再開心不過了。

「童子尿」是獲得搞笑諾貝爾獎的關鍵(?)

一年前,我的心情非常低落。我兒子哈利誕生了,妻子和我分工合作,她負責餵食,而我則負責代謝系統的另一端——換尿布。

哈利精力非常充沛,覺得任何事物都很好玩,換尿布的時間到了的時候,他會試圖爬走,躲在沙發後面,一邊咯咯笑,一邊尖叫。全身沾滿灰塵的我最終會抓到他,把他帶到換尿布的桌子上,而他則會不斷揮舞著小手小腳,我把尿布脫下來後,他又笑得更大聲了。這就是當父親的日常,直到有一天,他的尿柱直直射在我胸口上。

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敵軍還有 5 秒到達戰場,請做好準備(誤)。圖/GIPHY

我從來沒有被尿過,胸口慢慢湧上一股怒氣,腦海中傳來妻子的聲音,告訴我應該大聲數數,讓自己冷靜下來。1、2、3,我一直數,尿也一直來。漸漸地,噴射水柱變成涓涓細流,在我數到 21 秒時停了下來。幫他穿尿布時,我心想,他尿得可真久,可能有點太久了。

對一個 4.5 公斤的孩子來說,哈利的膀胱還真大。腎臟會過濾血液中的尿素,形成尿液,因此尿液量應該和體內的血液量成正比,可是,我的體重至少是我兒子的 10 倍,我的血液量應該也是他的 10 倍,照理說尿液也應該會是他的 10 倍才對。

但他尿尿的時間為何這麼久?我開始擔心了,說不定我兒子的身體出了嚴重的狀況(例如某種阻塞),所以才尿這麼久,我開始想像自己在小兒科的候診間,到處都是尖叫的小孩。

你在上廁所時,有算過你的尿尿時間嗎?圖/pixabay

我把兒子放在地上,到浴室把自己清乾淨。我看見馬桶,決定來做個實驗,我把褲子脫掉,一手扶著牆壁,開始數數,這是我這輩子最重要的一次排尿。1、2、3……我數到了 23 秒。我心想:哇,我兒子已經能像個男人一樣尿尿了!我應該用希臘神話中的海克力士來給他取名。我兒子的尿液量是我的 \(\frac{1}{10}\),但為何能尿得跟我一樣久?

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這個問題的答案將促使我思考泌尿系統的形狀,並進一步思考動物的形狀對驅動體內和身體周遭流體運動的重要性。

一旦開始思考動物的形狀,我便逐漸明白,動物運動不僅限於從甲地移動到乙地,還會使用身體各部位—無論在體內或體外—的運動來達成各種功能,包含清潔、理毛、進食和消化,這些動作都涉及把液體和固體物質從體內運送到體外,反之亦然。

動物形貌具有多樣性,不像多數跑車只追求流線型

我們周遭的動物似乎有無止盡的形貌多樣性。舉例來說,動物的多樣性高於跑車,因為跑車基本上都設計成流線型,以減少阻力。

每種動物都有屬於自己的樣貌,與生存優勢,像是拍電影(誤)。圖/IMDb

這有部分原因是,對動物來說,形狀的作用不只是讓牠們以最快的速度從甲地移動到乙地而已,否則的話,每種動物都會像跑車一樣呈現流線型。

在水裡和在空氣中,物體受不同的力作用,比方說排尿時,膀胱和尿液就會受到重力的影響,但在水裡,由於阿基米德原理作用的緣故,重力的影響就不重要了。因為水生動物的密度和周遭環境的密度一樣,牠們的重量可以被周圍的水壓所支撐,也因此,在水裡可以存在非常多樣的動物形狀,從鯊魚、魟到水母等等。

對飛行動物而言,高速和燃料效能不見得是主要的演化驅動因素,面對失速 (aerodynamic stall) 或迎面而來的氣流仍能保持穩定的能力反倒較可能是驅動演化的原因。

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因為不同的環境,以及動物各自有的不同需求,身體的內外也就出現各種形狀。在這一章裡,我們會述說三則故事,在故事裡人們都對動物形狀有著濃厚的興趣。記住,這些形狀絕不是最佳的形狀,而是透過演化所產生的夠好的形狀。

試著用科學解釋未知,像是:排尿時間怎麼這麼長?

我兒子尿在我胸口的那天,我也剛好要教大學部的流體力學課,我覺得這是個告訴學生們自身經驗的大好機會。我問班上學生有沒有人可以解釋為什麼我兒子的排尿時間可以這麼長,他們似乎很困惑,有些人還交頭接耳。

我請想幫忙用科學來回答這個問題的人舉手,一位醫學系預科生―他將來會成為泌尿科醫生―和他的朋友志願協助,因此下課後,我把他們請到辦公室。我正好有適當的工具可以給他們進行這個實驗,試試他們的勇氣。

我給他們幾個碼表和一個我以前用來收集螞蟻的髒兮兮的水桶,並告訴他們,請帶著這些東西到亞特蘭大動物園, 若沒有將那裡所有動物的排尿時間都記下來,就不要回來。帶著桶子和碼表突襲動物園是需要受過適當訓練的。為了訓練這兩位學生,我找來楊佩良 (Patricia Yang),她是個高大開朗的臺灣研究生,在臺灣念的是物理學和海洋工程學。

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她和這些大學生一起到附近的公園練習接住狗尿,這個任務比我當初預期的還要困難,我最初的想法是,拿著塑膠杯跟在狗的屁股後面,試圖接住牠們的尿,但這卻演變成我實驗室裡最失敗的實驗。

狗狗(覺得困擾):你們人類好奇怪…… 圖/GIPHY

我們每次看見狗在撒尿時,就會像美式足球隊員要截球一樣衝上前去,狗狗當然會看到我們,並馬上驚慌起來,只尿到一半就停了下來,一邊往反方向跑,一邊對我們吠叫。使用這個方法,我們一滴尿也收集不到。隨著時間過去,我們改善了做法,使用訓練狗狗的尿布墊來收集狗尿,接著秤秤看尿布增加的尿有多重,再利用尿的密度(和水差不多)來算出尿的體積。

佩良和她的學生們也到附近的農場進行類似的實驗,測量到山羊、綿羊和牛的排尿時間和尿量。現在經過充分訓練後,他們就要去對付動物園裡的動物了。

——本文摘自泛科學 2020 年 3 月選書《破解動物忍術:如何水上行走與飛簷走壁?動物運動與未來的機器人》,2020 年 1 月,三民出版

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創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。

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成體幼體大不同:為什麼哺乳類的幼崽這麼「萌」?——《生物轉大人的種種不可思議》
商周出版_96
・2023/11/20 ・1765字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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無法分辨成體和幼體的生物

小孩與大人不一樣。但是有些生物的幼體形態與成體型態相同。

舉例來說,鱷魚的幼體與成體幾乎長得一模一樣,剛破蛋而出的鱷魚寶寶已經具有完整的鱷魚外形,出生後逐年長大,巨大的鱷魚可以長達好幾公尺。不過鱷魚的成長速度在不同環境和溫度下不盡相同,光從大小無法判斷年紀,只看外形也無法分辨是成體或幼體。有些生物的成體和幼體的形態則相差甚遠,好比蝴蝶和蛙類;也有些生物的成體和幼體沒有太大區別,如同鱷魚。

這兩類生物的差別是什麼?

海葵就是幼體和成體相差很多的生物。海葵幼體是一種很像水母的生物,叫做「浮浪幼蟲」 。浮浪幼蟲在海中自由自在漂游,找到喜歡的岩石區時就會落腳,落腳後就不再移動,附著在岩石上長成海葵。移動是海葵幼體的重要任務,長大後的海葵則是肩負產卵留下子代的使命。

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蛙類和蝴蝶的成體與幼體形態也各不相同,不過任務分配上與海葵不同,負責移動的是成體不是幼體。
由此可見,如果一個生物的幼體與成體各有不同任務,彼此的形態就不會相同,而沒有區分任務的生物就具有相同形態。

人類的大人與小孩 

我們人類又是什麼情況呢? 

人類不會因為長大而生出翅膀或尾巴消失。人類的大人和小孩的外型非常相似,但並非完全相同的個體。舉例來說,嬰兒在我們眼中看起來就很可愛。

小孩子可愛的祕密在於他們的寬額頭。嬰兒的眼睛和鼻子集中在臉的下半部,額頭顯得很寬闊,寬額頭會使得整張臉看起來就惹人憐愛。而且嬰兒頭大、四肢短,整體感覺圓滾滾的,帶有人類大人不具備的「可愛感」。假如出現了一個比成年人更巨大的嬰孩,所有人應該還是能夠辨識出他是個嬰兒。人類不像鱷魚,我們不會分辨不出來誰是大人、誰是小孩。 

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人類的大人和小孩具有不同的外型。除了人類,貓狗的寶寶也長得很可愛,即便是凶猛的獅子與灰狼,牠們的幼崽看起來還是很討喜。哺乳類動物的一大特徵,就是「幼體很可愛」。

哺乳類動物的一大特徵,就是「幼體很可愛」。圖/pexels

嬰兒為什麼可愛?

哺乳類動物的嬰兒擁有可愛的外型。

人類出生後先是嬰兒,嬰兒長大是兒童,童年時期的人類依然保有他們的可愛,但是在長大的過程中卻會漸漸失去這種特質。

蛙類的成體和幼體雖然具有不同形態,但是蝌蚪並不是很可愛;蝴蝶小時候是毛毛蟲,反而比較多人覺得毛毛蟲噁心,只有少數人認為牠們可愛。 

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既然如此,哺乳類動物的嬰兒為什麼會可愛?

原因就在於,嬰孩需要大人的保護。哺乳類動物具有育幼行為,牠們的子代需要親代的養育。小孩的可愛外形是為了獲得大人的保護。烏龜以堅硬的龜殼防身,毛毛蟲透過毒毛保護自己,而哺乳類動物的嬰兒則是把「可愛」當護身符。 

嬰兒的寬額頭惹人憐愛。圖/pexels

嬰兒的額頭很寬。為什麼額頭寬看起來就比較討人喜歡呢?因為大人的腦袋裡內建了寬額頭等於可愛的程式。 證據就是只要額頭寬,不管是不是嬰兒看起來都很萌。不過額頭寬並不是為了可愛。

如果說紅燈是「停止」的信號,寬額頭就代表「不可以攻擊」與「要保護他」的信號。

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對於哺乳類動物來說,大人要保護小孩,小孩要被大人保護。大人與小孩的外型相似卻又不盡相同,因為他們肩負不一樣的任務。這樣說來,小孩的任務是什麼呢?小孩的任務很明確,就是「長大」。一個人要有健全的童年,才能成為健全的大人,這就是小孩的任務。

不過近年來人類的大人和小孩越來越難區別了。 總覺得不像小孩的小大人一直在增加,長不大的巨嬰也很多。

——本文摘自《生物轉大人的種種不可思議:每一種生命的成長都有理由,都值得我們學習》,2023 年 8 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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商周出版_96
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為什麼腿短短,走路還搖搖晃晃?解密企鵝賣萌的背後真相!——《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》
晨星出版
・2023/10/24 ・1652字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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企鵝搖搖晃晃地走路

圖/giphy

說到用兩隻腳走路的鳥類,就不得不提企鵝。企鵝用兩隻腳在冰上搖搖晃晃走路的樣子非常可愛。在水中卻可以自由自在地高速游泳、追捕魚,這兩種樣子帶給人的印象有非常大的不同。

話說,企鵝意外地可以走很長一段距離。牠們會在地上蒐集石頭來作巢,所以當然要可以走到築巢的地點。通常企鵝類的繁殖群會位在距離海岸線幾百公尺的地方,但有時會在距離海岸 3 公里以上的內陸,想像企鵝排成一列搖搖晃晃地走 3 公里,實在是可愛至極。

說是這樣說,但是走 3 公里,我們人類都覺得有點遠了,企鵝真的可以搖搖晃晃走過去嗎?

牠們的走路方式感覺效率很差,好像很累。企鵝走路時腳會使用的力量以及計算其所需能量的研究顯示,企鵝的走路方式一如外表印象,效率很差。大概所有人都會覺得「我想也是」吧,但我們不妨來仔細思考為什麼會效率很差。

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圖/giphy

鵝生好累!企鵝其實一直蹲著?

在討論企鵝的步行時,首先得要知道的是其獨特的體型。企鵝看起來是用兩隻腳站著,腳感覺極端的短。大概因為身上的毛色彷彿穿著燕尾服一樣,總覺得像是人類的喜劇演員一般。

但是牠嚴格說來並不是「站著」。看企鵝的骨骼圖(圖一)就很清楚。髖關節跟膝關節強烈彎曲的姿勢,以人類來說就是「蹲著」。換言之,企鵝時時刻刻都是蹲著的,連走路時也是蹲著的狀態。試著自己蹲著走路看看,就會像企鵝那樣搖搖晃晃地。牠們搖搖晃晃的姿態,背後的祕密就是體型與姿勢。

而由此延伸,企鵝的步行方式非常沒效率的理由,可能就是身體橫向搖擺和轉動幅度非常大。搖擺跟旋轉的動作,對前進而言怎麼看都是不必要的舉動,但是根據之前的研究,其實企鵝不搖晃反而效率會更差。之前也說過雙足步行的動能跟位能要有效率地轉換,才能有效率地運動,但企鵝似乎是用橫向搖擺的動作來進行這種能量轉換。

圖一、企鵝的樣子跟人很像,所以如果讓企鵝在山手線月台上排隊,也不會有人發現(右),但是如果看骨骼(左),企鵝蹲下來就可以跟站著的人類簡單區分開來。

短腿優先?

也就是說,企鵝走路效率不佳的理由,跟牠們這種體型跟姿勢有關。

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企鵝的腳確實很短,以現在還活著的企鵝種類來說,體型最大的皇帝企鵝的體重將近 20 公斤,和澳洲的平胸鳥類鶆䴈幾乎相同,然而比較這兩種鳥類的腿長的話,鶆䴈的髖關節大概在 80 公分高的位置,而皇帝企鵝大概在 30 公分高左右。明明體重差不多相同,企鵝的腳的長度卻只有鶆䴈的一半以下,步行效率差也是沒辦法的事。

本章已經反覆提過好幾次,腿愈長一般來說會步行速度愈快、效率也愈好,企鵝的短腳和蹲下的姿勢非常不適合走路,這點沒有人能否定。

圖/giphy

企鵝的腳會這麼短,恐怕是為了在寒冷地帶保住體溫。雖然也有棲息在熱帶的企鵝,但多數企鵝都棲息在極地,在水中跟地面上不失去體溫就是牠們最重要的課題。四肢末梢要是比較長,就會因為體積的表面積變大,容易失去體溫。所以在寒冷地帶演化的物種,耳朵等突出部位通常都會比較小。

雖然意外地能走很長距離,但企鵝仍然主要屬於在寒冷地區游泳的鳥類,為此演化出的短腿跟蹲著的姿勢,必須讓身體左右搖晃走路來補足才更有效率。

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——本文摘自《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》,2023 年 8 月,晨星出版,未經同意請勿轉載。

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動物移動方式大不同!獵豹為什麼跑這麼快?——《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》
晨星出版
・2023/10/23 ・1560字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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動物的移動方式及進化

動物會使用肌肉骨骼系統來進行各種運動,有時是只動身體的一部分,有時則是移動整個身體,讓自己移往其他地方的情況。理所當然的是,動物將自己整個身體移動到其他地方,會比只有動一部分身體需要更多的能量。所以移動時會特別需要注重效率。

動物們在進化過程中獲得各種生活形態,以及適合該生活形態的移動方法。只要看看動物們的走路方式,就能理解這個進化過程。

像山椒魚等兩棲類動物,以及蜥蜴、壁虎等爬蟲類,都是從軀幹伸出四肢來撐起身體,並扭動身軀,一一藉著四肢的支點往前方移動(圖一)。扭動軀體的運動跟魚在游泳時的軀幹動作很類似。兩棲類和爬蟲類是脊椎動物進化過程中最初上陸的動物們,本來就擁有類似魚那樣扭動身軀的身體構造,要善用這種構造在陸地上運動,就演化出了這樣的走路方式吧。

圖一、壁虎的步行姿勢。隨著步伐,脊骨(白線)會左右大大彎曲。

後來兩棲類中有一部分軀幹變短、後肢也變得發達,那就是蛙類(圖二)。長長的後肢可以產生強大的跳躍力。說到彈跳,身體要是扭來扭去的穩定性就不好,要是身體變短,就不會扭來扭去的了。因為獲得了短身軀跟長後肢,使得蛙類可以進行大幅度跳躍。

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圖二、青蛙的骨骼標本。長腳可以進行強力跳躍,短短的軀幹則讓跳躍時可以保持身軀穩定。

一部分的爬蟲類(恐龍類)和哺乳類的四肢又更加發達,可以進行多樣化的運動。他們的四肢不只是變長,還跟兩棲類或蜥蜴等爬蟲類不一樣,四肢不是生長在身體兩側,而是下方。往下生長的四肢可以高高舉起軀幹,只要前後擺動四肢就能移動了。

比起移動整個身體,只有四肢動作的效率會比較好。另外,體幹如果可以不激烈動作,身體就可以比較安定,而且更容易控制。結果就能實現高速運動。另外,像鹿或是馬等擅長跑步的動物,牠們的四肢,特別是末端部分會很長(圖三)。腳變長的話,跨一步的距離也就會變長,可以跑得比較快。

圖三、馬(左)和人(右)的骨骼,馬的掌骨跟肱骨差不多是同樣長度,人的骨骼圖為臼田隆行作畫。

本來哺乳類也不是軀幹就保持不動,而是軀幹跟四肢經常一起協調地動作,但是方向跟魚或蜥蜴的橫向運動不同,是身體往腹背方向彎曲再伸直,像是為人熟知的貓科動物跑步時的動作。例如,獵豹跑步時,身體會大大彎曲再伸直,用全身力氣來有力地跳躍並讓步伐加大,創造出陸地上最快生物才有的跑步速度。(圖四)

圖四、跑步中的獵豹。跑步時脊骨(白線)會往腹背方向大大彎曲再伸直,讓每一步的步伐距離變長。

所有哺乳類雖有程度差別,但似乎都有像這樣身體往腹部方向屈伸的動作。前面所述的馬跟鹿等動物,雖然看起來軀幹動作沒這麼大,但脊骨還是會反覆進行彎曲再伸直的動作。只是活動程度比貓科動物少得多了。

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稍微離題一下,從陸地再度回到水中的哺乳類也不例外,海豹或海狗、鯨魚等動物,游泳時的脊椎也是往腹背方向屈伸的。魚類一般是身體往兩側扭動來游泳,所以我們可以說水棲哺乳類的身體往腹背方向屈伸,是因為從腳配置在軀幹下方的哺乳類演化而來,可以說水棲哺乳類才有這樣的特性吧!

——本文摘自《鴿子為什麼要邊走邊搖頭?》,2023 年 8 月,晨星出版,未經同意請勿轉載。

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