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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
  • 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。

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?

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。

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。

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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研究指混打 AZ 與 BNT 疫苗效果拔群!感染率比接種 2 劑 BNT 更低

台灣科技媒體中心_96
・2021/10/22 ・2347字 ・閱讀時間約 4 分鐘

2021 年 10 月 21 日,國際期刊《自然》(Nature)公開一篇法國里昂國際傳染病研究中心(Centre International de Recherche en Infectiologie Lyon, CIRI)的研究,探討混合施打 AZ 與 BNT 兩種不同廠牌的新冠疫苗後,產生細胞免疫的特性與效果。研究觀察 13,121 名護理人員的真實世界數據,發現混打 AZ 與 BNT 疫苗,比起施打兩劑 BNT 疫苗,可更好的預防新冠病毒引起的嚴重急性呼吸系統綜合症。

研究團隊為瞭解混打這兩種疫苗的機制,觀察兩種疫苗不同的施打組合,發現兩種組合都可以引起很強的抗體反應,而混打疫苗的個體,血清中抗體都有更強的中和能力。此增強的效果,與轉化、活化 B 細胞辨認新冠病毒受體結合區域(Receptor Binding Domain, RBD)的頻率上升有關。

比起第一劑的 BNT 疫苗,AZ 疫苗引起的 IgG 反應較弱,但引起 T 細胞的反應更強,作者認為這可解釋兩種疫苗混打後效果較好的原因。研究結論也提到,混打的方式可能特別適合免疫功能較低下的人。

我們對於混打的瞭解有多少?

國家衛生研究院感染症與疫苗研究所副研究員級主治醫師齊嘉鈺表示,先前許多針對疫苗混打的研究規模比較小,參與人數大多僅數十人到數百人;研究方向著重在免疫反應的差異,而非真實世界的保護力;實驗方法也有限制,例如,分析中和抗體時所用的是替代指標或是人工假病毒中和試驗,而非活的新冠病毒,因此對預測真實臨床病毒的中和能力仍然會有一些疑慮。

最近有另一篇剛剛發表刊登在 Lancet 的報告,是來自瑞典全國性大規模的疫苗混打研究結果,該研究總計納入超過 10 萬名接受 ChAd(腺病毒載體)/mRNA 疫苗混打者與 43 萬名完成兩劑都是接種 ChAd 疫苗者進行保護力的分析。結果發現,疫苗混打組確實對有症狀感染具有更高的保護效果,但是並未深入剖析相關的免疫機制。

齊嘉鈺指出,本文是來自法國的研究,對象是 1 萬 3 千多名醫護人員,其中 2,500 多名接受混打(ChAd/BNT),另外 1 萬多名兩劑皆施打輝瑞 BNT162b2 疫苗。相較於其它文獻,這一篇研究除了分析對感染的保護力差異外,更清楚探討混打疫苗所誘發的免疫機制。

感染率比較:混打組 0.42% < 0.71% 兩劑BNT

台灣兒童感染症醫學會理事長邱南昌指出,研究比較 10,609 名間隔四週施打兩劑 BNT 疫苗,和 2,512 名第一劑施打 AZ 疫苗 12 週後第二劑改用 BNT 疫苗者,發生 COVID-19 感染的情形,以及免疫系統的反應情形。兩劑都打 BNT 疫苗組感染的發生率是混打組的兩倍(0.71% 比 0.42%)。作者還檢驗了多種免疫反應,只打完第一劑後,AZ 疫苗產生的抗體濃度較 BNT 疫苗低;但施打完兩劑後,有些抗體濃度就相似,有些則是混打組較高;在記憶細胞方面,混打組也產生較多。

邱南昌表示,這些免疫反應,可以解釋為何混打的人,能夠降低更多的感染風險。對於變種病毒也是混打組有較好的免疫反應。與過去只是驗抗體濃度,此篇有現實世界的資料,也較之前研究做了更深入的免疫反應檢驗,證實第一劑 AZ 疫苗第二劑 BNT 疫苗,可以得到比兩劑都打 BNT 疫苗更好的效果。

輝瑞 BNT 疫苗。圖/Wikipedia

混打後的免疫反應能維持多久?仍未有結論

邱南昌也說,此篇沒混打組的兩劑 BNT 疫苗是間隔四週,但混打組兩劑間是間隔 12 週。之前的資料就顯示第二劑間隔較久才施打,產生的抗體濃度較高。但由此研究檢驗多種免疫反應的結果看來,時間間隔應不是唯一理由,還有其他可顯示有混打對免疫反應增強的理由。此外,不同地區不同的流行狀況,會影響保護力的研究結果,但免疫反應應是差不多。

齊嘉鈺則補充,研究對象都是醫護人員,因此結果要外推到其他一般大眾,包括更廣的年齡層、潛在疾病等,還需要更多的證據;工作性質不一樣的醫護人員之間暴露於病毒的風險也不同,也可能影響兩組疫苗保護力的結果;免疫機制的實驗僅追蹤至施打完第二劑後 4 週,所以,混打後的免疫反應能維持多久、何時會降低、需不需要再追加第三劑,也還沒有結論。

若開放混打,我該衝一波嗎?

本文有幾項重要結論:

  1. 兩劑間隔 12 週,有順序的混打(ChAd/BNT)疫苗確實比間隔 4 週施打兩劑 BNT 疫苗對降低感染提供更好的保護力。
  2. 兩種組合都刺激了很強的抗棘蛋白抗體反應,但混打可以誘發更強的中和抗體,即使是針對不同的 SARS-CoV-2 變種病毒。這種增強的中和抗體反應與可以辨識受體結合區域(RBD)的記憶 B 細胞持續的成熟及活化有關。
  3. 第一劑施打 ChAd 疫苗後比 BNT162b2 疫苗誘發的抗體反應弱,但卻有更強的 T 細胞反應,可以解釋兩種疫苗混打使用時的互補性。

這個結果再一次為混打疫苗的保護力提出更多的科學證據,同時也特別對一些免疫功能低下,如器官移植的患者,提供更好的疫苗接種選擇建議。

COVID-19 有多種疫苗,陸續有研究顯示混打可能誘發不同免疫反應,得到比單一疫苗更好的保護力。但是疫苗種類繁多,混打方式的排列組合更多樣,目前只有少數方式有確切數據可驗證。

我國根據我們各種疫苗的供應量和已經發表的研究資料,有可能會逐漸開放准許混打的種類。但是就本研究的資料看來,即使不混打也仍得到相當不錯的保護力。所以其實也不必執著於是否要混打,有什麼疫苗能打就打什麼,反而是最簡單的選擇。

研究文獻

※為了盡快了解研究的重大發現,此為 Nature 期刊提供的未經編輯文章,在最終發布完稿之前,研究者還可能修正文章內容。

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