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》

  • 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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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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