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動物的尿尿工程學(下):形狀大小不是問題,比例才是關鍵——《破解動物忍術》

三民書局_96
・2020/03/13 ・2834字 ・閱讀時間約 5 分鐘

動物尿尿的時間,怎麼看起來都差不多?

這些動物必須待在圈欄內,好讓大家都安全無虞,為此,他們必須採取較不具侵擾性的方式來測量排尿時間。

在接下來數星期的每天下午,他們都站在烈日下的圈欄外,用一個巨大的反射板來替動物的生殖器打光,準備好高速攝影機,然後耐心等待。

幾個星期的辛苦工作後,他們從動物園回來,全身覆滿塵土,被尿噴得到處都是,而且看起來還蠻失望的。我問他們怎麼了,他們說自己非常認真工作,但是卻沒有得到什麼有趣的結果。

他們測量了超過 40 種動物的排尿時間,但發現每種動物的排尿時間都差不多,超過七成的排尿時間介於 10~30 秒,平均值為 21 秒。我驚呼:「這就是最有趣的發現啊!」

我們仔細查看數據,我的眼睛瀏覽過他們研究的各種動物,包括狗、山羊、貓熊、犀牛和大象,但沒有對飲食、性別或排尿的時間點進行控制。即便整個實驗都沒有進行變因控制,但這些動物的排尿時間卻驚人地一致。有些人可能會說,10~30 秒的範圍很大,但有一件事必須牢記,那就是每種動物的膀胱容量間差異很大。

我的狗狗傑瑞的膀胱容量大約是一個杯子,大象的膀胱容量則是這個數字的 100 倍強,能夠填滿一個 20 公升的廚房垃圾桶,你會以為大象尿尿的時間是傑瑞的 100 倍,或至少也要有 10 倍久,然而,這兩種動物清空膀胱的時間卻差不多,最多只差 2 倍。

我在研討會上很喜歡請科學家同僚們猜猜大象尿尿會花多少時間,多數人會給我一個骯髒的表情,或是乾脆忽視我的問題,如果我繼續問下去,他們給的答案通常都是 1 分鐘左右,沒有人猜得到大象和我兒子尿尿的時間一樣長

形狀大小不是問題,比例才是關鍵!

我和學生們仔細推敲了數百種哺乳動物泌尿系統的解剖簡圖(下圖),我們發現,雖然動物有各種形狀和大小,但在泌尿系統的演化上卻是非常一致。

哺乳動物泌尿系統簡圖。膀胱會儲存尿液,而膀胱下方的尿道則負責將尿液輸出膀胱。同樣性別的哺乳動物,尿道的長度與直徑比值相同。重力導致液體從膀胱流出。圖/三民提供

在所有哺乳動物的身上,泌尿系統都是從一個稱作膀胱、類似氣球的尿液儲存構造開始,膀胱下面有一條長長的管子,醫生稱之為尿道,我則叫它尿尿管。我兒子哈利很喜歡跟他妹妹說,只有他有尿尿管,而我必須告訴他,他搞錯了。

男性和女性都有尿道,長度和直徑的比分別是 25:1 和 17:1,而且,這些比例不只在人類一致,從老鼠到大象的所有哺乳動物也一樣。

尿道雖然無所不在,但在我們進行這項研究時,沒有科學家知道哺乳動物到底為何會需要演化出尿道。事實上,哺乳動物在其他方面多會隨著體型不同而有很大的差異:跟小型動物相比,大象的耳朵較大來幫助散熱,腿也比較粗,牠們需要較粗的腿,才能支撐龐大的體重,這些都是體型大造成的結果。

倘若大部分的身體部位會隨著體型變大而跟著變大,尿道的長徑比為何會守恆?直覺告訴我,這和尿道的功用有關:從膀胱釋出液體。

尿道可說是帕斯卡橡木桶實驗的生物版

要知道液體是如何從尿道中流出的,我們必須先了解壓力,這是一個有違直覺的微妙概念,曾令古希臘人百思不解。古希臘的頂尖哲學家描述過不少關於靜水的弔詭現象,都是將液體倒入靜止容器中時所發生的難以解釋的行為。

橡木桶跟壓力又有什麼關係呢?圖/pixabay

這個疑惑一直持續到 1646 年。據傳,法國數學家布萊士‧帕斯卡 (Blaise Pascal) 在當時會做一個令觀者大吃一驚的實驗,也就是後來所稱的「帕斯卡橡木桶」(Pascal’s Barrel)。據說他會告訴觀眾他能用液體輕易地打破當時最堅固的結構之一——裝葡萄酒的橡木桶。

接著,他會爬上一個梯子,將一根非常細、長 10 公尺的金屬管接到橡木桶頂端,酒桶頂端有一個洞,可以讓金屬管中的液體直接流進原本已滿的桶子。然後,他開始將水倒入金屬管中,因為管子非常細,裡面的液體自然是比桶內的液體還少很多,然而,在他快把整根管子填滿時,橡木桶的接縫竟然裂開了,桶子發出很大的斷裂聲,桶頂飛了出去,並開始漏水。我曾經在流體力學的課堂上用塑膠保鮮盒、壓力計和一根長橡皮管進行同樣的實驗,結果真的奏效了。

帕斯卡的實驗展現了液體的壓力和容量無關,重點是它在空間中分布的方式,這和我們習慣以固體物質來理解的認知非常不同。假設我們有塊黏土,我們不會認為黏土塑形的方式會影響到它對外施加的壓力。然而,這卻是液體表現的方式,因為它和固體傳遞力量的方式不同。

帕斯卡後來證實,管內液體的壓力和其高度呈正比,也就是現在所說的帕斯卡定律,因此他可以不斷增加管子的高度,無論管子有多細,都能隨心所欲地增加橡木桶內的壓力。在這方面,液體比固體更能放大重力的效應。

尿道其實就是帕斯卡橡木桶實驗的生物版。把尿道變長一些,生物就能利用重力來增加驅動尿液的壓力。

成年女性的尿道約 5 公分長,直徑跟咖啡攪拌棒一樣;但是母象的尿道則有 1 公尺長,直徑和你的拳頭一樣大,這樣的尺寸讓大象能以五個蓮蓬頭的流速排尿。較快的流速和較大的尿道截面積代償了較大的膀胱儲尿量,使得大型動物的排尿時間和小型動物一樣。

我的研究生佩良算出了排尿時間的數學公式,被我們稱為「排尿定律」(Law of Urination)。她發現,只要尿道的長徑比維持一致,釋出的尿液量便與膀胱的容積無關,而且排尿時間會維持在 21 秒。這些加速管內流速的原理可以用在水塔、水袋、甚至公寓大廈的設計上。這些原理告訴我們,透過聰明地設計管子的截面積和長度,液體就能在相同的時間內被排出,無論體積為何。

這個神秘的「21秒」在演化上有特殊的意涵嗎?圖/pixabay

動物是如何演化出相同的尿道比例的?我沒有這個問題的正解,但是我猜,尿道形狀的一致性很可能是「夠好即可」的結果。

我猜想,短暫的排尿時間是受獵捕風險所導致的結果,21 秒似乎是足以有效降低此威脅的時間長度。若要更短的排尿時間,尿道就必須變得更長,進而造成不便;或是變得更寬,進而使寄生蟲容易進駐。

這些演化壓力可能都是讓尿道長徑比維持一致的因素。想要更進一步了解尿道的演化,檢視鯨魚和其他離開陸地進駐海洋的哺乳動物的尿道結構,應該會很有意思。

——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

文章難易度
三民書局_96
7 篇文章 ・ 9 位粉絲
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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爸媽的話左耳進右耳出?其實都是噪音惹的禍!——如何找出最佳「訊噪比」?

雅文兒童聽語文教基金會_96
・2021/09/24 ・2843字 ・閱讀時間約 5 分鐘

作者 / 林堂智|雅文基金會聽語科學研究中心 研究助理

從生理結構來看,我們可以利用眼瞼作為視覺訊息接收的開關,閉上眼睛就能眼不見為淨。對於聽覺而言,這樣的按鈕也貌似存在,畢竟當一個人發呆、做白日夢時,即使別人喊破喉嚨,他沒有反應就是沒有反應,這不就是關閉聽覺的表現嗎?這種「你有說,但我沒聽到」的現象,究竟是怎麼發生的?讓我們繼續看下去!

常常把我的話當耳邊風!真是夠了!圖/pixabay

耳朵是無辜的!訊息的選擇大腦說了算

耳朵的主要工作僅止於訊息傳遞,而後續的訊息處理工作其實是由大腦完成的,也就是說,當這個全年無休的聲音接收器孜孜不倦地傳遞訊息,最終在眾多雜訊中,該聚焦處理哪些訊息是由大腦決定。在雜訊中聚焦處理訊息的能力稱作「聽覺注意力」。然而,聽覺注意力卻也容易受到認知負荷量噪音的影響。

在處理訊息的過程中,大腦需要提供燃料(認知資源)給聽覺注意力進行運作,然而資源有限[1],若是接收過多或太複雜的訊息,大腦便有可能因為運轉「過熱」而呈現放空或呆滯的狀態。就好比每台電腦都會有特定進行資料運算的空間,一旦超過負荷就會運轉緩慢或甚至當機。同理,當我們處在一個訊息繁雜的環境下,我們的聽覺注意力便有可能會無所適從,讓訊息接收和判斷更困難。

聽你想聽的,是人之常情

還好就如《人海中注意你的聲音、喧鬧中聽見我的名字:認識雞尾酒會效應[2]一文中,筆者透過雞尾酒會效應[3](Cherry,1953)討論聽覺注意力的展現與運轉機制。當訊息繁雜時,我們的注意力能選擇目標訊號來優先處理,並抑制非目標訊息的干擾。不過,若非目標訊息達到可被察覺的門檻(Threshold)時,我們仍會因此分心而被影響。

好比說,下課時正起勁地和同學聊最新的手遊,即使走廊吵雜,一聽到暗戀女孩的笑聲,耳朵還是會立刻豎起,心裡小鹿亂撞地慌張轉頭尋找她的蹤影。不過,當非目標訊息(aka噪音)太大聲時,還是會讓你「充耳,卻沒辦法聞」,想聽也聽不到。

充耳,卻沒辦法聞 ,想聽也聽不到。圖/Pexels

還是充耳不聞?也許就是噪音惹的禍!

噪音是一種人們不想(需)要(unwanted/undesired)的聲音,它不但會干擾思考、工作與日常,也會為身心理健康帶來負面影響。[4]日常生活中,噪音無處不在,不論是捷運站、學校教室、甚至是家中客廳的噪音皆可能影響語音察覺能力。過去研究顯示,70 dBA 以上的環境噪音(相當於使用吸塵器的音量)對於聽覺注意力有顯著的負面影響。[5] Zhang 等人的研究指出,在學校的環境噪音下(如:操場遊戲聲、電風扇運轉聲、窗外車流聲等),孩子於視覺追蹤作業的反應速度、任務準確性與注意力表現皆較差。[6]尤其在達 75dB SPL 的高強度噪音下,孩子需要耗費更多的認知資源才能維持注意力來接收與處理訊息。Fernandes 等人也發現高強度噪音會讓孩子的閱讀與理解作業表現較差。[7]

找出最好「訊噪比」,讓我們和噪音共處

然而,環境噪音的問題並非無法解決,現今許多科技產品,像是很多老師會佩帶的小蜜蜂麥克風,就能在教學現場克服環境噪音。這類科技產品可以讓目標訊息(老師說話的內容)更大聲,用來蓋過環境噪音,讓學童聽得更清楚。

訊息和噪音音量的比值又稱為訊噪比(Signal-to-Noise Ratio),可用於反映訊號清晰度。訊噪比值越高越有利於聆聽;當訊噪比越低或為負數時,則代表噪音比訊號的音量來得大,不利聆聽,就算想聽也是聽不清楚的。若要有效傳遞聲音訊息,較為理想的狀態是提高目標音量或是降低噪音音量,讓訊噪比維持在利於聆聽的值。

訊噪比值的高低,決定訊號內容的清晰度,也許試著將聲音訊號再放大聲一點或降低噪音的音量,打造利於聆聽的環境。圖/雅文基金會

別一竿子打翻一船人!你懂低訊噪的好嗎? 

雖然訊噪比和聆聽品質有關,但噪音真的只能夠扮演反派角色嗎?其實訊噪比的機制主要圍繞著「遮蔽」(Masking)的概念。當我們感知到噪音多於目標訊息時,則表示噪音已遮蔽目標訊號,可能因此發生訊息缺漏或難以察覺目標訊號的情況。

噪音遮蔽可分為能量遮蔽(energetic masking)與訊息遮蔽(informational masking)。[7] 能量遮蔽指噪音在時間和頻率上與目標音重疊,主要發生在聽覺外周(auditory periphery),例如隔壁鄰居的狗吠聲被豪大雨聲蓋過去了。訊息遮蔽則是噪音與目標音訊息由於其在認知層次上的相似性而在處理的過程中所造成的遮蔽。好比台語使用者聽到「脫口罩」時,因週遭環境語音的干擾,而聽成「脫褲走」的訊息判斷錯誤。[8,9] 

我們也能善用噪音遮蔽的特性改善生活品質。比如說,在日本或誠品書店洗手間常見的「音姬(OTOHIME)」機台會在有人如廁時,自動發出涓涓流水聲,用來遮蔽解放的尷尬聲響。聽覺系統作為全年無休的勞工,即使我們在睡覺,他仍在運作;因此只要有突然的聲音(狗叫聲、汽車引擎聲、打鼾聲等),皆可讓大腦警覺而使你驚醒。此時,頻率平穩一致的白噪音(吹風機、電風扇)和粉紅噪音(下雨聲、營火聲)就十分好用,可以遮蔽影響睡眠的外界聲音變化,達到噪音消除的作用,讓你一夜好眠。

噪音用得恰,如廁不尷尬。圖/tohoint.co.jp

不論處在哪種生活情境,噪音無處不在,且難以殲滅,不過我們可以使用一些策略來改善生活品質。例如:尋找適當的位置(背對噪音源或移駕到安靜角落)讓聆聽更輕鬆,或使用科技產品來降低噪音或提升目標音量,以凸顯目標訊息內容。最後,善用遮蔽效應即可抵銷噪音,提升學習、工作,甚至是休息時的效率與品質[10]

參考資料

  1. Kahneman D. (1973). Attention and Effort. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall.
  2. 雅文兒童聽語文教基金會(2021)。人海中注意你的聲音、喧鬧中聽見我的名字:認識雞尾酒會效應。泛科學
  3. Cherry, E. C. (1953). Some experiments on the recognition of speech, with one and with two ears. The Journal of the Acoustical Society of America25(5), 975–979.
  4. Fink, D. (2019, December). A new definition of noise: noise is unwanted and/or harmful sound. Noise is the new ‘secondhand smoke’. In Proceedings of Meetings on Acoustics 178ASA (Vol. 39, No. 1, p. 050002). Acoustical Society of America.
  5. Schlittmeier, S. J., Feil, A., Liebl, A., & Hellbrück, J. (2015). The impact of road traffic noise on cognitive performance in attention-based tasks depends on noise level even within moderate-level ranges. Noise & Health, 17(76), 148-157.
  6. Zhang, Z., Zhang, Y., & Kang, J. (2018). An Experimental Study on the Influence of Environmental Noise on Students’ Attention. In The 11th EuroNoise Conference, Crete.
  7. Fernandes, R. A., Vidor, D. C. G. M., & Oliveira, A. A. D. (2019). The effect of noise on attention and performance in reading and writing tasks. In CoDAS 31(4). Sociedade Brasileira de Fonoaudiologia.
  8. Yang, Z.-G., Song, Y.-W., Zhang T.-T., Li, L. (2014). The subcomponents of informational masking: Evidence from behavioral and neural imaging studies. Advances in Psychological Science, 22(3), 400-408.
  9. 徐灿、杨小虎、汪玉霞、张辉、丁红卫、刘畅(2018)。 语音型噪音对二语者汉语元音声调感知的影响。心理與行為研究16(1):22-30。
  10. Lu, S. Y., Huang, Y. H., & Lin, K. Y. (2020). Spectral content (colour) of noise exposure affects work efficiency. Noise & Health22(104), 19-27.

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雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。
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