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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 ・SR值 530 ・七年級

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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。

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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。

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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。

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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。

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——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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三民書局_96
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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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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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泌尿上皮癌復發機率高,術後免疫輔助治療降低風險
careonline_96
・2024/02/10 ・1771字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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「醫師,我媽的腎臟功能剩下 40 分,接下來的輔助治療應該要如何進行?」陪著王女士回診的女兒問。

70 歲的王女士因為罹患上泌尿道上皮癌而接受手術,切除一側的腎臟與輸尿管。台中榮民總醫院泌尿外科李建儀醫師指出,由於泌尿上皮癌術後復發的風險較高,因此建議接受術後輔助治療,但是患者的腎臟功能卻讓家屬很擔心。

經過詳細討論後,決定使用免疫治療。李建儀醫師說,治療過程中,患者有出現皮膚搔癢的狀況,不過可以用藥物與藥膏來改善,順利完成為期一年的術後免疫輔助治療。目前沒有局部復發或遠端轉移的狀況,患者也持續在門診追蹤。

人體的泌尿系統類似水管系統,泌尿上皮就是管路的內壁,涵蓋腎盂、輸尿管、膀胱、尿道等,由泌尿上皮產生的惡性腫瘤便統稱為「泌尿上皮癌」。

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泌尿上皮癌最常見的症狀是血尿,李建儀醫師說,大約 85% 的病人會出現血尿,可能是肉眼可見,或是顯微鏡下才看得到的血尿。而血尿的嚴重程度與腫瘤的嚴重程度不一定有關。出現在下泌尿道,如膀胱、尿道的腫瘤,血尿會比較明顯,較容易被發現。

泌尿上皮癌復發風險高

李建儀醫師說,位於膀胱的下泌尿道泌尿上皮癌,若是尚未侵犯肌肉層,可以使用經尿道膀胱腫瘤刮除術,再視狀況以膀胱灌藥來輔助,減少復發機率。李建儀醫師說,若是已經侵犯肌肉層,便需要進行手術切除。

位於腎盂、輸尿管的上泌尿道泌尿上皮癌的治療相對比較複雜,即使是第一期也可能得進行腎臟跟輸尿管的切除。李建儀醫師說:「目前在處理侷限性腫瘤,或患者的腎臟功能較差時,可能會進行部分腎臟切除手術,盡量保留腎臟功能。然而根據統計,泌尿上皮癌患者中近 8 成在 5 年內有復發的危險,比例非常高。」

為了降低復發機率,泌尿上皮癌患者於手術之後可使用輔助化學治療,或使用免疫治療。李建儀醫師說,「術後輔助免疫治療用在肌肉侵犯型、或是淋巴有轉移的病人,在減少復發與遠處轉移的機率上,都有明顯的改善,與未使用輔助治療相比,有助延長近一倍的無疾病存活期。」

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免疫療法的作用機轉是透過抑制細胞表面的免疫檢查點來做治療,李建儀醫師解釋,針對癌細胞表面的 PD-L1 分子與免疫 T 細胞表面的 PD-1 分子,當 PD-L1 與 PD-1 接合時,T 細胞會受到抑制,若使用藥物避免 PD-L1 與 PD-1 接合,T 細胞便能辨識癌細胞並發動攻擊,抑制腫瘤生長。

在過去,免疫治療主要用於晚期泌尿上皮癌患者,大多病情較嚴重且用過多種藥物。李建儀醫師說:「由於病情較嚴重,治療成效較為有限,所以大家會在臨床試驗嘗試提早使用免疫治療。目前已經確認,在高復發風險的患者,包括肌肉侵犯型膀胱癌,或第二期、第三期的上泌尿道泌尿上皮癌,使用術後輔助免疫治療有助降低復發的機率。」

貼心小提醒

泌尿上皮癌常見症狀是血尿,位於膀胱的泌尿上皮癌通常有較明顯的血尿,而容易被發現;位於腎盂、輸尿管的泌尿上皮癌可能會較晚發現。

在狀況許可時,會使用手術治療切除腫瘤,不過泌尿上皮癌術後復發風險較高。李建儀醫師說,泌尿上皮癌患者中近 8 成在 5 年內有復發的危險,建議進行術後輔助治療以降低復發風險,可使用化學治療或免疫治療。

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患者在術後建議與醫師詳細討論,選擇合適的治療,並且按時回診、密切追蹤!

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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

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。

商周出版_96
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