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「屎滾尿流」背後的科學奧秘 ——搞笑諾貝爾獎得主楊佩良專訪

科技大觀園_96
・2021/03/24 ・4824字 ・閱讀時間約 10 分鐘

與胡立德教授(David Hu)團隊一同進行研究的楊佩良博士,曾以「尿尿時間是 21 秒」與「袋熊大便是方形」,兩次登上搞笑諾貝爾獎頒獎典禮。問起她是不是為了搞笑諾貝爾獎,刻意以「屎尿」作為研究主題,她只淡淡說了一句:「從頭到尾想都沒想過!」又追問她為什麼要做這些研究,楊佩良博士笑著說:「你不覺得這很有趣嗎?」

立定志向的演講

談起自己為何會開始生物力學的相關研究,楊佩良想起了大學時期聽到的一場演講,這場演講正是胡立德教授的研究分享,主題是「蛇的爬行方式」。

2015 年登上搞笑諾貝爾獎頒獎典禮的胡立德(頭上戴著馬桶蓋)、楊佩良(紅色洋裝)。(圖/ Improbable Research Youtube)

「如果光靠蠕動,蛇是不能前進的,還要靠鱗片的立放才能順利前進!」楊佩良說胡教授的分享為她的人生開啟了另一扇門,回想過去,小學時很喜歡看故事書,以為自己會當個作家,中學時則愛上了生物,到了高中又對物理與數學產生興趣,每個階段愛的都不同,「我愛的是生物加上力學,聽到兩者可以二合一的時候,有個念頭從我腦中一閃而過。」至於當時聽完胡立德的演講後有何感想,楊佩良說:

「很難的數學,很鬧的結果。」這就是楊佩良踏入科學研究的契機。

勇於面對質疑

在楊佩良求學過程中,其實也跟家人有過衝突,她說:「當然有阿!最常被問到的就是念了這個有什麼用?尤其我的博士論文(尿尿時間 21 秒)超怪的。不過畢竟是個博士,而且還是個不錯的博士(機械博士)。」

不只是家人有衝突,許多大眾在過去也很不諒解他的研究,「在還沒得獎(搞笑諾貝爾獎)之前,許多人聽到我的研究都是毀譽參半。」楊佩良分享之前接受美國媒體採訪的經驗,採訪的主題正是她的博士論文,當採訪上傳到 Youtube之後,like 跟 dislike 數是差不多的。

「不過在得獎(搞笑諾貝爾獎)之後,這些事情就沒發生過了。」楊佩良笑著說,也對搞笑諾貝爾獎傳播科學的能力感到驚訝,「以前都會說我們是不務正業、浪費資源,現在都說我們是有『玩心』的科學家。」

研究尿尿的契機

說起研究尿尿的原因,楊佩良分享了胡立德教授的生活故事。放假時,胡教授在家裡帶小孩,閒著無聊就開始觀察起小孩,發現小孩上廁所花的時間跟自己差不多,這個現象引起了胡教授的注意。

「我小孩跟我體型差這麼多,他的尿才那麼一點點,怎麼尿尿的時間會跟我差不多?」接著胡教授又跑去觀察他們家養的狗,發現尿尿的時間也跟自己差不多。

楊佩良研究發現哺乳類動物的尿尿時間都差不多是 21 秒,並以此獲得了 2015 年的搞笑諾貝爾獎。圖/Pixabay

「那時候我剛進(胡立德的)實驗室,然後我自己不是那麼喜歡坐在辦公室,所以我那時候跟他(胡立德)說,只要你讓我去動物園,我什麼都願意。」後來,胡教授便把研究尿尿的重責大任交給楊佩良,說:「那你去幫我調查全世界最大的(陸上哺乳類)動物,尿尿的時間是不是也差不多。」

尿尿觀測小組

為此,楊佩良與另外兩位學生組成了「尿尿觀測小組」,他們先是在網路上搜尋大象(最大的陸上哺乳類)的尿尿影片,也去附近的動物園駐點觀測動物尿尿,此外,也跟動物園協商某些動物是否能近距離觀察或採集尿液。

楊佩良提到動物園的動物,生活作息其實非常規律,有經驗的飼育員甚至能精準告訴你哪隻動物現在要準備尿尿,這讓數據蒐集與採樣變得簡單,但也有非常難搞的,像是動物收容中心裡的流浪狗。

「如果站在狗的後面,他們會直接跑掉。」這些流浪狗對人的警戒心很高,最後他們用了寵物尿墊蒐集尿液,以前後重量差異的方式來估算尿液的重量。

NHK 再次驗證

研究發表後,不少人寄信給楊佩良,說這研究的誤差值太大(誤差值為正負 13 秒,平均尿尿時間也才 21 秒)或是自己尿尿的時間根本不是 21 秒,楊佩良解釋:「這可是 5 公斤到 5000 公斤的動物的數據,所以我想這應該是一個很小的離峰值。」此外,其他需要考慮的變數也很多,像是每個人對於「想尿尿」的感覺不同,有人可能膀胱還沒滿就跑廁所了。

「由於太多人問人類相關的問題,日本 NHK 就找我們,還協調了一位日本的泌尿科醫師來做這件事(測量人類小便的時間)。」在節目中,泌尿科醫生在車站外面招募參與者,請他們去上廁所並用碼錶記下自己上廁所的時間,最後收集了約有兩千位參與者的尿尿數據。

「平均起來大概是 20.5 秒吧。」這個數值十分接近楊佩良的研究結果,在分享這個數據的同時,楊佩良也鬆了一口氣,「其實我一直很怕自己做的東西無法適用在人類身上,雖然我的模型理論上是 21 秒,但我沒有(人類的)數據可以支持。」

古老的問題:袋熊便便是方的

「在沒看到樣品之前,我一直認為這是假的。」楊佩良博士如此說道。在澳洲,「袋熊便便是方的」如常識般流傳在民間,一般人認為這是因為袋熊肛門是方的,才讓便便變成方的。

袋熊的方形便便。圖/Wikipedia

「為此,我們聯絡了澳洲當地的袋熊專家(Scott Carver),他跟當地政府配合處理路殺袋熊。」Scott 告訴楊佩良,在解剖袋熊屍體時,就能看到袋熊的腸道中有方形便便,Scott 把樣本寄到美國,楊佩良這才確認了袋熊便便真的是方的。後來,楊佩良也針對活體袋熊做了 CT 斷層掃描,發現袋熊的肛門形狀是圓的,肛門是方的說法也就不攻自破了。

這些現象直指袋熊「便便是方形」的秘密就在腸道中。在解剖路殺袋熊後發現,這些便便要到腸道末端才逐漸變硬、變方,而要形成我們所見到的方塊便便,則大約是到了腸道末端 8% 左右的地方才能見到。

方形便便的力學分析

會有這個現象主要原因,是袋熊的腸道肌肉發育不平均,如下圖 (a) 所示,紅色處代表肌肉較薄較容易變形的區域藍色則是肌肉較厚,較不易變形的區域

(a) 為袋熊腸道的截面模型。(b)為截面上的截點((a) 中的黑點)的力平衡分析。(c)、(d)、(e) 為腸道模型在不同狀態下(初始、蠕動後 7.9 秒、蠕動後 30 秒)的形狀。(f)、(g)、(h) 為不同狀態下,腸道模型各處的伸長量,可以看到在 0 – 90 度與 180 – 270 度處(模型紅色處),伸長量明顯變多。圖/參考文獻 1

我們可以把袋熊腸道的截面模型,當作兩種不同的彈簧組合在一起,紅色的部分是容易被拉開的彈簧,藍色的部分是不容易被拉開的彈簧。為了維持力平衡,各處彈簧連接處的受力必須相等,拉開角度與伸長量的分析方法如 (b) 所示。

腸道蠕動的過程則可以簡單理解為有外力壓縮腸道,由於兩種彈簧受外力後的伸長量不同,因此腸道無法繼續維持圓形,最終形成類似橢圓形的形狀(如圖中 (c)、(d)、(e) 所示)。不過,這個模型是沒有便便在腸道中的模型,也沒有考慮腸道中兩種不同彈簧的受力伸長量(原文為 Stiffness,剛度)的差異,把這兩個變數考慮進去後,形狀就會接近正方形了!

(a) 在不同的腸道剛度比(C),與腸道內糞便的雷諾數(Re)下,腸道形狀上的差異。
(b) 腸道的剛度比(C)越高,糞便越接近正方形(Squarenss), 
(c) 糞便的雷諾數(Re)越高,糞便越接近正方形(Squarenss)
圖/參考文獻 1

註解:剛度比(C),數值越大表示腸道軟與硬的部分剛度差異越大;雷諾數(Re),數值越大表示流體慣性力越強,流體無法朝同一方向移動,此狀況下可簡單理解為糞便越乾越硬,不是稀稀水水的。

簡言之,如果腸道的肌肉分布越不均勻(腸道軟與硬的部分差異越大),以及糞便越乾,就越容易形成方形便便!這也說明了為什麼袋熊便便只會在腸道的最末端變成方形,除了多次擠壓之外,這時的便便也比較乾燥。

至於我們有沒有可能大出不同形狀的花俏便便呢?楊佩良則分享了一位腸胃科醫師的意見:「大腸癌的初期的患者,其實就是大腸的某個角落開始硬化,因此有可能大出來的大便形狀會不太一樣。」下次大便的時後,記得多看一眼便便形狀,搞不好能及早發現大腸的病變!

2019 年,楊佩良以解開袋熊方便之謎再度二度獲頒搞笑諾貝爾獎。(圖/Improbable Research Youtube)

為了好奇心,學會名為「科學」的工具

「澳洲人很早以前就知道袋熊便便是方的,為什麼會等到我來做研究呢?」楊佩良的話令我們沉默,對楊佩良來說,數學或物理並不是課本中會考的知識,而是解決問題的「工具」。

也許澳洲人很早就發現了這個問題,也很想解開這個謎題,但這些想解開謎題的人,並沒有相稱的「工具」可以解謎,「澳洲袋熊專家(Scott)就是其中之一,因此當我告訴他想要研究這個問題的時候,他非常大方地提供各種幫助。」

其實澳洲人很早就知道袋熊擁有方形便便了,卻由來自臺灣的楊佩良解開「方便」的謎底。圖/Wikipedia

「如果不是為了好奇心,手腳就會動得慢!」楊佩良認為自己學習的動力就是好奇,只要真的想做,總會有方法解決。她分享自己在大學時遇到的外文與物理雙主修的學姊,雖然數學是個門檻,但學姊最後還是完成了雙主修。

「算了一下,這位學姊在大學時花在物理跟數學的總時數,絕對超過我們花在高中的總時數。」楊佩良認為並沒有命定論這回事,再次回憶起自己過去的學習歷程,都是順著自己的心意,認真想要回答自己遇到的問題,才會到處學各種新的事物。

為了不抹滅學生的好奇心,楊佩良在自己的流體力學課上,要學生針對自己有興趣的現象,做出「流體可視化」當作期末報告,她說:「只要拍出來我就給過。」

楊佩良分享了幾位學生的題目,一位游泳隊的學生好奇為什麼自己在學校的泳池游泳比較快,錄下了在不同泳池游泳時的水流狀況,足球隊的學生則拍下了逆風與順風射門時的差異,而另一位沒有社團活動的學生,則拍下了無葉風扇的氣流是怎麼流的。

「生活中其實有很多流體力學。」像是香菸的軌跡,或是蛋白打發,都是流體力學的守備範圍。雖然深入分析需要流體力學與工程數學的協助,但「流體可視化」只要花點巧思,就能看見流體現象、比較差異,而這種回饋感,正是好奇心的來源,有足夠的好奇心,補齊「工具」也不會是難事。

無用的傳承與啟發

談起研究應用,楊佩良說:「有用的東西,是建立在無法運用的基礎上,傳承後的結果。」也分享近三年內,關於尿尿研究的後續研究成果,包含了智慧馬桶與導尿管的設計,「這些研究是我一開始沒有想到的,但如果沒有我的研究,他們也不會想到。」

未來,楊佩良也將繼續投入更多有趣(但可能無用)的研究題目上,像是鳥類(候鳥)群聚飛行時,為什麼不會有豬隊友讓他們撞在一起?而胡立德教授的團隊也持續研究各種有趣的現象,像是一大群蛆如何每隻都能吃到食物,或是動物舌頭的相關後續研究。

參考資料

  1. Yang, P. J., Lee, A. B., Chan, M., Kowalski, M., Qiu, K., Waid, C., … & Hu, D. L. (2021). Intestines of non-uniform stiffness mold the corners of wombat feces. Soft Matter17(3), 475-488.
  2. Yang, P. J., Pham, J., Choo, J., & Hu, D. L. (2014). Duration of urination does not change with body size. Proceedings of the National Academy of Sciences111(33), 11932-11937.

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COVID-19 起源迷思:不一定有中間宿主,和市場無關

寒波_96
・2021/04/13 ・2465字 ・閱讀時間約 5 分鐘

COVID-19(武漢肺炎、新冠肺炎)從何而來,是重要的問題。世界衛生組織 WHO 派出特遣隊前往武漢調查,並在 2021 年 3 月底交出 300 頁的報告。

在我看來,這份報告沒有提供任何新的訊息,而且方向偏差嚴重,持續劃錯重點,竟然還獲得一些科學家的稱讚,可謂科學界的恥辱。

圖/取自 經濟學人

被調查的當事人說沒事,所以報告說沒事

導致武漢肺炎的病原體,SARS 二世冠狀病毒 (SARS-CoV-2) 如何產生,WHO 報告列出 4 種可能性:

  • 第一,「非常非常可能」:由動物保毒者(如蝙蝠)先傳染給中間宿主,再感染人類。
  • 第二,「有可能」:由動物保毒者(如蝙蝠)直接傳染給人類。
  • 第三,「可能」:被感染的動物死亡後,被冷凍保存,再傳染給接觸到的人類。
  • 第四,「極端非常不可能」:從實驗室外洩。

第四項「實驗室外洩」是怎樣排除的呢?就是 WHO 調查隊訪問了武漢病毒研究所的人員,看過他們提供的資料,發現查無外洩,於是宣佈查無外洩。

第三項非常明顯是中國官方大力推銷的「冷鏈」,不過 WHO 顯然沒那個恥力背書。

我個人覺得機會最大的是第二項。WHO 調查隊認為第一項機率最高也許正確,但是根據已知資訊判斷,所謂的「中間宿主」也可能根本不存在。

也許有,也許根本沒有中間宿主

許多專家假設中間宿主存在,是因為他們認為 SARS 二世冠狀病毒的祖先以蝙蝠為天然宿主,不可能一步跳到智人,就適應得如此之好。更合理的過程是,蝙蝠先傳染給某種較為類似人類的動物,在這種動物身上發生突變,而獲得感染人類的能力。

病毒演化出感染人類的能力,是一系列試誤的過程:從無法感染人類的祖先病毒,演變為極為適應人類的 SARS 二世冠狀病毒。而公認的事實是,我們知道的 SARS 二世一開始就極為適應人類,勝過任何動物,智人就是最佳的天然宿主。

蝙蝠、駱駝、智人之間的跨物種 MERS 病毒傳播。圖/取自 Outbreak of Middle East Respiratory Syndrome-Coronavirus Causes High Fatality After Cardiac Operations

這兒所謂的「中間宿主」,就是讓病毒試誤的動物。這種「試誤的動物」能不能直接就是人類?當然可以!

SARS 二世冠狀病毒的初期演化,可以分為兩大階段。第一階段是從對人類感染能力不佳的祖先冠狀病毒,經過一系列試誤,演變成以人類為最佳宿主。第二階段才是躍上舞台,成為震撼世界的武漢肺炎。

第一階段的試誤過程,可以在武漢,也可能在任何一個地方發生,不論雲南、廣東、柬埔寨,或是武漢病毒研究所都有機會。對人類感染能力不佳的祖先冠狀病毒,可以在某個地方持續嘗試感染人類,最終累積足夠的突變,成為我們所知道的那個殺手。

如果祖先冠狀病毒直接以人類為中間宿主,完成適應人類的過程,也就等於沒有中間宿主存在,當然是怎麼找都找不到了。堅持一定要找到某種作為中間宿主的動物,是偏執的想法。

當冠狀病毒獲得人傳人的能力,成為 SARS二世以後,仍不一定會造成大流行。假如它好不容易在某個偏鄉誕生,卻沒有接觸到更大的人群,傳播也許不久後就結束了。

不幸的是,SARS二世冠狀病毒出現在人口眾多、交通發達的武漢,又加上中國官僚的掩飾卸責,此後進入第二階段,大都會成為培養病毒的溫床,向全世界散播瘟疫的源頭。

有政府,會做事!圖/取自 關鍵評論網

武漢的市場和病毒起源無關

公開可考的感染者紀錄,最先在 2019 年的 12 月初。引起許多關注的「武漢華南海鮮批發市場」,在瘟疫最初期出現多位病患,而且又販賣不少種動物,符合病毒跨物種從動物傳人的想像。此處卻明顯不是病毒的發源地。

最遲在 2020 年的 1 月底(中國官方獲得資料的日期更早),分析第一批患者的紀錄便可得知,市場並非最初的起源。由已知證據歸納,已知 SARS 二世冠狀病毒的共同祖先,能追溯到 2019 年 12 月的幾個月前,那時已經完成第一階段的試誤過程,準備進入第二階段。

市場只是疫情初期比較明顯,最早被公眾注意到的地點,和病毒起源沒有直接關係;它是初期的輸入端,而非輸出端。病毒在市場廣傳的同時,早已傳播到其他地方,甚至出國深造,於多處同時醞釀。

知道上述資訊超過一年後,WHO 組織的專家團卻依舊將市場列為調查重點,完全是缺乏專業,搞錯方向,浪費資源做虛工。一開始就踏上錯誤的方向,無法取得新的線索毫不意外。

總之,在 SARS二世冠狀病毒的誕生過程中,中間宿主可能存在,但是不存在的可能性沒有比較低;WHO 報告認為極可能透過中間宿主傳播,不符合現有的證據。而 WHO 列為重點的武漢市場,絕對不是起源地。

延伸閱讀

參考資料

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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