《破解動物忍術》:動物體型大小差這麼多,為何排尿時間跟我一樣是23秒?

《破解動物忍術》:動物體型大小差這麼多,為何排尿時間跟我一樣是23秒?
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我們想讓你知道的是

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。

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文:胡立德(曾以「為何大象和狗尿尿的時間一樣長?」、「為何袋熊的便便是方形的?」獲得兩次搞笑諾貝爾獎)

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。我走向哈佛大學的講台,對超過1000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台上,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。

我走到講台時,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。

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Photo Credit: Charles Krupa / AP Photo / 達志影像

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。

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。

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。

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。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。

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),她是個高大開朗的台灣研究生,在台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。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。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。只要動物尿尿了,他們就會記下尿了多久。

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。

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,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。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。

相關書摘 ▶《破解動物忍術》:蚊子被雨滴打中相當於人被貨車撞,為什麼還能活?

書籍介紹

《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》,三民出版
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作者:胡立德
譯者:羅亞琪

胡立德曾以「為何大象和狗尿尿的時間一樣長?」、「為何袋熊的便便是方形的?」獲得兩次搞笑諾貝爾獎。儘管他的研究曾受到美國政治家評為「浪費錢的研究」,他也無所畏懼,反而認為應該告訴大眾就算是聽起來荒謬古怪的研究題目,也可以是嚴謹的科學、對人類也都是有所助益的!這本書集合了作者自身以及多位科學家對動物運動原理的探索旅程,以推理小說般的方式敘述科學探究的過程,一步步解開動物運動的祕密。

花招盡出!千奇百怪的動物運動方式。為了在充滿各種障礙物的環境中生存,動物們奇招盡出:水黽可以水上行走,砂魚蜥能夠沙中游泳,而微小的動物最懂得以柔克剛,抵禦碰撞。看似不起眼的身體構造和動作,原來都有巧妙的用途,讓我們一起用生物力學的角度欣賞動物運動的大智慧。

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責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航