2016年5月31日

大象跟小貓的尿尿比賽

作者/楊佩良(美國喬治亞理工學院博士生 ( Georgia Institute of Technology )。)

美國喬治亞洲的亞特蘭大動物園中,有兩頭非洲象,輪流在室內與室外展示,他們有著規律的生活作息,清晨開園的前一小時,分配在室外區的大象,會搖著屁股,緩緩地走到他最喜歡的角落,撒下本日第一泡尿。走近觀察,大象的尿尿水柱比人還高,像小型的瀑布濺起白浪浪的水花,晶瑩的水珠閃耀著太陽的光澤,似乎時間都靜止了,只剩嘩啦啦的水聲。水聲一下子就停了,對於大象而言,膀胱的洩洪時間,似乎沒有想像地久。這是陸地上最大的哺乳類每日的例行公事,不只大象,所有的哺乳類都仰賴泌尿系統,藉由流體將廢物排出體外,但這個貌似簡單的流體問題,卻連專門研究流體的科學家也無法回答:大象到底尿了多久?

尿尿時間生死一瞬間
哺乳類的下泌尿道包含膀胱與尿道,就如同流體運輸系統的蓄水池和排水道,尿尿時間就如同洩洪時間,隱含著許多泌尿道的重要資訊,包含膀胱的容量與尿道的孔徑,當泌尿道出現了問題,例如細菌感染、泌尿道阻塞,從尿尿時間的變化就可以看出端倪。對於野生動物來說,尿尿時間是生死攸關的大事,尿尿的氣味容易引來天敵,尿尿的時間越久,越容易暴露自己的位置,被天敵找到。

科學研究藉由實驗動物作為臨床醫學的基礎,在泌尿系統的相關研究中,常見的實驗動物有狗、豬跟老鼠,但這些動物的泌尿系統是否與人體類似呢?在實驗動物身上得到的結果能應用在人體上嗎?藉由觀察跨物種哺乳類的尿尿行為,了解動物體型對於尿尿行為的影響,就可以幫助臨床醫學與獸醫學,簡易檢查泌尿系統。為了理解體型對於尿尿時間的影響,我們不妨來進行一個想像的實驗,找陸地上體型差距最大的哺乳類來比較,讓跟貨車般的大象,與只有大象體重千分之一的小貓,進行尿尿比賽:大象的尿量幾乎可以裝滿一個大水桶,小貓的尿量只能裝滿兩個眼藥水瓶,大水桶對上兩個眼藥水瓶,誰比較快洩洪呢?沒想到,兩位參賽者平手,大象與小貓尿尿一樣快,都是21秒!不只大象與小貓,體重在大象與小貓之間的哺乳類動物,尿尿時間都在21秒左右(介於8~34秒),哺乳類演化出一千倍的體型差距,卻能讓尿尿時間維持在半分鐘內,到底是如何辦到的?

大象的尿道是個粗水管
維持尿尿時間的祕訣就在於尿道的尺寸跟方向,影響尿尿水柱的粗細,以及尿尿的速度。尿道是一根直立的長水管,尿道的粗細決定了尿尿水柱的粗細,當動物的體型越大,尿道就越粗,能讓越多尿液通過。大象的尿道是人類手臂的兩倍粗,尿尿水柱像個瀑布傾瀉而出;小貓的尿道只有1公分細,尿尿水柱像是涓涓細流。就像調節水龍頭的水量,當水龍頭開到最大,水龍頭內部接通了最大的水管開口,水量最多,隨著水龍頭關上,水龍頭內部接通的水管開口變小,水量就跟著變少了。

尿尿的速度與擠壓的力量分佈有關,也就是壓力,當擠壓的力量分佈越密集,代表尿液受到的壓力越大,尿尿的速度就會越快,那麼,動物可以藉由擠壓膀胱,控制尿尿的速度嗎?還是說,當尿道口打開,閘門開始洩洪後,尿尿的速度由地心引力決定?在大象與小貓的尿尿比賽之前,20世紀美國物理學家費曼(Richard Feynman)就曾討論過這個問題,在 1985年出版的《別鬧了費曼先生》書中,費曼認為尿尿不需要地心引力,為此,他甚至表演了如何倒立尿尿。對於人類來說確實如此,利用膀胱的逼尿肌收縮,最高可以產生5千帕的壓力,即使動物的體型不同,逼尿肌都由類似的肌肉纖維組成,無論是小貓、費曼或大象,逼尿肌收縮產生的壓力都差不多,即使是大象用力尿尿,也頂多只能跟小貓「一樣用力」。

地心引力能產生多少壓力呢?17世紀法國物理學家巴斯卡(Blaise Pascal),設計測試受到地心引力而產生水壓的實驗,巴斯卡把木桶裝滿了水,在木桶上架著三層樓高的水管,他爬到架子上,慢慢地把水倒進水管裡,讓水壓慢慢地在水管內累積,終於在裝滿三層樓高的水之前,水管內的水壓把木桶沖破了!這個沖破木桶的壓力,可以想像成水在水管內的重量,水管裡的水越高,水壓就越高,「巴斯卡定律」解釋了這個現象。......【更詳細的內容請見科學月刊第558期】


沒有留言: