你上廁所要花多久時間?

文/胡立德(David L. Hu) |2020.04.03
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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。 圖/米各
破解動物忍術 圖/米各

文/胡立德(David L. Hu)

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,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?

來自台灣的優秀女科學家

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。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。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。

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,而且看起來還滿失望的。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0~30秒,平均值為21秒。

大家都一樣

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解剖系統,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。

為什麼一定是21秒?

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。

母象的尿道有1公尺長,直徑和你的拳頭一樣大,這樣的尺寸讓大象能以5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。

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。

本文摘自《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》三民書局出版

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