- 作者／胡立德；譯者／羅亞琪
- 接續前篇《那個研究尿尿工程學的男人——《破解動物忍術》上》看科學家們如何使用科學研究方法，探索自己無法理解的自然現象，像是：哺乳類動物尿尿的時間都是以 21 秒作為基準嗎？
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。
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。
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。
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。
——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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