- 專欄
文章專區
2016-06-01大象跟小貓的尿尿比賽
558 期
Author 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。......【更多內容請閱讀科學月刊第558期】