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大家一定都听说过科学界最著名的奖项——诺贝尔奖（Nobel Prizes），这应该是每个科学家都梦寐以求的一个奖。每年的诺贝尓奖是颁发给世界上对人类做出过最重要贡献的人，因此，该奖项在学术界有着不可撼动的地位。但是，科学界也有一个奖项叫作“搞笑诺贝尔奖”（ IgNobel Prizes），专门挑选一些看上去十分不正经的研究予以评奖。但实际上，这个奖项也十分有意义，其目的是挑选出能激发人们对科学、医学和技术的兴趣的科研成果。而且令人意外的是，该奖的评委也都是真正的诺贝尔奖得主！ 本期给大家介绍一个来自于2015年的“搞笑诺贝尔奖”之物理学奖的研究。该研究曾发表于著名的顶级期刊《美国科学院院刊》（PNAS）上，文章作者是佐治亚理工学院机械工程学院副教授胡立德（David Hu）领导的一个研究团队（关于胡立德副教授的介绍请见我们昨天的文章）。该论文的题目是《Duration of urination does not change with body size》，研究旨在对动物的膀胱及排尿过程进行数学建模分析，结果发现，不管是一头大象还是一只猫，动物的排尿时间不会随着体型而变化，而且，几乎所有动物的正常排尿时间都是21秒！ 下图就是该研究的主要作者胡立德（David Hu）副教授正戴着马桶圈在“搞笑诺贝尔奖”颁奖现场。 这个这一研究的结论，让人感到惊奇。科学家们是怎么发现的呢？ 在论文中，研究人员首先对泌尿系统和膀胱的功能进行了论述。泌尿系统最容易测量的特征之一是其流速，流速的变化可用于诊断泌尿系统问题，例如，老年男性前列腺的扩张可能会收缩尿道，降低尿流量；肥胖会增加腹压，导致失禁。 膀胱也有许多功能，在沙漠动物中，膀胱储存水，在需要的时候可以取回；在哺乳动物中，膀胱也起到防漏容器的作用，在方便的时候再排空。这种对尿液的控制使动物能够保持家里的卫生，并且不被捕食者发现，储存的尿液甚至可以用于防御。 在研究人员对以往研究进行回顾时，他们发现了一些矛盾点：之前的一些研究人员指出，尿流完全是由膀胱压力驱动的，但是，他们对膀胱的建模忽略了重力因素。与此同时，其他一些人却认为尿流是由重力和膀胱压力共同驱动的。 因此，在这项研究中，作者决定对动物排尿的流体动力学进行阐释，结果表明，重力的影响随着体型的增加而增加。 观察性实验 研究人员拍摄了16只动物的排尿过程，并从国外视频网站YouTube上获得了28段排尿视频。在文中，将重量在3公斤以上的动物定义为“大”，将体重小于1公斤的动物定义为“小”。另外，如图1 A-D所示，大型动物，从狗到大象，都会产生喷射物和尿液；而小型动物，包括啮齿动物、蝙蝠和许多哺乳动物的幼兽，都不能产生喷射物，相反，他们使用一系列的滴剂来排尿，由图2 A-C中所示，它们分别是0.03kg的小狗脸果蝠和0.3kg的大鼠。 图1 32种动物的排尿时间拟合 图2 小动物的排尿过程及时间拟合 其中，图1H显示了体重从0.03到8000公斤的6个数量级的32只动物的排尿时间。尽管质量范围很广，但对于所有体重超过3公斤的动物，排尿时间保持不变，都在8秒至34秒之间。要知道，18升的大象膀胱体积比5毫升的猫膀胱要大近3600倍！于是，科学家使用最小二乘法对数据进行拟合，如图1H所示，拟合的曲线方程式为：T~M0.13 数学建模 研究人员使用图1E来简单刻画尿道系统的构造，可以看出，它是由体积为V的膀胱和尿道构成的，假定直立长度为L、直径为D。开始尿尿时，膀胱平滑肌将尿加压到膀胱，测量大气压力，产生了一个稳步的速度流u。 接下来，研究人员找到了先前的医学和兽医研究，特别是膀胱造影和超声检查中有许多泌尿系统解剖、压力和流速的数据，并绘成了图3，图3是13个物种中100多个体的尿道长度和直径、流速、膀胱容量和膀胱压力。 图3 100多个动物的尿道长度和直径、流速、膀胱容量和膀胱压力数据 据此，考虑到大小动物之间排尿的差异性，研究人员对大动物和小动物的排尿时间进行分开建模，其中大动物的排尿时间模型为： 而小动物的排尿时间可以通过下列拟合方程来描述： 研究结果 在以往的医学文献中，尿道被简单地定义为膀胱和生殖器之间的管道。该研究发现，尿道其实类似于帕斯卡的桶：通过提供一个不漏水的管道将尿液向下引导，尿道增加了作用在尿液上的重力，从而增加了尿液从身体排出的速度！ 因此，尿道对膀胱在系统扩大时快速排空的能力至关重要。工程师可将此结果应用于管道和水库系统的设计，其排水时间与系统尺寸无关，这种可扩展水动力系统的概念可用于便携式水库的设计，如水塔、背包和储水箱。 那么为什么排尿时间是21秒？为什么这个时间在动物大小上是恒定的？研究中建立的模型表明，膀胱容量的差异会被流速的差异所抵消，导致膀胱排空时间不随系统大小而变化。 在这项研究中，作者们发现排尿时间对尿道横截面高度敏感。这种依赖性对于小动物尤其高，因为它们的尿液流动受到毛细血管和粘性力的阻碍，而这些阻力与尿道的周长成比例。所以，对小动物更准确的预测需要测量尿道出口周长和尿道横截面。 其实，这是一项非常复杂的研究。看来，想拿到诺贝尔奖不容易，而想拿到“搞笑诺贝尔奖”也不容易！虽然这项研究的对象没有其他研究那么高大上，但是它提示的现象很有科学价值，而且充满了科学趣味！ （读者朋友们不妨也试试数一数自己的尿尿时间，看是否符合这个规律！ 参考文献： https://www./content/111/33/11932 https://www./article/440716/?page=2 编辑/审核：Andy博士
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