企鹅排泄粪便可以喷多远?他们还写出论文来了
科技

企鹅排泄粪便可以喷多远?他们还写出论文来了

2020年07月13日 00:00:00

企鹅排泄粪便可以喷多远?他们还写出论文来了

撰文 | JENNIFER OUELLETTE

翻译 | 贾楠

编辑 | 魏潇

大自然是残酷的,因此在育雏的过程中,帽带企鹅(Chinstrap Penguin)和阿德利企鹅(Adélie penguin)不愿将卵不加保护地留在巢中,即使是在排便的时候,也不会走开。但是它们同时也不想让粪便污染巢穴。因此在孵化时,它们会弯腰向下,使其下半身探出巢穴,然后抬起尾巴,喷出一坨粪便。这种方式同时确保了卵的安全性和巢穴的清洁度。

2003 年,两位勇敢的物理学家被这种行为吸引了,并且想要通过计算来回答这个问题:这些企鹅在排便时可以产生多大的压力来推动其粪便远离巢穴?答案是大约为人排便时的三倍。那篇论文帮助他们斩获了 2005 年的搞笑诺贝尔奖,为那些痴迷于企鹅便便的人赢得了永久的荣誉。现在,2 名日本科学家对这一问题进行了重新探讨:他们计算了企鹅粪便排出时的轨迹,并重新计算了直肠压力。该研究已经在预印本平台 arXiv 上公布。

根据 2003 年论文的合著者、日本发光生物研究所(Research Institute of Luminous Organisms)Victor Benno Meyer-Rochow 的说法,这个神奇研究的起点是他带领团队在南极洲进行的一次探险。他当时只是想收集当地的海洋蠕虫和被一种称为春虫的微小陆生昆虫的样本,以作进一步研究,但他还是为该地区的企鹅拍摄了大量照片,并将其用于演讲中。在日本北里大学举行的一次研讨会上,一名年轻女子对 Meyer-Rochow 一张企鹅在巢中孵卵的幻灯片提出了问题,她想知道照片中放射状的白色和粉红色线条是什么。她称它们为“装饰”,并询问企鹅是如何制造它们的。

图片来源:Stephen Roberts

图片来源:Stephen Roberts

Meyer-Rochow 去年还在博客里回顾了这件事:“我当时解释说,企鹅站起来,移到巢穴的边缘,转身,抬起尾巴,然后发射(粪便),这可以留下 30 到 40 厘米长的半液态轨迹。除了发问者外,其他所有人都笑了。她的脸红了,静静地坐了下来。”(粪便的颜色取决于企鹅的饮食:如果主要是鱼,粪便就是白色的。如果企鹅以磷虾为食,粪便则呈粉红色。)

不过 Meyer-Rochow 坚持认为这不是一个蠢问题,它促使自己仔细观察了幻灯片,从中发现了几张捕捉到企鹅排便瞬间的影像。测量粪便的喷射长度很简单,估计地上高度和企鹅泄殖腔的位置同样简单。他甚至还了解到了企鹅粪的表面“粘性”程度。有了这些信息后,Meyer-Rochow 和他的合作者、匈牙利洛兰德·埃特沃斯大学(Loránd Eötvös University)的 Jozsef Gal 就能够计算出将粪便从尾部喷射 30 至 40 厘米远所需的力。然后他们再根据力的强度来估算实际情况中企鹅“发射”粪便所需的直肠压力。

图片来源:2003 年论文

图片来源:2003 年论文

这个被计算出来的数字是 10 - 60 千帕斯卡( 0.1-0.6 个大气压,或每平方厘米 600 克),这一数值远远高于普通人类在排便时可以施加的压力。Meyer-Rochow 说,这个数值的压力相当于“是汽车轮胎压力的至少一半”,他还补充道,“对于一个只有人类体积三分之一大小的小家伙来说,这个数值非常惊人。” 但是,该研究并未解决为什么粪便会向各个方向喷射却没有明显方向性的原因。这取决于风向吗?还是企鹅以某种方式“选择”了将粪便喷向何处?这仍然是一个未解的谜题。

搞笑诺奖的续集

在最近公布的这篇论文中,日本高知大学(Kochi University)的 Hiroyuki Tajima 和高知县桂浜水族館的 Fumiya Fujisawa 注意到,2003 年的论文只考虑了水平方向的喷射,但企鹅排泄时粪便射出的角度并不总是水平的,特别是当巢穴位于较高的地方,或者企鹅可能站在岩石上的时候。

图片来源:2020 年论文

图片来源:2020 年论文

研究者使用牛顿方程计算得出,企鹅粪便的最大飞行距离为 1.34 米。他们也重新探讨了实现这种轨迹所需的直肠压力的问题,并发现它会比最初的估计值高一点。但是,他们指出,他们的简化方程式并未考虑到粪便消化道和空气中的流体动力学,“它们留待以后的工作”。

至于为什么他们选择重新审视企鹅喷射粪便时所涉及的物理学,作者这样解释:“这种(粪便喷射)爆发有时会使饲养员在水族馆等饲养环境中感到尴尬。因此,了解它们的粪便究竟可以喷射多远,实际上很重要。这样的信息能使饲养者免于危机,也对于为饲养者避免此类事件的发生,提供新的指导思路。”