[論文レビュー] Law of Urination: all mammals empty their bladders over the same duration

Patricia Yang, Jonathan C. Pham+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2013

Urological Disorders and Treatments参考文献 60被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、ネズミからゾウに至るすべての哺乳類が、体サイズにかかわらずほぼ同じ時間、21±13秒で膀胱を空ける「排尿の法則」を発見した。この一定性は、大きな動物では重力が流速を向上させる長めの尿管が、小さな動物では粘性力と界面張力が制限要因となるため生じる。尿管は進化的スケールを越えて流体力学的アンプラーとして機能していることが示された。

ABSTRACT

Many urological studies rely upon animal models such as rats and pigs whose urination physics and correlation to humans are poorly understood. Here we elucidate the hydrodynamics of urination across five orders of magnitude in animal mass. Using high-speed videography and flow rate measurement at Zoo Atlanta, we discover the "Law of Urination," which states animals empty their bladders over nearly constant duration of average 21 seconds (standard deviation 13 seconds). This feat is made possible by larger animals having longer urethras, thus higher gravitational force and flow speed. Smaller mammals are challenged during urination due to high viscous and surface tension forces that limit their urine to single drops. Our findings reveal the urethra constitutes as a flow enhancing device, enabling the urinary system to be scaled up without compromising its function. This study may help in the diagnosis of urinary problems in animals and in inspiring the design of scalable hydrodynamic systems based on those in nature.

研究の動機と目的

• 体サイズに6個のオーダーの差がある哺乳類の種において、排尿の力学的スケーリングを理解すること。
• 長年の誤解を解き、特に尿流を駆動する重力と膀胱内圧の役割を解明すること。
• 尿管の流体力学的機能を定量化し、種を越えて一貫した排尿時間を持続するスケーリング適応型装置としての役割を明らかにすること。
• 動物の健康診断やバイオインspired流体システム設計に応用可能な統一的物理モデルを提供すること。

提案手法

• Zoo Atlantaで16頭の動物、およびYouTubeから追加の29本の動画を用いて、高速ビデオ撮影（210–1000 fps）により排尿の開始と終了を記録した。
• 超音波、X線、組織断層画像データから、10種100体の個体で膀胱容量、尿管長さ（L）、直径（D）、断面積（A）を測定した。
• 組織断層画像から得た形状係数 α = 0.4±0.15 を用い、顕著な直径を有効な流れの直径（αD）に補正した。これは尿管のしわの影響を考慮したものである。
• ヤギ、牛、イヌでは直接尿収集により流量（Q）を測定し、ネズミ、マウスではTrackerソフトウェアを用いて高速滴の動きから推定した。
• 流体力学的原則（重力駆動流、粘性力）を用いた理論的モデリングにより、体サイズにかかわらず排尿時間が一定である理由を説明した。
• 全般的にスケーリング則を適用し、尿管長さ（L ∝ M^0.41）と直径（D ∝ M^0.38）の関係を示した。これにより、ほぼ一定のアスペクト比（D/L ≈ 0.06）が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ体サイズに大きな差がある哺乳類においても排尿時間がほぼ一定なのであろうか？
• RQ2 重力、圧力、粘性力／界面張力のうち、どの物理的力が異なるサイズの動物で尿流を支配しているのか？
• RQ3 特に長さとしわのある構造を有する尿管幾何学的形状が、種を越えて一貫した流れ性能を実現する上で果たす役割は何か？
• RQ4 膀胱内圧と重力が、尿路系における流量を決定する上でどの程度共同で寄与しているのか？
• RQ5 統一的流体力学的モデルは、哺乳類の体サイズの全範囲にわたる排尿を説明できるか？

主な発見

• 3 kgを超えるすべての哺乳類は、体サイズにかかわらずほぼ一定の時間、21±13秒で膀胱を空ける。体サイズの範囲は6桁のオーダーにわたる。
• 尿管長さは体サイズに比例して L ∝ M^0.41 とスケーリングし、大きな動物では重力によって高い流速を発生させる。
• しわのため有効な尿管直径は60％減少（α = 0.4）し、断面積は顕著な円形断面積の16％にまで減少する。
• 小さな哺乳類（例：マウス、ラット）では、粘性力と界面張力が支配的となり、連続ジェットではなく滴状の排尿が生じる。
• 大きな動物では重力が流れの主な駆動力となるが、膀胱内圧は種を越えて比較的一定である。
• 尿管は流体力学的アンプラーとして機能し、進化的・スケールを越えて一貫した排尿時間を維持している。