Древние китайцы практиковали копромантию, диагностику здоровья, основанную на форме, размере и текстуре кала. Как и египтяне, греки и почти все древние культуры. Даже сегодня ваш врач может спросить, когда у вас в последний раз было испражнение, и описать его в мельчайших деталях.
Связанный контент
- Насколько утомлены зебры? Просто спросите их какашки
- Взлет и падение колонии пингвинов, записанные в какашках
- Проверка инстинкта: Мандрилс нюхает какашки, чтобы избежать сверстников с паразитами
- Почему 10 ежедневных тонн муравьиной кормы сохраняют этот тропический лес процветающим
Конечно, говорить неудобно. Но вот тут и приходит наука, потому что то, что мы не любим обсуждать, может причинить вред. Синдром раздраженного кишечника, воспалительные заболевания кишечника, желудочно-кишечные инфекции и другие заболевания, связанные с какашками, ежегодно обходятся американцам в миллиарды долларов.
Но попытка остановить эти проблемы не была нашей главной мотивацией для того, чтобы попытаться понять физику дефекации. Это было что-то еще, гораздо более зловещее.
Из личного наблюдения, в лабораторию
Когда отцовство бьет, оно бьет сильно. Один из нас - рабочий папа, который выжил, выучив новый набор навыков, одним из которых был анализ кала. Годы смены подгузников, а затем приучения к горшку превратили меня из новичка в аналитике пумы в опытного ценителя. Моя жизнь проходит через серию изображений: твердые фекалии, как горох, и длинные фекалии, как гладкая змея, и лужа коричневой воды.
В отличие от древних, мы не верили, что можем предсказать будущее по детскому стулу. Но мы думали, что стоит попытаться понять, откуда взялись все эти формы. Наличие лаборатории для ответа на вопросы о повседневном мире - одно из отличных удовольствий ученого.
Как специалисты по динамике жидкости, мы объединили усилия с колоректальным хирургом Дэниелом Чу и двумя яркими студентами, Кэндис Камински и Морганом Ламаркой, которые снимали дефекацию и отобранные фекалии из 34 видов млекопитающих в зоопарке Атланта, чтобы измерить их плотность и вязкость.
Мы узнали, что большинство слонов и других травоядных животных создают «поплавки», в то время как большинство тигров и других плотоядных животных создают «грузила». По неосторожности мы также ранжировали фекалии от самых неприятных до вонючих, начиная с тигра и носорога и вплоть до панды. Разнообразие животных в зоопарке предоставило нам целый ряд размеров и форм фекалий, которые послужили независимыми доказательствами для подтверждения нашей математической модели продолжительности дефекации.
Мы также поместили фекалии в устройство под названием «реометр», прецизионный блендер, который может измерять свойства жидких и твердых материалов, таких как шоколад и шампунь. Наша лаборатория делится двумя реометрами с физиком Джорджии Альберто Фернандес-Ньевесом. С тех пор мы классифицировали реометры как «чистый реометр» и «реометр Дэвида Ху», которые видели свою значительную долю слюны лягушки, слизи и кала.
Секрет скорости
Что еще мы узнали? Более крупные животные имеют более длинный кал. И более крупные животные также испражняются на более высокой скорости. Например, слон испражняется со скоростью шесть сантиметров в секунду, почти в шесть раз быстрее, чем собака. Скорость дефекации у людей находится между двумя сантиметрами в секунду.
Соотношение между массой тела М и временем дефекации. Символы представляют экспериментальные измерения; пунктирная линия обозначает наилучшее соответствие данным; Сплошная линия представляет теоретический прогноз. (Ян и др., DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Вместе это означало, что продолжительность дефекации постоянна для многих видов животных - около 12 секунд (плюс или минус 7 секунд) - даже если объем сильно варьируется. Предполагая распределение кривой колокола, 66 процентам животных требуется от 5 до 19 секунд для дефекации. Это удивительно небольшой диапазон, учитывая, что объем фекалий слонов составляет 20 литров, что почти в тысячу раз больше, чем у собак, при 10 миллилитрах. Как большие животные могут испражняться на такой высокой скорости?
Слизь на поверхности экскрементов крыс светится при t = 0 и испаряется менее чем за 30 секунд. (Ян и др., DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Ответ, как мы обнаружили, заключался в свойствах ультратонкого слоя слизи, выстилающего стенки толстой кишки. Слизистый слой такой же тонкий, как человеческие волосы, настолько тонкий, что его можно измерить только взвешиванием кала по мере испарения слизи. Несмотря на то, что слизь очень жидкая, она очень скользкая, более чем в 100 раз менее вязкая, чем фекалии.
Во время дефекации кал движется как сплошная пробка. Следовательно, в идеальных условиях общая длина и диаметр фекалий просто определяются формой прямой кишки и толстой кишки. Одним из важных выводов нашего исследования было то, что фекалии простираются на половину длины толстой кишки от прямой кишки.
Единая теория изматывания
Соединяя длину кала со свойствами слизи, теперь у нас есть сплоченная физическая история о том, как происходит дефекация. У более крупных животных более длинный кал, но также и более толстая слизь, что позволяет им достигать высоких скоростей при одинаковом давлении. Без этого слоя слизи дефекация может быть невозможна. Изменения в слизи могут способствовать развитию ряда заболеваний, включая хронические запоры и даже инфекции бактериями, такими как C. difficile, в желудочно-кишечном тракте.
Помимо того, что мы просто следовали нашему научному любопытству, наши измерения кала также имели некоторые практические применения. Наши данные о дефекации помогли нам разработать подгузник для взрослых для астронавтов. Астронавты хотят оставаться в скафандрах в течение семи дней, но ограничены подгузниками. Используя вязкость фекалий, мы разработали подгузник, который отделяет фекалии от прямого контакта с кожей. Ранее в этом году он был полуфиналистом в NASA Space Poop Challenge.
Это просто показывает, что физику и математику можно использовать везде, даже в вашем унитазе.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Дэвид Ху, доцент кафедры машиностроения и биологии, адъюнкт-профессор физики, Технологический институт Джорджии
Патриция Ян, доктор философии Студент в области машиностроения, Технологический институт Джорджии
