Starożytni Chińczycy praktykowali kopromancję, diagnozę zdrowia opartą na kształcie, wielkości i teksturze kału. Podobnie Egipcjanie, Grecy i prawie każda starożytna kultura. Nawet dzisiaj lekarz może zapytać, kiedy ostatnio miałeś wypróżnienia i opisać je w najdrobniejszych szczegółach.
powiązana zawartość
- Jak zestresowane są zebry? Po prostu zapytaj ich kupę
- Powstanie i upadek kolonii pingwinów, zarejestrowane w kupie
- Kontrola jelita: mandryle wąchają kupę, aby uniknąć rówieśników z pasożytami
- Dlaczego 10 codziennych ton kupy mrówek utrzymuje kwitnienie tego lasu deszczowego
Jasne, nie jest łatwo rozmawiać. Ale tam właśnie wkracza nauka, ponieważ to, o czym nie lubimy dyskutować, może nadal powodować szkody. Zespół jelita drażliwego, choroba zapalna jelit, infekcje żołądkowo-jelitowe i inne dolegliwości związane z kupą kosztują Amerykanów miliardy dolarów rocznie.
Ale próba przezwyciężenia tych problemów nie była naszą główną motywacją do zrozumienia części fizyki defekacji. To było coś jeszcze, znacznie bardziej złowieszczego.
Od osobistych obserwacji do laboratorium
Kiedy rodzicielstwo uderza, uderza mocno. Jednym z nas jest pracujący tata, który przeżył, ucząc się nowego zestawu umiejętności, z których jedną była analiza kału. Lata zmian pieluch, a potem trening nocników zmieniły mnie z nowicjusza w analizę poo w mistrza konesera. Moje życie mija w serii obrazów: twarde odchody jak groch, długie odchody jak gładki wąż do kałuży brązowej wody.
W przeciwieństwie do starożytnych nie wierzyliśmy, że możemy przewidzieć przyszłość ze stołka dziecięcego. Pomyśleliśmy jednak, że warto próbować zrozumieć, skąd pochodzą te wszystkie kształty. Posiadanie laboratorium odpowiadającego na pytania dotyczące codziennego świata jest jedną z wyraźnych przyjemności bycia naukowcem.
Jako płynni dynamicyści połączyliśmy siły z chirurgiem jelita grubego Danielem Chu oraz dwoma wiernymi studentami, Candice Kamińskimi i Morgan LaMarca, którzy filmowali defekację i ręcznie zbierany kał z 34 gatunków ssaków w Zoo Atlanta, aby zmierzyć ich gęstość i lepkość.
Dowiedzieliśmy się, że większość słoni i innych roślinożerców tworzy „pływaki”, podczas gdy większość tygrysów i innych mięsożerców tworzy „obciążniki”. Nieumyślnie uszeregowaliśmy kał od najbardziej do najmniej śmierdzącego, poczynając od tygrysa i nosorożca, aż po pandę. Różnorodność zwierząt w zoo dostarczyła nam zakres rozmiarów i kształtów kału, które posłużyły jako niezależne dowody potwierdzające nasz matematyczny model czasu trwania defekacji.
Umieściliśmy także odchody w urządzeniu zwanym „reometrem”, precyzyjnym mikserze, który może mierzyć właściwości płynnych i stałych materiałów, takich jak czekolada i szampon. Nasze laboratorium dzieli dwa reometry z fizykiem Georgia Tech Alberto Fernandez-Nieves. Od tego czasu sklasyfikowaliśmy reometry jako „czysty reometr” i „reometr Davida Hu” - który odnotował znaczną część śliny żaby, śluzu i kału.
Sekret prędkości
Czego jeszcze się nauczyliśmy? Większe zwierzęta mają dłuższe odchody. Większe zwierzęta również wypróżniają się z większą prędkością. Na przykład słoń wypróżnia się z prędkością sześciu centymetrów na sekundę, prawie sześć razy szybciej niż pies. Prędkość wypróżniania dla ludzi wynosi między: dwa centymetry na sekundę.
Zależność między masą ciała M a czasem wypróżniania. Symbole reprezentują pomiary eksperymentalne; linia przerywana przedstawia najlepsze dopasowanie do danych; linia ciągła reprezentuje teoretyczne przewidywanie. (Yang i in., DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Razem oznaczało to, że czas wypróżniania jest stały dla wielu gatunków zwierząt - około 12 sekund (plus lub minus 7 sekund) - nawet jeśli objętość jest bardzo zróżnicowana. Zakładając rozkład krzywej dzwonowej, 66 procent zwierząt potrzebuje od 5 do 19 sekund na wypróżnienie. Jest to zaskakująco mały zasięg, biorąc pod uwagę, że odchody słoni mają objętość 20 litrów, prawie tysiąc razy więcej niż u psa, przy 10 mililitrach. Jak duże zwierzęta mogą wypróżniać się z tak dużą prędkością?
Śluz na powierzchni odchodów szczurów świeci przy t = 0 i odparowuje w czasie krótszym niż 30 sekund. (Yang i in., DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Znaleźliśmy odpowiedź na to, że są to ultra-cienkie warstwy śluzu pokrywające ściany jelita grubego. Warstwa śluzu jest tak cienka jak ludzkie włosy, tak cienka, że można ją było zmierzyć tylko poprzez ważenie kału w miarę odparowywania śluzu. Mimo że jest cienki, śluz jest bardzo śliski, ponad 100 razy mniej lepki niż kał.
Podczas defekacji odchody poruszają się jak solidna wtyczka. Dlatego w idealnych warunkach łączna długość i średnica kału zależy po prostu od kształtu odbytnicy i jelita grubego. Jednym z wielkich ustaleń naszego badania było stwierdzenie, że odchody rozciągają się w połowie długości okrężnicy od odbytnicy.
Jednolita teoria rufowania
Łącząc długość kału z właściwościami śluzu, mamy teraz spójną historię fizyki dotyczącą tego, jak odbywa się defekacja. Większe zwierzęta mają dłuższe odchody, ale także grubszy śluz, co pozwala im osiągać duże prędkości przy takim samym nacisku. Bez tej warstwy śluzu defekacja może być niemożliwa. Zmiany w śluzie mogą przyczyniać się do wielu dolegliwości, w tym przewlekłych zaparć, a nawet infekcji bakteriami, takimi jak C. difficile w przewodzie pokarmowym.
Oprócz zwykłej naukowej ciekawości, nasze pomiary kału miały również praktyczne zastosowania. Nasze dane dotyczące defekacji pomogły nam zaprojektować pieluchę dla astronautów. Astronauci chcą pozostać w skafandrach kosmicznych przez siedem dni, ale są ograniczone pieluchami. Korzystając z lepkości kału, zaprojektowaliśmy pieluchę, która oddziela kał od bezpośredniego kontaktu ze skórą. Był półfinalistą w konkursie NASA Space Poop Challenge na początku tego roku.
To po prostu pokazuje, że fizyki i matematyki można używać wszędzie, nawet w muszli klozetowej.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
David Hu, docent inżynierii mechanicznej i biologii, adiunkt docent fizyki, Georgia Institute of Technology
Patricia Yang, Ph.D. Student inżynierii mechanicznej, Georgia Institute of Technology
