The Physics of Poop

El siguiente ensayo se reimprime con el permiso de The Conversation, una publicación en línea que cubre las últimas investigaciones.

Los antiguos chinos practicaban la copromancia, el diagnóstico de la salud basado en la forma, el tamaño y la textura de las heces. Lo mismo hicieron los egipcios, los griegos y casi todas las culturas antiguas. Incluso hoy en día, es posible que su médico le pregunte cuándo fue la última vez que tuvo una evacuación intestinal y que la describa con exquisito detalle.

Claro, es incómodo hablar de ello. Pero ahí es donde entra la ciencia, porque lo que no nos gusta discutir aún puede causar daño. El síndrome del intestino irritable, la enfermedad inflamatoria intestinal, las infecciones gastrointestinales y otras dolencias relacionadas con la caca cuestan a los estadounidenses miles de millones de dólares al año.

Pero tratar de detener estos problemas no fue nuestra principal motivación para tratar de averiguar algo de la física de la defecación. Era algo más, mucho más siniestro.

De la observación personal, al laboratorio

Cuando la paternidad golpea, golpea fuerte. Uno de nosotros es un padre trabajador que sobrevivió aprendiendo un nuevo conjunto de habilidades, una de las cuales era el análisis fecal. Años de cambios de pañal y luego entrenamiento para ir al baño me convirtieron de un novato en análisis de caca a un experto marchito. Mi vida pasa en una serie de imágenes: heces duras, gránulos, como guisantes, heces largas, como una serpiente lisa, hasta un charco de agua marrón.

A diferencia de los antiguos, no creíamos que pudiéramos predecir el futuro a partir de las heces de los niños. Pero pensamos que valía la pena tratar de entender de dónde vienen todas estas formas. Tener un laboratorio para responder preguntas sobre el mundo cotidiano es uno de los placeres distintivos de ser científico.

Como dinamicistas de fluidos, unimos fuerzas con el cirujano colorrectal Daniel Chu y dos estudiantes incondicionales, Candice Kaminski y Morgan LaMarca, quienes filmaron defecaciones y recogieron heces de 34 especies de mamíferos en el Zoológico de Atlanta para medir su densidad y viscosidad.

Aprendimos que la mayoría de los elefantes y otros herbívoros crean «flotadores», mientras que la mayoría de los tigres y otros carnívoros crean «plomos».»Inadvertidamente, también clasificamos las heces de más a menos malolientes, comenzando con tigre y rinoceronte y llegando hasta panda. La variedad de animales del zoológico nos proporcionó una gama de tamaños y formas fecales que sirvieron como piezas de evidencia independientes para validar nuestro modelo matemático de la duración de la defecación.

También colocamos las heces en un dispositivo llamado «reómetro», una licuadora de precisión que puede medir las propiedades de materiales similares a líquidos y sólidos, como el chocolate y el champú. Nuestro laboratorio comparte dos reómetros con el físico de Georgia Tech Alberto Fernández-Nieves. Desde entonces, hemos categorizado los reómetros como el «reómetro limpio» y el «reómetro David Hu», que ha visto una buena proporción de saliva, moco y heces de rana.

El secreto de la velocidad

¿Qué más aprendimos? Los animales más grandes tienen heces más largas. Y los animales más grandes también defecan a mayor velocidad. Por ejemplo, un elefante defeca a una velocidad de seis centímetros por segundo, casi seis veces más rápido que un perro. La velocidad de defecación para los humanos está entre dos centímetros por segundo.

Juntos, esto significa que la duración de la defecación es constante en muchas especies animales-alrededor de 12 segundos (más o menos 7 segundos) – a pesar de que el volumen varía mucho. Suponiendo una distribución de curva de campana, el 66 por ciento de los animales tarda entre 5 y 19 segundos en defecar. Es un rango sorprendentemente pequeño, dado que las heces de elefante tienen un volumen de 20 litros, casi mil veces más que las de un perro, a 10 mililitros. ¿Cómo pueden los animales grandes defecar a tan alta velocidad?

La respuesta, encontramos, estaba en las propiedades de una capa ultrafina de moco que recubre las paredes del intestino grueso. La capa de moco es tan delgada como el cabello humano, tan delgada que solo podríamos medirla pesando las heces a medida que el moco se evaporaba. A pesar de ser delgado, el moco es muy resbaladizo, más de 100 veces menos viscoso que las heces.

Durante la defecación, las heces se mueven como un tapón sólido. Por lo tanto, en condiciones ideales, la longitud y el diámetro combinados de las heces se determinan simplemente por la forma del recto y el intestino grueso. Uno de los grandes hallazgos de nuestro estudio fue que las heces se extienden a la mitad de la longitud del colon desde el recto.

Una teoría unificada de la defecación

Juntando la longitud de las heces con las propiedades del moco, ahora tenemos una historia física cohesiva sobre cómo ocurre la defecación. Los animales más grandes tienen heces más largas, pero también moco más grueso, lo que les permite alcanzar altas velocidades con la misma presión. Sin esta capa de moco, la defecación podría no ser posible. Las alteraciones en el moco pueden contribuir a varias dolencias, incluyendo estreñimiento crónico e incluso infecciones por bacterias como C. difficile en el tracto gastrointestinal.

Más allá de simplemente seguir nuestra curiosidad científica, nuestras mediciones de heces también han tenido algunas aplicaciones prácticas. Nuestros datos de defecación nos ayudaron a diseñar un pañal para adultos para astronautas. Los astronautas quieren permanecer en trajes espaciales durante siete días, pero están limitados por sus pañales. Aprovechando la viscosidad de las heces, diseñamos un pañal que separa las heces del contacto directo con la piel. Fue semifinalista en el Desafío de Caca Espacial de la NASA a principios de este año.

Solo muestra que la física y las matemáticas se pueden usar en todas partes, incluso en el inodoro.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.