the Physics of Poop

seuraava essee on uusintapainos uusintaversiona uusimmasta tutkimuksesta kertovasta verkkojulkaisusta the Conversation.

muinaiskiinalaiset harjoittivat kopromantiaa, terveyden diagnosointia ulosteen muodon, koon ja rakenteen perusteella. Niin tekivät egyptiläiset, kreikkalaiset ja lähes kaikki muinaiset kulttuurit. Vielä nykyäänkin lääkäri voi kysyä, milloin sinulla on viimeksi ollut suolen toimintaa ja kuvata sitä erittäin yksityiskohtaisesti.

toki, siitä on epämukavaa puhua. Mutta siinä tiede astuu kuvaan, koska se, mistä emme halua keskustella, voi silti aiheuttaa haittaa. Ärtyvän suolen oireyhtymä, tulehduksellinen suolistosairaus, ruoansulatuskanavan infektiot ja muut kakkaan liittyvät vaivat maksavat amerikkalaisille miljardeja dollareita vuosittain.

mutta näiden ongelmien hillitseminen ei ollut päämotivaatiomme yrittää selvittää ulostamisen fysiikkaa. Se oli jotain muuta, paljon pahaenteisempää.

henkilökohtaisesta tarkkailusta laboratorioon

kun vanhemmuus iskee, se iskee kovaa. Toinen meistä on työssäkäyvä isä, joka selvisi opettelemalla uusia taitoja, joista yksi oli ulosteanalyysi. Vuosien vaipanvaihdot ja sitten potalle harjoittelu muuttivat minut kakka-analyysin noviisista velloneeksi tuntijaksi. Elämäni kulkee kuvasarjassa: kovat ulosteet pelletit kuin herneet pitkiin ulosteisiin kuin sileä käärme lätäkköön ruskeaa vettä.

toisin kuin muinaiset, emme uskoneet voivamme ennustaa tulevaisuutta lasten ulosteesta. Mutta ajattelimme, että kannattaa yrittää ymmärtää, mistä nämä kaikki muodot tulevat. Se, että on laboratorio, jossa voi vastata arkimaailmaa koskeviin kysymyksiin, on yksi tiedemiehenä olemisen erityisistä nautinnoista.

nestedynamiikantekijöinä yhdistimme voimamme kolorektaalikirurgi Daniel Chun ja kahden vankan ylioppilaan, Candice Kaminskin ja Morgan Lamarcan kanssa, jotka kuvasivat ulostamista ja käsin poimittuja ulosteita 34 nisäkäslajista Zoo Atlantassa mitatakseen niiden tiheyden ja viskositeetin.

saimme tietää, että useimmat norsut ja muut kasvinsyöjät luovat ”kellujia”, kun taas useimmat tiikerit ja muut lihansyöjät luovat ”painumia”.”Epähuomiossa pisteytimme myös ulosteita kaikkein vähiten haisevista alkaen tiikereistä ja sarvikuonoista ja aina Pandaan asti. Eläintarhan eläinlajisto tarjosi meille erilaisia ulosteen kokoja ja muotoja, jotka toimivat itsenäisinä todisteina vahvistaaksemme matemaattisen mallimme ulostamisen kestosta.

laitoimme ulosteen myös ”reometriksi” kutsuttuun laitteeseen, tarkkuussekoittimeen, jolla voidaan mitata nestemäisten ja kiinteiden aineiden, kuten suklaan ja shampoon, ominaisuuksia. Laboratoriomme jakaa kaksi reometria Georgia Tech-fyysikko Alberto Fernandez-Nievesin kanssa. Olemme sittemmin luokiteltu reometers kuin ”puhdas reometri” ja ”David Hu reometri” – joka on nähnyt sen osuus sammakon sylki, limaa ja ulostetta.

nopeuden salaisuus

mitä muuta opimme? Isommilla eläimillä on pidempi uloste. Myös isommat Eläimet ulostavat suuremmalla nopeudella. Esimerkiksi norsu ulostaa kuuden sentin sekuntivauhdilla, lähes kuusi kertaa nopeammin kuin koira. Ulostamisnopeus ihmisillä on välillä: kaksi senttiä sekunnissa.

yhdessä tämä tarkoitti sitä, että ulostamisen kesto on vakio monilla eläinlajeilla – noin 12 sekuntia (plus tai miinus 7 sekuntia) – vaikka tilavuus vaihtelee suuresti. Jos oletetaan kellokäyrän jakauma, 66 prosentilla eläimistä ulostaminen kestää 5-19 sekuntia. Se on yllättävän pieni alue, kun ottaa huomioon, että norsun ulosteen tilavuus on 20 Litraa, lähes tuhat kertaa enemmän kuin koiran, 10 millilitrassa. Miten isot eläimet voivat ulostaa niin suurella nopeudella?

vastaus löytyi paksusuolen seinämiä vuoraavan erittäin ohuen limakerroksen ominaisuuksista. Limakerros on yhtä ohut kuin ihmisen hiukset, niin ohut, että pystyimme mittaamaan sen vain punnitsemalla ulostetta liman haihtuessa. Ohuudesta huolimatta lima on erittäin liukasta, yli 100 kertaa vähemmän viskoosia kuin uloste.

ulostamisen aikana uloste liikkuu kuin kiinteä tulppa. Siksi ihanteellisissa olosuhteissa ulosteen yhdistetty pituus ja halkaisija määräytyvät yksinkertaisesti peräsuolen ja paksusuolen muodon perusteella. Yksi tutkimuksemme suurista havainnoista oli, että uloste ulottuu peräsuolesta paksusuolen puoliväliin asti.

yhtenäisteoria kakkaamisesta

laittamalla ulosteen pituuden yhteen liman ominaisuuksien kanssa, meillä on nyt yhtenäinen fysiikkatarina sille, miten ulostaminen tapahtuu. Isommilla eläimillä on pidempi uloste, mutta myös paksumpaa limaa, jolloin ne voivat saavuttaa suuria nopeuksia samalla paineella. Ilman tätä limakerrosta ulostaminen ei välttämättä ole mahdollista. Muutokset limaa voi edistää useita vaivoja, kuten krooninen ummetus ja jopa infektioiden bakteerien kuten C. difficile ruoansulatuskanavassa.

pelkän tieteellisen uteliaisuutemme lisäksi ulostemittauksillamme on ollut myös käytännön sovelluksia. Ulostamistietomme auttoivat meitä suunnittelemaan aikuisten vaipan astronauteille. Astronautit haluavat pysyä avaruuspuvuissa seitsemän päivää, mutta niiden vaippoja rajoitetaan. Hyödynsimme ulosteiden viskositeettia ja suunnittelimme vaipan, joka erottaa ulosteet suorasta kosketuksesta ihon kanssa. Se oli semifinalisti Nasan Space Poop Challengessa aiemmin tänä vuonna.

se vain osoittaa, että fysiikkaa ja matematiikkaa voi käyttää kaikkialla, jopa vessanpöntössä.

tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelusta. Lue alkuperäinen artikkeli.