The Physics of Poop

Il seguente saggio è ristampato con il permesso di The Conversation, una pubblicazione online che copre le ultime ricerche.

Gli antichi cinesi praticavano la copromanzia, la diagnosi di salute basata sulla forma, le dimensioni e la consistenza delle feci. Così hanno fatto gli egiziani, i greci e quasi ogni cultura antica. Ancora oggi, il medico può chiedere quando hai avuto l’ultima volta un movimento intestinale e di descriverlo in dettaglio squisito.

Certo, è scomodo parlarne. Ma è qui che entra in gioco la scienza, perché ciò che non ci piace discutere può ancora causare danni. La sindrome dell’intestino irritabile, la malattia infiammatoria intestinale, le infezioni gastrointestinali e altri disturbi legati alla cacca costano agli americani miliardi di dollari all’anno.

Ma cercare di arginare questi problemi non era la nostra motivazione principale per cercare di capire parte della fisica della defecazione. Era qualcos’altro, molto più sinistro.

Dall’osservazione personale, nel laboratorio

Quando la genitorialità colpisce, colpisce duramente. Uno di noi è un padre che lavora che è sopravvissuto imparando una nuova serie di abilità, una delle quali era l’analisi fecale. Anni di cambi di pannolino e poi vasino mi ha trasformato da un novizio cacca-analisi per un intenditore avvizzito. La mia vita passa in una serie di immagini: feci dure pellet come piselli a feci lunghe come un serpente liscio a una pozza d’acqua marrone.

A differenza degli antichi, non credevamo di poter predire il futuro dalle feci dei bambini. Ma abbiamo pensato che valesse la pena cercare di capire da dove provengono tutte queste forme. Avere un laboratorio per rispondere alle domande sul mondo di tutti i giorni è uno dei piaceri distinti di essere uno scienziato.

Come fluid dynamicists, abbiamo unito le forze con il chirurgo colorettale Daniel Chu e due studenti coraggiosi, Candice Kaminski e Morgan LaMarca, che hanno filmato la defecazione e le feci raccolte a mano da 34 specie di mammiferi allo Zoo di Atlanta per misurare la loro densità e viscosità.

Abbiamo appreso che la maggior parte degli elefanti e altri erbivori creano “galleggianti” mentre la maggior parte delle tigri e altri carnivori creano “platine.”inavvertitamente, abbiamo anche classificato le feci dal più al meno puzzolenti, iniziando con tiger e rhino e andando fino al panda. La varietà di animali dello zoo ci ha fornito una gamma di dimensioni e forme fecali che sono servite come prove indipendenti per convalidare il nostro modello matematico della durata della defecazione.

Abbiamo anche inserito le feci in un dispositivo chiamato “reometro”, un frullatore di precisione in grado di misurare le proprietà di materiali simili a liquidi e solidi come cioccolato e shampoo. Il nostro laboratorio condivide due reometri con il fisico Georgia Tech Alberto Fernandez-Nieves. Da allora abbiamo classificato i reometri come il ” reometro pulito “e il” reometro David Hu ” – che ha visto la sua giusta quota di saliva rana, muco e feci.

Il segreto della velocità

Cos’altro abbiamo imparato? Gli animali più grandi hanno feci più lunghe. E anche gli animali più grandi defecano a velocità più elevata. Per esempio, un elefante defeca ad una velocità di sei centimetri al secondo, quasi sei volte più veloce di un cane. La velocità della defecazione per gli esseri umani è in mezzo: due centimetri al secondo.

Insieme, questo significava che la durata della defecazione è costante in molte specie animali – circa 12 secondi (più o meno 7 secondi) – anche se il volume varia notevolmente. Supponendo una distribuzione della curva a campana, il 66% degli animali impiega tra 5 e 19 secondi per defecare. È una gamma sorprendentemente piccola, dato che le feci di elefante hanno un volume di 20 litri, quasi mille volte più di quello di un cane, a 10 millilitri. Come possono i grandi animali defecare a così alta velocità?

La risposta, abbiamo trovato, era nelle proprietà di uno strato ultrasottile di muco che riveste le pareti dell’intestino crasso. Lo strato di muco è sottile come i capelli umani, così sottile che potremmo misurarlo solo pesando le feci mentre il muco evapora. Nonostante sia sottile, il muco è molto scivoloso, più di 100 volte meno viscoso delle feci.

Durante la defecazione, le feci si muovono come una spina solida. Pertanto, in condizioni ideali, la lunghezza e il diametro combinati delle feci sono semplicemente determinati dalla forma del proprio retto e dell’intestino crasso. Uno dei grandi risultati del nostro studio è stato che le feci si estendono a metà della lunghezza del colon dal retto.

Una teoria unificata di pooping

Mettendo la lunghezza delle feci insieme alle proprietà del muco, ora abbiamo una storia fisica coesa su come avviene la defecazione. Gli animali più grandi hanno feci più lunghe, ma anche muco più spesso, consentendo loro di raggiungere alte velocità con la stessa pressione. Senza questo strato di muco, la defecazione potrebbe non essere possibile. Le alterazioni del muco possono contribuire a diversi disturbi, tra cui costipazione cronica e persino infezioni da batteri come C. difficile nel tratto gastrointestinale.

Oltre a seguire semplicemente la nostra curiosità scientifica, le nostre misurazioni delle feci hanno avuto anche alcune applicazioni pratiche. I nostri dati di defecazione ci hanno aiutato a progettare un pannolino adulto per gli astronauti. Gli astronauti vogliono rimanere in tute spaziali per sette giorni, ma sono limitati dai loro pannolini. Approfittando della viscosità delle feci, abbiamo progettato un pannolino che separa le feci dal contatto diretto con la pelle. E ‘ stato un semifinalista nella NASA Space Cacca Sfida all’inizio di quest’anno.

Mostra solo che la fisica e la matematica possono essere utilizzate ovunque, anche nella tazza del water.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato sulla Conversazione. Leggi l’articolo originale.