The Physics of Poop

Der folgende Aufsatz wird mit Genehmigung von The Conversation nachgedruckt, einer Online-Publikation, die die neuesten Forschungsergebnisse behandelt.

Die alten Chinesen praktizierten Kopromantie, die Diagnose der Gesundheit basierend auf der Form, Größe und Textur von Fäkalien. So auch die Ägypter, die Griechen und fast jede alte Kultur. Noch heute kann Ihr Arzt fragen, wann Sie das letzte Mal einen Stuhlgang hatten und es in exquisiten Details zu beschreiben.

Sicher, es ist unangenehm darüber zu reden. Aber hier kommt die Wissenschaft ins Spiel, denn was wir nicht gerne diskutieren, kann immer noch Schaden anrichten. Reizdarmsyndrom, entzündliche Darmerkrankungen, Magen-Darm-Infektionen und andere Poop-bedingte Beschwerden kosten Amerikaner jährlich Milliarden von Dollar.

Aber der Versuch, diese Probleme einzudämmen, war nicht unsere Hauptmotivation, um etwas über die Physik der Defäkation herauszufinden. Es war etwas anderes, viel unheimlicher.

Aus persönlicher Beobachtung ins Labor

Wenn die Elternschaft trifft, trifft es hart. Einer von uns ist ein berufstätiger Vater, der überlebt hat, indem er neue Fähigkeiten erlernt hat, darunter die Stuhlanalyse. Jahre des Windelwechsels und dann des Töpfchentrainings machten mich von einem Poo-Analyse-Anfänger zu einem Wizened-Kenner. Mein Leben vergeht in einer Reihe von Bildern: harte Kotpellets wie Erbsen über langen Kot wie eine glatte Schlange bis hin zu einer braunen Wasserpfütze.

Im Gegensatz zu den Alten glaubten wir nicht, dass wir die Zukunft vom Kinderstuhl aus vorhersagen könnten. Aber wir dachten, es lohnt sich zu verstehen, woher all diese Formen kommen. Ein Labor zu haben, um Fragen über die Alltagswelt zu beantworten, ist eine der besonderen Freuden eines Wissenschaftlers.

Als Fluiddynamiker haben wir uns mit dem Kolorektalchirurgen Daniel Chu und zwei unerschütterlichen Studenten, Candice Kaminski und Morgan LaMarca, zusammengetan, die den Stuhlgang und den handverlesenen Kot von 34 Säugetierarten im Zoo Atlanta gefilmt haben, um ihre Dichte und Viskosität zu messen.

Wir haben gelernt, dass die meisten Elefanten und andere Pflanzenfresser „Floater“ erzeugen, während die meisten Tiger und andere Fleischfresser „Platinen“ erzeugen.“ Unbeabsichtigt haben wir auch Kot von am meisten bis am wenigsten stinkend eingestuft, angefangen bei Tiger und Nashorn bis hin zu Panda. Die Vielfalt der Tiere des Zoos lieferte uns eine Reihe von Fäkalgrößen und -formen, die als unabhängige Beweise dienten, um unser mathematisches Modell der Defäkationsdauer zu validieren.

Wir haben die Fäkalien auch in ein Gerät namens „Rheometer“ gegeben, einen Präzisionsmixer, der die Eigenschaften von flüssigen und festen Materialien wie Schokolade und Shampoo messen kann. Unser Labor teilt sich zwei Rheometer mit dem Georgia Tech Physiker Alberto Fernandez-Nieves. Wir haben die Rheometer seitdem als „Clean Rheometer“ und „David Hu Rheometer“ eingestuft – was seinen fairen Anteil an Froschspeichel, Schleim und Kot gesehen hat.

Das Geheimnis der Geschwindigkeit

Was haben wir noch gelernt? Größere Tiere haben längere Fäkalien. Und größere Tiere defäkieren auch mit höherer Geschwindigkeit. Zum Beispiel defäkiert ein Elefant mit einer Geschwindigkeit von sechs Zentimetern pro Sekunde, fast sechsmal so schnell wie ein Hund. Die Defäkationsgeschwindigkeit für den Menschen liegt dazwischen: zwei Zentimeter pro Sekunde.

Zusammen bedeutet dies, dass die Defäkationsdauer bei vielen Tierarten konstant ist – etwa 12 Sekunden (plus oder minus 7 Sekunden) – obwohl das Volumen stark variiert. Unter der Annahme einer Glockenkurvenverteilung benötigen 66 Prozent der Tiere zwischen 5 und 19 Sekunden, um sich zu entleeren. Es ist ein überraschend kleiner Bereich, da Elefantenkot mit 10 Millilitern ein Volumen von 20 Litern hat, fast tausendmal mehr als das eines Hundes. Wie können große Tiere mit so hoher Geschwindigkeit defäkieren?

Die Antwort, die wir fanden, lag in den Eigenschaften einer ultradünnen Schleimschicht, die die Wände des Dickdarms auskleidete. Die Schleimschicht ist so dünn wie menschliches Haar, so dünn, dass wir sie nur durch Wiegen des Kots messen konnten, während der Schleim verdunstete. Obwohl er dünn ist, ist der Schleim sehr rutschig, mehr als 100 mal weniger viskos als Kot.

Während der Defäkation bewegt sich der Kot wie ein fester Pfropfen. Daher wird unter idealen Bedingungen die kombinierte Länge und der Durchmesser des Stuhls einfach durch die Form des Rektums und des Dickdarms bestimmt. Eines der großen Ergebnisse unserer Studie war, dass sich der Kot auf halber Länge des Dickdarms vom Rektum aus erstreckt.

Eine einheitliche Theorie des Kackens

Wenn wir die Länge des Stuhls mit den Eigenschaften des Schleims zusammenfassen, haben wir jetzt eine zusammenhängende physikalische Geschichte darüber, wie der Stuhlgang abläuft. Größere Tiere haben längere Fäkalien, aber auch dickeren Schleim, so dass sie bei gleichem Druck hohe Geschwindigkeiten erreichen können. Ohne diese Schleimschicht ist eine Defäkation möglicherweise nicht möglich. Schleimveränderungen können zu verschiedenen Beschwerden beitragen, einschließlich chronischer Verstopfung und sogar Infektionen durch Bakterien wie C. difficile im Magen-Darm-Trakt.

Unsere Kotmessungen haben nicht nur unserer wissenschaftlichen Neugierde gefolgt, sondern auch einige praktische Anwendungen gefunden. Unsere Defäkationsdaten haben uns geholfen, eine Erwachsenenwindel für Astronauten zu entwerfen. Astronauten wollen sieben Tage in Raumanzügen bleiben, sind aber durch ihre Windeln begrenzt. Unter Ausnutzung der Viskosität von Fäkalien haben wir eine Windel entwickelt, die den Kot von direktem Hautkontakt fernhält. Es war ein Halbfinalist in der NASA Space Poop Challenge Anfang dieses Jahres.

Es zeigt nur, dass Physik und Mathematik überall verwendet werden können, sogar in Ihrer Toilettenschüssel.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.