Gli antichi cinesi praticavano la copromanzia, la diagnosi della salute basata sulla forma, dimensione e consistenza delle feci. Così fecero gli egiziani, i greci e quasi ogni cultura antica. Ancora oggi, il medico potrebbe chiederti quando hai avuto l'ultimo movimento intestinale e descriverlo in modo squisito.
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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 è stata la nostra motivazione principale per cercare di capire alcuni dei fattori fisici della defecazione. Era qualcos'altro, molto più sinistro.
Dall'osservazione personale, nel laboratorio
Quando la paternità colpisce, colpisce duramente. Uno di noi è un papà che lavora sopravvissuto imparando una nuova serie di abilità, una delle quali era l'analisi fecale. Anni di cambi di pannolino e poi un vasino allenamento mi hanno trasformato da un novizio di analisi della cacca a un intenditore avvizzito. La mia vita scorre in una serie di immagini: feci dure che si scaldano come piselli e feci lunghe come un serpente liscio in una pozzanghera di acqua marrone.
A differenza degli antichi, non credevamo di poter prevedere il futuro dalle feci dei bambini. Ma abbiamo pensato che valesse la pena provare a capire da dove provengono tutte queste forme. Avere un laboratorio per rispondere alle domande sul mondo quotidiano è uno dei distinti piaceri di essere uno scienziato.
Come fluidisti dinamici, abbiamo unito le forze con il chirurgo colorettale Daniel Chu e due stalwart laureandi, Candice Kaminski e Morgan LaMarca, che hanno filmato defecazione e feci raccolte a mano da 34 specie di mammiferi allo Zoo di Atlanta per misurare la loro densità e viscosità.
Abbiamo imparato 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 dalla maggior parte alle meno puzzolenti, iniziando con tigre e rinoceronte e arrivando fino al panda. La varietà di animali dello zoo ci ha fornito una serie di dimensioni e forme fecali che sono servite da 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 liquidi e solidi come il cioccolato e lo shampoo. Il nostro laboratorio condivide due reometri con il fisico della Georgia Tech Alberto Fernandez-Nieves. Da allora abbiamo classificato i reometri come "reometro pulito" e "reometro David Hu" - che ha visto la sua giusta dose di saliva, muco e feci di rana.
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. Ad esempio, un elefante defeca a una velocità di sei centimetri al secondo, quasi sei volte più veloce di un cane. La velocità di defecazione per l'uomo è tra: due centimetri al secondo.
La relazione tra massa corporea M e tempo di defecazione. I simboli rappresentano misurazioni sperimentali; la linea tratteggiata rappresenta la soluzione migliore per i dati; la linea continua rappresenta la previsione teorica. (Yang et al, DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Insieme, ciò ha significato che la durata della defecazione è costante per 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 percento 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?
Il muco sulla superficie delle feci di ratto brilla a t = 0 ed evapora in meno di 30 secondi. (Yang et al, DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) La risposta, abbiamo scoperto, 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 sottili che potremmo misurarlo solo pesando le feci mentre il muco evaporava. Nonostante sia sottile, il muco è molto scivoloso, oltre 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 del pooping
Mettendo insieme la lunghezza delle feci con le proprietà del muco, ora abbiamo una storia di fisica coerente su come avviene la defecazione. Gli animali più grandi hanno feci più lunghe, ma anche muco più spesso, che consente loro di raggiungere alte velocità con la stessa pressione. Senza questo strato di muco, la defecazione potrebbe non essere possibile. Le alterazioni nel 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 per adulti per gli astronauti. Gli astronauti vogliono rimanere in tute spaziali per sette giorni, ma sono limitati dai loro pannolini. Sfruttando la viscosità delle feci, abbiamo progettato un pannolino che separa le feci dal contatto diretto con la pelle. Era un semifinalista alla NASA Space Poop Challenge 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 su The Conversation.
David Hu, professore associato di ingegneria meccanica e biologia, professore associato associato di fisica, Georgia Institute of Technology
Patricia Yang, Ph.D. Studente in ingegneria meccanica, Georgia Institute of Technology
