Starověcí Číňané praktikovali copromancy, diagnózu zdraví založenou na tvaru, velikosti a struktuře výkalů. Stejně tak Egypťané, Řekové a téměř každá starověká kultura. Dokonce i dnes se váš lékař může zeptat, kdy jste naposledy měl střevní pohyb, a popsat jej ve skvělých detailech.
Související obsah
- Jak jsou zdůrazněny Zebry? Zeptejte se jejich zadku
- Penguin Colony's Rise and Fall, Zaznamenaný v hovnu
- Kontrola střeva: Mandrills Sniff Poop, aby se zabránilo vrstevníkům s parazity
- Proč 10 denních tun mravčího hovna udržet tento deštný prales prosperující
Jistě, je nepříjemné o tom mluvit. Ale tam přichází věda, protože to, o čem neradi diskutujeme, může stále způsobit škodu. Syndrom dráždivého tračníku, zánětlivé onemocnění střev, gastrointestinální infekce a další onemocnění související s poopem stojí Američany ročně miliardy dolarů.
Ale pokusit se zastavit tyto problémy nebylo naší hlavní motivací pro to, abychom se pokusili zjistit některé z fyziky defekace. Bylo to něco jiného, mnohem zlověstnější.
Z osobního pozorování do laboratoře
Když rodičovství zasáhne, zasáhne to tvrdě. Jedním z nás je pracovní táta, který přežil učením nové sady dovedností, z nichž jedna byla fekální analýza. Roky změn plen a následného nočního tréninku mě změnily z začínajícího pooanalýze na zbohatlého znalce. Můj život prochází řadou obrazů: tvrdé pelety, jako je hrášek, až po dlouhé stolice, jako hladký had, do louže hnědé vody.
Na rozdíl od starých jsme nevěřili, že bychom mohli předpovídat budoucnost z dětské stoličky. Mysleli jsme si však, že stojí za to se pokusit pochopit, odkud všechny tyto tvary pocházejí. Jedním z výrazných potěšení z toho, že jste vědec, je mít laboratoř, která odpovídá na otázky týkající se každodenního světa.
Jako tekutí dynamici jsme spojili síly s kolorektálním chirurgem Danielem Chuem a se dvěma stagnovými vysokoškoláky, Candice Kaminski a Morgan LaMarca, kteří v zoo Atlanta natáčeli defekaci a ručně vybrali výkaly, aby změřili jejich hustotu a viskozitu.
Dozvěděli jsme se, že většina slonů a jiných býložravců vytváří „plováky“, zatímco většina tygrů a jiných masožravců vytváří „potopy“. Neúmyslně jsme takéřadili výkaly od nejméně po nejméně páchnoucí, počínaje tygrem a nosorožcem až po pandu. Různá zvířata v zoo nám poskytla řadu fekálních velikostí a tvarů, které sloužily jako nezávislé důkazy k ověření našeho matematického modelu délky defekace.
Výkaly jsme také umístili do zařízení zvaného „reometr“, přesného mixéru, který dokáže měřit vlastnosti tekutých a pevných materiálů, jako je čokoláda a šampon. Naše laboratoř sdílí dva reometry s fyzikem Georgia Tech Albertem Fernandez-Nieves. Od té doby jsme rheometry klasifikovali jako „čistý reometr“ a „reheometr Davida Hu“ - který viděl svůj spravedlivý podíl žabních slin, hlenu a výkalů.
Tajemství rychlosti
Co jiného jsme se naučili? Větší zvířata mají delší výkaly. A větší zvířata se také vyprazdňují při vyšší rychlosti. Například slon se defekuje rychlostí šest centimetrů za sekundu, téměř šestkrát rychleji než pes. Rychlost defekace u lidí je mezi dvěma centimetry za sekundu.
Vztah mezi tělesnou hmotností M a časem defekace. Symboly představují experimentální měření; přerušovaná čára představuje nejvhodnější pro data; plná čára představuje teoretickou předpověď. (Yang a kol., DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Společně to znamenalo, že doba trvání defekace je u mnoha živočišných druhů konstantní - kolem 12 sekund (plus nebo mínus 7 sekund) - i když se objem velmi liší. Předpokládáme-li distribuci křivky, zabrání 66 procent zvířat od 5 do 19 sekund. Je to překvapivě malý rozsah, vzhledem k tomu, že výkaly slonů mají objem 20 litrů, téměř tisíckrát více než psí, v 10 mililitrech. Jak mohou velká zvířata vypouštět tak vysokou rychlostí?
Hlen na povrchu stolice potkana svítí při t = 0 a odpařuje se za méně než 30 sekund. (Yang a kol., DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Odpověď, jak jsme zjistili, byla ve vlastnostech ultratenké vrstvy hlenu lemující stěny tlustého střeva. Hlenová vrstva je stejně tenká jako lidské vlasy, tak tenká, že jsme ji mohli měřit pouze vážením stolice, když se hlen odpařil. Přestože je hlen tenký, je velmi kluzký, více než 100krát méně viskózní než stolice.
Během defekace se fekálie pohybují jako pevná zátka. Proto je v ideálních podmínkách kombinovaná délka a průměr výkalů jednoduše určena tvarem konečníku a tlustého střeva. Jedním z velkých nálezů naší studie bylo to, že výkaly se rozprostírají v polovině délky tlustého střeva z konečníku.
Sjednocená teorie poopingu
Když uvedeme délku výkalů spolu s vlastnostmi hlenu, máme nyní soudržný fyzický příběh o tom, jak k defekaci dochází. Větší zvířata mají delší stolici, ale také silnější hlen, což jim umožňuje dosáhnout vysokých rychlostí se stejným tlakem. Bez této vrstvy hlenu nemusí být defekace možná. Změny v hlenu mohou přispět k několika nemocem, včetně chronické zácpy a dokonce infekcí bakteriemi, jako je C. difficile v gastrointestinálním traktu.
Kromě toho, že jsme jednoduše sledovali naši vědeckou zvědavost, měla naše měření výkalů také několik praktických aplikací. Naše údaje o defekaci nám pomohly navrhnout plenu pro dospělé pro astronauty. Astronauti chtějí zůstat ve vesmírných oblecích sedm dní, ale jsou omezeni svými plenkami. S využitím viskozity stolice jsme vyvinuli plenu, která vylučuje stolici od přímého kontaktu s kůží. Začátkem tohoto roku to byl semifinalista v NASA Space Poop Challenge.
To jen ukazuje, že fyziku a matematiku lze použít všude, dokonce i ve vaší toaletní misce.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
David Hu, docent strojního inženýrství a biologie, docent docent fyziky, Georgia Institute of Technology
Patricia Yang, Ph.D. Student ve strojírenství, Gruzínský technologický institut
