Οι αρχαίοι Κινέζοι εξασφάλιζαν συντροφικότητα, τη διάγνωση της υγείας με βάση το σχήμα, το μέγεθος και την υφή των περιττωμάτων. Ομοίως οι Αιγύπτιοι, οι Έλληνες και σχεδόν κάθε αρχαία κουλτούρα. Ακόμα και σήμερα, ο γιατρός σας μπορεί να σας ρωτήσει όταν είχατε για τελευταία φορά μια μετακίνηση εντέρων και να το περιγράψετε με εξαιρετικές λεπτομέρειες.
σχετικό περιεχόμενο
- Πόσο άγχος είναι οι Ζέμπρες; Απλά ρωτήστε τους Poop τους
- Η άνοδος και η πτώση της αποικίας των πιγκουίνων, που καταγράφηκε στο Poop
- Έλεγχος Gut: Mandrills Sniff Poop για να αποφύγετε τους συνομηλίκους με παράσιτα
- Γιατί 10 Ημερήσιοι Τόνοι Άγριων Αδερφών Κρατήστε Αυτά τα Rainforest Ακραία
Σίγουρα, είναι δυσάρεστο να μιλήσουμε. Αλλά εκεί έρχεται η επιστήμη, επειδή αυτό που δεν μας αρέσει να συζητάμε μπορεί να προκαλέσει βλάβη. Το σύνδρομο ευερέθιστου εντέρου, η φλεγμονώδης νόσος του εντέρου, οι γαστρεντερικές λοιμώξεις και άλλες παθήσεις που σχετίζονται με το άσθμα κοστίζουν Αμερικανούς δισεκατομμύρια δολάρια ετησίως.
Αλλά η προσπάθεια να σταματήσουμε αυτά τα προβλήματα δεν ήταν το κύριο κίνητρό μας για να προσπαθήσουμε να καταλάβουμε κάποια από τη φυσική της αφόδευσης. Ήταν κάτι άλλο, πολύ πιο απειλητικό.
Από την προσωπική παρατήρηση, στο εργαστήριο
Όταν τα γονικά χτυπήματα, χτυπάει σκληρά. Ένας από εμάς είναι ένας εργαζόμενος μπαμπάς που επιβίωσε με την εκμάθηση ενός νέου συνόλου δεξιοτήτων, ένα από τα οποία ήταν κοπιαστική ανάλυση. Χρόνια αλλαγής της πάνας και στη συνέχεια ασήμαντη προπόνηση με κατέστρεψε από έναν αρχάριο ανάλυσης poo σε έναν wizened γνώστη. Η ζωή μου περνάει σε μια σειρά εικόνων: σκληρά σκουλαρίκια κοπράνων όπως τα μπιζέλια σε μακριές κοπράνες σαν ένα ομαλό φίδι σε μια λακκούβα καφέ νερό.
Σε αντίθεση με τους αρχαίους, δεν πιστεύαμε ότι μπορούμε να προβλέψουμε το μέλλον από τα σκαμνιά των παιδιών. Αλλά νομίζαμε ότι αξίζει να προσπαθήσουμε να καταλάβουμε από πού προέρχονται όλα αυτά τα σχήματα. Έχοντας ένα εργαστήριο να απαντά σε ερωτήσεις σχετικά με τον καθημερινό κόσμο είναι μια από τις ξεχωριστές απολαύσεις του να είσαι επιστήμονας.
Ως δυναμικοί υγροί, συνεργαστήκαμε με τον ορθοκολικό χειρουργό Ντάνιελ Τσου και δύο προπτυχιακούς φοιτητές Candice Kaminski και Morgan LaMarca, που κινηματογραφούσαν αφόδευση και χειροποίητα κόπρανα από 34 είδη θηλαστικών στο ζωολογικό κήπο Atlanta για να μετρήσουν την πυκνότητα και το ιξώδες τους.
Ανακαλύψαμε ότι οι περισσότεροι ελέφαντες και άλλα φυτοφάγα ζώα δημιουργούν "floaters", ενώ οι περισσότερες τίγρεις και άλλα σαρκοφάγα δημιουργούν "βυθίσματα". Κατά λάθος κατατάξαμε και τα περιττώματα από τα πιο δύσοσμα, ξεκινώντας από την τίγρη και τη ρινόκερο και πηγαίνουμε μέχρι το παντάν. Η ποικιλία ζώων του ζωολογικού κήπου μας έδωσε μια σειρά από μεγέθη κοπράνων και σχήματα που χρησίμευαν ως ανεξάρτητα τεκμήρια για την επικύρωση του μαθηματικού μας μοντέλου της διάρκειας της αφόδευσης.
Τοποθετήσαμε επίσης τα περιττώματα σε μια συσκευή που ονομάζεται "ροόμετρο", ένα μπλέντερ ακριβείας που μπορεί να μετρήσει τις ιδιότητες υγρών και στερεών υλικών όπως η σοκολάτα και το σαμπουάν. Το εργαστήρι μας μοιράζεται δύο ρεομετρικά στοιχεία με τον φυσικό αθλητή του Georgia Tech Alberto Fernandez-Nieves. Από τότε χαρακτηρίσαμε τα ροόμετρα ως το «καθαρό ροόμετρο» και το «ροόμετρο Δαβίδ Χου» - το οποίο έχει δει το δίκαιό του μερίδιο σάλιου βατράχου, βλέννας και περιττωμάτων.
Το μυστικό της ταχύτητας
Τι άλλο μάθαμε; Τα μεγαλύτερα ζώα έχουν μεγαλύτερα περιττώματα. Και μεγαλύτερα ζώα αποδυναμώνουν επίσης με μεγαλύτερη ταχύτητα. Για παράδειγμα, ένας ελέφαντας ξεφτίζει με ταχύτητα έξι εκατοστών ανά δευτερόλεπτο, σχεδόν έξι φορές πιο γρήγορα από ένα σκυλί. Η ταχύτητα της αφόδευσης για τους ανθρώπους είναι μεταξύ: δύο εκατοστά ανά δευτερόλεπτο.
Η σχέση μεταξύ μάζας σώματος Μ και χρόνου αφόδευσης. Τα σύμβολα αντιπροσωπεύουν πειραματικές μετρήσεις. η διακεκομμένη γραμμή αντιπροσωπεύει την καλύτερη προσαρμογή στα δεδομένα. η συμπαγής γραμμή αντιπροσωπεύει τη θεωρητική πρόβλεψη. (Yang et αϊ, DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Μαζί, αυτό σήμαινε ότι η διάρκεια αφόδευσης είναι σταθερή σε πολλά είδη ζώων - περίπου 12 δευτερόλεπτα (συν ή μείον 7 δευτερόλεπτα) - παρόλο που ο όγκος ποικίλλει σημαντικά. Υποθέτοντας μια κατανομή καμπύλης καμπάνας, 66 τοις εκατό των ζώων παίρνει μεταξύ 5 και 19 δευτερόλεπτα για να απολέσει. Είναι ένα εκπληκτικά μικρό εύρος, δεδομένου ότι τα κοπάδια των ελεφάντων έχουν όγκο 20 λίτρων, σχεδόν χίλιες φορές μεγαλύτερο από τα σκυλιά, στα 10 χιλιοστόλιτρα. Πώς μπορούν τα μεγάλα ζώα να πνιγούν σε τόσο μεγάλη ταχύτητα;
Η βλέννα στην επιφάνεια των περιττωμάτων των αρουραίων λάμπει σε t = 0 και εξατμίζεται σε λιγότερο από 30 δευτερόλεπτα. (Yang et αϊ, DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Η απάντηση, βρήκαμε, ήταν στις ιδιότητες ενός εξαιρετικά λεπτού στρώματος βλέννας που περιβάλλει τα τοιχώματα του παχέος εντέρου. Η στρώση βλέννας είναι τόσο λεπτή όσο η ανθρώπινη τρίχα, τόσο λεπτή ώστε να τη μετρήσουμε μόνο με τη ζύγιση των περιττωμάτων καθώς η βλέννα εξατμίζεται. Παρά το γεγονός ότι είναι λεπτό, η βλέννα είναι πολύ ολισθηρή, περισσότερο από 100 φορές λιγότερο παχύρρευστο από τα κόπρανα.
Κατά τη διάρκεια της αφόδευσης, τα κόπρανα κινούνται σαν ένα στερεό βύσμα. Ως εκ τούτου, σε ιδανικές συνθήκες, το συνδυασμένο μήκος και διάμετρο των περιττωμάτων καθορίζεται απλώς από το σχήμα του ορθού και του παχέος εντέρου. Ένα από τα μεγάλα ευρήματα της μελέτης μας ήταν ότι τα κόπρανα εκτείνονται στα μισά του μήκους του παχέος εντέρου από το ορθό.
Μια ενοποιημένη θεωρία της τσιπούρας
Βάζοντας το μήκος των περιττωμάτων μαζί με τις ιδιότητες της βλέννας, έχουμε τώρα μια συνεκτική ιστορία φυσικής για το πώς συμβαίνει η αφόδευση. Τα μεγαλύτερα ζώα έχουν μεγαλύτερα περιττώματα, αλλά και παχύτερη βλέννα, επιτρέποντάς τους να επιτύχουν υψηλές ταχύτητες με την ίδια πίεση. Χωρίς αυτό το στρώμα βλέννας, η εκφύλιση μπορεί να μην είναι δυνατή. Μεταβολές της βλέννας μπορούν να συμβάλλουν σε πολλές ασθένειες, συμπεριλαμβανομένης της χρόνιας δυσκοιλιότητας και ακόμη και μολύνσεων από βακτήρια όπως το C. difficile στο γαστρεντερικό σωλήνα.
Πέρα από την απλή παρακολούθηση της επιστημονικής μας περιέργειας, οι μετρήσεις των περιττωμάτων έχουν επίσης κάποιες πρακτικές εφαρμογές. Τα δεδομένα της αποτρίχωσης μας βοήθησαν να σχεδιάσουμε μια πάνα ενηλίκων για τους αστροναύτες. Οι αστροναύτες θέλουν να παραμείνουν σε κοστούμια για επτά ημέρες, αλλά περιορίζονται από τις πάνες τους. Αξιοποιώντας το ιξώδες των περιττωμάτων, σχεδιάσαμε μια πάνα που διαχωρίζει τα κόπρανα από την άμεση επαφή με το δέρμα. Ήταν ένας ημιτελικός στην πρόκληση Space Poop Challenge νωρίτερα φέτος.
Απλώς δείχνει ότι η φυσική και τα μαθηματικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν παντού, ακόμα και στο μπολ τουαλέτας σας.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
David Hu, Αναπληρωτής Καθηγητής Μηχανολογίας και Βιολογίας, Αναπληρωτής Καθηγητής Φυσικής, Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Γεωργίας
Patricia Yang, Ph.D. Φοιτητής στη Μηχανολογία, Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Γεωργίας
