Los antiguos chinos practicaban la copromancia, el diagnóstico de salud basado en la forma, el tamaño y la textura de las heces. Lo mismo hicieron los egipcios, los griegos y casi todas las culturas antiguas. Incluso hoy, su médico puede preguntar cuándo fue la última vez que evacuó y describirlo con exquisito detalle.
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Claro, es incómodo hablar de eso. Pero ahí es donde entra la ciencia, porque lo que no nos gusta discutir todavía puede causar daño. El síndrome del intestino irritable, la enfermedad inflamatoria intestinal, las infecciones gastrointestinales y otras dolencias relacionadas con la caca le cuestan a los estadounidenses miles de millones de dólares anualmente.
Pero tratar de detener estos problemas no fue nuestra principal motivación para tratar de descubrir parte de la física de la defecación. Era otra cosa, mucho más siniestra.
De la observación personal al laboratorio.
Cuando la paternidad golpea, golpea duro. Uno de nosotros es un padre trabajador que sobrevivió aprendiendo un nuevo conjunto de habilidades, una de las cuales fue el análisis fecal. Años de cambio de pañales y luego entrenamiento para ir al baño me convirtieron de un novato en poo-análisis a un experto en conocimientos. Mi vida pasa en una serie de imágenes: bolitas de heces duras como guisantes a heces largas como una serpiente lisa a un charco de agua marrón.
A diferencia de los antiguos, no creíamos que pudiéramos predecir el futuro a partir de las heces de los niños. Pero pensamos que valía la pena intentar entender de dónde provienen todas estas formas. Tener un laboratorio para responder preguntas sobre el mundo cotidiano es uno de los placeres distintivos de ser un científico.
Como dinámicos dinámicos, unimos fuerzas con el cirujano colorrectal Daniel Chu y dos estudiantes universitarios incondicionales, Candice Kaminski y Morgan LaMarca, quienes filmaron la defecación y las heces recogidas a mano de 34 especies de mamíferos en el Zoológico de Atlanta para medir su densidad y viscosidad.
Aprendimos que la mayoría de los elefantes y otros herbívoros crean "flotadores", mientras que la mayoría de los tigres y otros carnívoros crean "sumideros". Inadvertidamente, también clasificamos las heces del más al menos maloliente, comenzando con el tigre y el rinoceronte y yendo hasta el panda. La variedad de animales del zoológico nos proporcionó una variedad de tamaños y formas fecales que sirvieron como evidencia independiente para validar nuestro modelo matemático de la duración de la defecación.
También colocamos las heces en un dispositivo llamado "reómetro", una licuadora de precisión que puede medir las propiedades de los materiales líquidos y sólidos como el chocolate y el champú. Nuestro laboratorio comparte dos reómetros con el físico de Georgia Tech Alberto Fernández-Nieves. Desde entonces, hemos categorizado los reómetros como el "reómetro limpio" y el "reómetro David Hu", que ha visto una buena cantidad de saliva de rana, moco y heces.
El secreto de la velocidad.
¿Qué más aprendimos? Los animales más grandes tienen heces más largas. Y los animales más grandes también defecan a mayor velocidad. Por ejemplo, un elefante defeca a una velocidad de seis centímetros por segundo, casi seis veces más rápido que un perro. La velocidad de la defecación para los humanos está en el medio: dos centímetros por segundo.
La relación entre la masa corporal M y el tiempo de defecación. Los símbolos representan medidas experimentales; la línea discontinua representa el mejor ajuste a los datos; La línea continua representa la predicción teórica. (Yang y otros, DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) En conjunto, esto significa que la duración de la defecación es constante en muchas especies animales, alrededor de 12 segundos (más o menos 7 segundos), a pesar de que el volumen varía mucho. Suponiendo una distribución de curva de campana, el 66 por ciento de los animales tarda entre 5 y 19 segundos en defecar. Es un rango sorprendentemente pequeño, dado que las heces de elefante tienen un volumen de 20 litros, casi mil veces más que el de un perro, a 10 mililitros. ¿Cómo pueden los animales grandes defecar a tan alta velocidad?
El moco en la superficie de las heces de las ratas brilla en t = 0 y se evapora en menos de 30 segundos. (Yang y otros, DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Descubrimos que la respuesta estaba en las propiedades de una capa ultrafina de moco que recubre las paredes del intestino grueso. La capa de moco es tan delgada como el cabello humano, tan delgada que solo podríamos medirla pesando heces a medida que el moco se evaporaba. A pesar de ser delgado, el moco es muy resbaladizo, más de 100 veces menos viscoso que las heces.
Durante la defecación, las heces se mueven como un tapón sólido. Por lo tanto, en condiciones ideales, la longitud y el diámetro combinados de las heces simplemente están determinados por la forma del recto y el intestino grueso. Uno de los grandes hallazgos de nuestro estudio fue que las heces se extienden hasta la mitad del colon desde el recto.
Una teoría unificada de caca
Al unir la longitud de las heces con las propiedades del moco, ahora tenemos una historia de física coherente sobre cómo ocurre la defecación. Los animales más grandes tienen heces más largas, pero también moco más espeso, lo que les permite alcanzar altas velocidades con la misma presión. Sin esta capa de moco, la defecación podría no ser posible. Las alteraciones en el moco pueden contribuir a varias dolencias, incluido el estreñimiento crónico e incluso infecciones por bacterias como C. difficile en el tracto gastrointestinal.
Más allá de simplemente seguir nuestra curiosidad científica, nuestras mediciones de heces también han tenido algunas aplicaciones prácticas. Nuestros datos de defecación nos ayudaron a diseñar un pañal para adultos para astronautas. Los astronautas quieren permanecer en trajes espaciales durante siete días, pero están limitados por sus pañales. Aprovechando la viscosidad de las heces, diseñamos un pañal que separa las heces del contacto directo con la piel. Fue semifinalista en el NASA Space Poop Challenge a principios de este año.
Simplemente muestra que la física y las matemáticas se pueden usar en todas partes, incluso en la taza del inodoro.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.
David Hu, profesor asociado de ingeniería mecánica y biología, profesor adjunto adjunto de física, Instituto de Tecnología de Georgia
Patricia Yang, Ph.D. Estudiante de Ingeniería Mecánica, Instituto Tecnológico de Georgia.
