Muinaiset kiinalaiset harjoittivat kopromantiaa, terveyden diagnosointia ulosteiden muodon, koon ja rakenteen perusteella. Samoin tekivät egyptiläiset, kreikkalaiset ja melkein kaikki muinaiset kulttuurit. Jo tänäänkin lääkäri voi kysyä milloin suolistosi viimeksi, ja kuvata se hienoilla yksityiskohdilla.
Asiaan liittyvä sisältö
- Kuinka stressaantunut seeprat ovat? Kysy vain heidän kannu
- Pingviinikolonniin nousu ja lasku, nauhoitettu kauhassa
- Suolistarkastus: Mandrills-hajuvesipöly välttää vertalaisista, joilla on loisia
- Miksi 10 päivittäistä tonnia muurahaiskoppaa pitää tämän sademetsän kukoistavana
Toki, siitä on epämiellyttävää puhua. Mutta siellä tiede tulee, koska se, mistä emme halua keskustella, voi silti aiheuttaa haittaa. Ärtyvä suolen oireyhtymä, tulehduksellinen suolistosairaus, maha-suolikanavan infektiot ja muut kakkuun liittyvät sairaudet maksavat amerikkalaisille miljardeja dollareita vuodessa.
Mutta näiden ongelmien yrittäminen pysäyttää ei ollut tärkein motivaatiomme yrittää selvittää joitain ulostamisen fysiikoita. Se oli jotain muuta, paljon pahempaa.
Henkilökohtaisesta havainnosta laboratorioon
Kun vanhemmuus osuu, se kovaa. Yksi meistä on työskentelevä isä, joka selvisi oppimalla uusia taitoja, joista yksi oli ulosteen analyysi. Vuosien vaippamuutokset ja sitten pottaharjoittelu muuttivat minusta poo-analyysin aloittelijasta kokeneemmalle asiantuntijalle. Elämäni kulkee sarjassa: kovat ulostepelletit kuten herneet pitkiksi ulosteiksi kuten sileä käärme ruskean veden lätäköön.
Toisin kuin muinaiset, emme uskoneet, että voisimme ennustaa tulevaisuutta lasten ulosteesta. Mutta ajattelimme, että kannattaa yrittää ymmärtää, mistä kaikki nämä muodot ovat peräisin. Laboratorion omistaminen arkipäivää koskeviin kysymyksiin on yksi tutkijan nautinnoista.
Nestemäisinä dynamiikoina yhdistimme voimamme kolorektaalikirurgin Daniel Chun ja kahden vakaan perustutkinnon suorittaneen Candice Kaminskin ja Morgan LaMarcan kanssa, jotka kuvansivat 34 nisäkäslajin erittymistä ja käsin poimittuja ulosteita Zoo Atlannan eläimille niiden tiheyden ja viskositeetin mittaamiseksi.
Opimme, että suurin osa elefaneista ja muista kasvissyöjistä luo “kelluvia”, kun taas suurin osa tiikeristä ja muista lihansyöjistä luo “uppoajia”. Vahingossa sijoittelimme myös ulosteet useimmasta vähiten haisevaan, alkaen tiikeristä ja sarvikuonosta ja siirtymällä pandaan. Eläintarhan monipuoliset eläimet tarjosivat meille joukon fekaalikokoja ja -muotoja, jotka toimivat itsenäisinä todisteina vahvistaaksemme ulkonäön keston matemaattisen mallimme.
Olemme myös sijoittaneet ulosteita laitteeseen, jota kutsutaan ”reometriksi”, tarkkuussekoittimeksi, joka voi mitata nestemäisten ja kiinteiden aineiden, kuten suklaan ja shampoon, ominaisuuksia. Laboratoriomme jakaa kaksi reometriä Georgia Tech -fyysikon Alberto Fernandez-Nievesin kanssa. Sen jälkeen olemme luokitelleet reometrit ”puhtaana reometriksi” ja “David Hu: n reometriksi” - jolla on nähty huomattava osuus sammakon sylkestä, limasta ja ulosteista.
Nopeuden salaisuus
Mitä muuta opimme? Isommilla eläimillä on pidempi uloste. Ja isommat eläimet ulostavat myös suuremmalla nopeudella. Esimerkiksi norsu rikkoa nopeudella kuusi senttimetriä sekunnissa, melkein kuusi kertaa niin nopeasti kuin koira. Ihmisten ulostamisen nopeus on välillä: kaksi senttimetriä sekunnissa.
Painon M ja ulostamisajan välinen suhde. Symbolit edustavat kokeellisia mittauksia; katkoviiva edustaa parhaiten tietoja; kiinteä viiva edustaa teoreettista ennustetta. (Yang et ai, DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Yhdessä tämä tarkoitti, että ulostamisen kesto on vakio monien eläinlajien välillä - noin 12 sekuntia (plus tai miinus 7 sekuntia) - vaikka tilavuus vaihtelee suuresti. Jos oletetaan kellokäyrän jakauma, 66 prosentilla eläimistä kuluu 5–19 sekuntia ulostamiseen. Se on yllättävän pieni alue, kun otetaan huomioon, että norsujen ulosteiden tilavuus on 20 litraa, lähes tuhat kertaa enemmän kuin koiran, 10 millilitralla. Kuinka suuret eläimet voivat erittyä niin suurella nopeudella?
Rotta ulosteiden pinnalla oleva lima paistaa t = 0 ja haihtuu alle 30 sekunnissa. (Yang et ai, DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Löysimme vastauksen ultraohutan limakerroksen ominaisuuksista, jotka limittävät paksusuolen seinät. Limakerros on yhtä ohut kuin ihmisen hiukset, niin ohut, että voimme mitata sen vain punnitsemalla ulosteita, kun lima haihtunut. Huolimatta siitä, että lima on ohut, se on erittäin liukas, yli 100 kertaa vähemmän viskoosinen kuin uloste.
Puhdistuksen aikana uloste liikkuu kuin kiinteä pistoke. Siksi ihanteellisissa olosuhteissa ulosteiden yhdistetyn pituuden ja halkaisijan määrää yksinkertaisesti peräsuolen ja paksusuolen muoto. Yksi tutkimuksen suurimmista havainnoista oli, että uloste ulottuu puolivälissä paksusuolen pituuteen peräsuolesta.
Yhdenmukainen teurastuksesta
Yhdistämällä ulosteiden pituus ja liman ominaisuudet, meillä on nyt johdonmukainen fysiikan tarina siitä, kuinka uloste tapahtuu. Suuremmilla eläimillä on pidempi uloste, mutta myös paksumpi lima, mikä antaa heille mahdollisuuden saavuttaa suuret nopeudet samalla paineella. Ilman tätä limakerrosta ulostaminen ei ehkä ole mahdollista. Limamuutokset voivat vaikuttaa useisiin vaivoihin, mukaan lukien krooninen ummetus ja jopa bakteerien aiheuttamat infektiot, kuten C. difficile, maha-suolikanavassa.
Sen lisäksi, että seuraamme pelkästään tieteellistä uteliaisuutta, ulostemittauksillamme on myös ollut joitain käytännön sovelluksia. Puhdistustietomme auttoivat meitä suunnittelemaan aikuisten vaippa astronauteille. Astronautit haluavat pysyä avaruuspukuissa seitsemän päivää, mutta vaipat rajoittavat niitä. Hyödyntämällä ulosteiden viskositeettia, suunnittelimme vaipan, joka erottaa ulosteet suorasta kosketuksesta ihon kanssa. Se oli semifinalisti NASA Space Poop Challengessa aiemmin tänä vuonna.
Se vain osoittaa, että fysiikkaa ja matematiikkaa voidaan käyttää kaikkialla, jopa wc-astiassasi.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
David Hu, mekaanisen tekniikan ja biologian apulaisprofessori, fysiikan apulaisprofessori, Georgian teknillinen instituutti
Patricia Yang, tohtori Konetekniikan opiskelija, Georgian teknillinen instituutti
