古代中国人は、糞の形、大きさ、質感に基づいた健康の診断であるコプロマンシーを実践していました。 エジプト人、ギリシャ人、ほぼすべての古代文化もそうでした。 今日でも、医師は最後に排便をしたのはいつかを尋ね、それを絶妙な詳細で説明することがあります。
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確かに、話すのは不快です。 しかし、それが科学の出番です。なぜなら、私たちが議論したくないことは依然として害を引き起こす可能性があるからです。 過敏性腸症候群、炎症性腸疾患、胃腸感染症、およびその他のうんち関連の病気は、毎年アメリカ人に数十億ドルの費用がかかります。
しかし、これらの問題を食い止めようとすることは、排便の物理学を解明しようとする主な動機ではありませんでした。 それは他の何か、もっと不吉なものでした。
個人的な観察から研究室へ
親が命中すると、激しく命中します。 私たちのうちの1人は、新しいスキルを習得して生き残った働く父親であり、その1つは糞便分析でした。 何年もおむつを交換し、トイレのトレーニングをしていたので、私はうんち分析初心者から賢明な鑑定家になりました。 私の人生は、エンドウ豆のような硬い糞から滑らかなヘビのような長い糞、そして茶色の水たまりまで、一連の画像で過ぎ去っています。
古代人とは異なり、私たちは子供の便から未来を予測できるとは信じていませんでした。 しかし、これらすべての形状がどこから来たのかを理解することは価値があると考えました。 科学者であることの明確な喜びの1つは、日常の世界に関する質問に答えるための実験室を持つことです。
流体力学者として、結腸直腸外科医のダニエル・チューと、2人の頑固な学部生であるキャンディス・カミンスキーとモーガン・ラマルカと力を合わせ、動物園アトランタで34種類の哺乳類から排便と手摘みの糞を撮影し、密度と粘度を測定しました。
ほとんどのゾウや他の草食動物が「浮遊物」を作り、ほとんどのトラや他の肉食動物が「シンカー」を作ることを学びました。偶然にも、トラやサイからパンダに至るまで、糞の臭いを最も臭いの少ないものから低いものまでランク付けしました。 動物園のさまざまな動物は、排便期間の数学的モデルを検証するための独立した証拠として役立つ広範囲の糞便のサイズと形状を提供してくれました。
また、「レオメーター」と呼ばれる装置に糞便を入れました。これは、チョコレートやシャンプーなどの液体状および固体状の材料の特性を測定できる精密ブレンダーです。 私たちの研究室では、ジョージア工科大学の物理学者アルベルトフェルナンデスニエベスと2つのレオメーターを共有しています。 それ以来、レオメーターを「きれいなレオメーター」と「David Huレオメーター」に分類しました。これらは、カエルの唾液、粘液、および糞便のかなりの割合を占めています。
スピードの秘密
他に何を学びましたか？ 動物が大きいほど糞が長くなります。 そして、より大きな動物もより高速で排便します。 たとえば、象は毎秒6センチメートルの速度で排便し、犬のほぼ6倍の速さで排便します。 人間の排便の速さは、1秒あたり2センチメートルです。
体重Mと排便時間の関係。 記号は実験的な測定値を表します。 破線はデータへの最適な適合を表します。 実線は理論的予測を表します。 （Yang et al、DOI：10.1039 / C6SM02795D、CC BY-ND） 合わせて、これは多くの動物種で排泄時間が一定であることを意味します–体積は大きく異なりますが、約12秒（プラスまたはマイナス7秒）。 ベルカーブ分布を仮定すると、動物の66パーセントが排便に5〜19秒かかります。 象の糞の容量は20リットルで、犬の10ミリリットルで、犬の1000倍近くになります。 大きな動物はどのようにしてこのような高速で排便することができますか？
ラットの糞の表面の粘液は、t = 0で輝き、30秒未満で蒸発します。 （Yang et al、DOI：10.1039 / C6SM02795D、CC BY-ND） 答えは、大腸の壁を覆う非常に薄い粘液層の特性にありました。 粘液層は人間の髪の毛と同じくらい薄いので、粘液が蒸発するにつれて糞の重さを測るだけで測定できます。 粘液は薄いにもかかわらず、非常に滑りやすく、糞よりも100倍以上粘性が低い。
排便中、糞便は固いプラグのように動きます。 したがって、理想的な状態では、糞便の長さと直径の合計は、直腸と大腸の形状によって単純に決まります。 我々の研究の大きな発見の一つは、糞が直腸から結腸の長さの半分まで伸びていることでした。
うんちの統一理論
糞の長さを粘液の特性と合わせると、排便がどのように起こるかについての物理学の物語ができあがりました。 大きな動物は糞が長くなりますが、粘液も厚くなり、同じ圧力で高速を達成できます。 この粘液層がなければ、排便は不可能かもしれません。 粘液の変化は、慢性便秘、さらには胃腸管内のC. difficileなどの細菌による感染を含む、いくつかの病気の一因となります。
科学的な好奇心だけでなく、糞便の測定にも実用的な用途があります。 私たちの排便データは、宇宙飛行士用のおむつをデザインするのに役立ちました。 宇宙飛行士は宇宙服に7日間滞在したいのですが、おむつによって制限されます。 糞便の粘度を利用して、皮膚との直接の接触から糞便を分離するおむつを設計しました。 それは今年初めのNASA Space Poop Challengeの準決勝進出者でした。
物理学と数学は、あなたの便器の中であっても、どこでも使用できることを示しています。
この記事はもともとThe Conversationで公開されました。
ジョージア工科大学物理学准教授、機械工学および生物学准教授、David Hu
パトリシア・ヤン博士 ジョージア工科大学の機械工学の学生
