Die alten Chinesen praktizierten Kopromantie, die Diagnose der Gesundheit auf der Grundlage von Form, Größe und Textur der Fäkalien. So auch die Ägypter, die Griechen und fast jede alte Kultur. Möglicherweise fragt Ihr Arzt auch heute noch, wann Sie zuletzt einen Stuhlgang hatten, und beschreibt ihn ausführlich.
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Klar, es ist unangenehm darüber zu reden. Aber hier kommt die Wissenschaft ins Spiel, denn was wir nicht gerne diskutieren, kann immer noch Schaden anrichten. Reizdarmsyndrom, entzündliche Darmerkrankungen, Magen-Darm-Infektionen und andere Beschwerden im Zusammenhang mit Kot kosten die Amerikaner jährlich Milliarden von Dollar.
Der Versuch, diese Probleme einzudämmen, war jedoch nicht unsere Hauptmotivation, um einen Teil der Defäkationsphysik herauszufinden. Es war etwas anderes, viel finsterer.
Von der persönlichen Beobachtung ins Labor
Wenn Elternschaft trifft, trifft es stark. Einer von uns ist ein berufstätiger Vater, der überlebt hat, indem er eine Reihe neuer Fähigkeiten erlernt hat, von denen eine die Stuhlanalyse war. Jahre des Windelwechsels und des anschließenden Töpfchentrainings machten mich von einem Anfänger in der Poo-Analyse zu einem wilden Kenner. Mein Leben geht in einer Reihe von Bildern vorüber: harte Kotpellets wie Erbsen zu langen Kot wie eine glatte Schlange zu einer Pfütze aus braunem Wasser.
Im Gegensatz zu den Alten glaubten wir nicht, dass wir die Zukunft vom Kinderhocker aus vorhersagen könnten. Aber wir dachten, es lohnt sich zu versuchen zu verstehen, woher all diese Formen kommen. Ein Labor zur Beantwortung alltäglicher Fragen zu haben, ist eine der besonderen Freuden eines Wissenschaftlers.
Als Fluiddynamiker haben wir uns mit dem Kolorektalchirurgen Daniel Chu und den beiden tapferen Studenten Candice Kaminski und Morgan LaMarca zusammengetan, die im Zoo Atlanta Kot und handverlesenen Kot von 34 Säugetierarten gefilmt haben, um deren Dichte und Viskosität zu messen.
Wir haben gelernt, dass die meisten Elefanten und andere Pflanzenfresser „Schwimmer“ bilden, während die meisten Tiger und andere Fleischfresser „Sinker“ bilden. Versehentlich haben wir auch den Kot von den am wenigsten riechenden Fäkalien eingestuft, angefangen bei Tiger und Nashorn bis hin zum Panda. Die Tiervielfalt des Zoos lieferte uns eine Reihe von Kotgrößen und -formen, die als unabhängige Belege für die Validierung unseres mathematischen Modells der Dauer der Defäkation dienten.
Wir haben den Kot auch in ein „Rheometer“ genanntes Gerät gegeben, einen Präzisionsmischer, mit dem die Eigenschaften flüssiger und fester Materialien wie Schokolade und Shampoo gemessen werden können. Unser Labor teilt sich zwei Rheometer mit dem Georgia Tech-Physiker Alberto Fernandez-Nieves. Seitdem haben wir die Rheometer in die Kategorien „sauberes Rheometer“ und „David-Hu-Rheometer“ eingeteilt, die einen angemessenen Anteil an Froschspeichel, Schleim und Kot haben.
Das Geheimnis der Geschwindigkeit
Was haben wir noch gelernt? Größere Tiere haben längere Fäkalien. Und größere Tiere kotet auch mit höherer Geschwindigkeit. Ein Elefant kotet zum Beispiel mit einer Geschwindigkeit von sechs Zentimetern pro Sekunde, fast sechsmal so schnell wie ein Hund. Die Geschwindigkeit der Defäkation beim Menschen liegt zwischen zwei Zentimetern pro Sekunde.
Das Verhältnis zwischen Körpermasse M und Stuhlgang. Symbole stehen für experimentelle Messungen; Die gestrichelte Linie stellt die beste Anpassung an die Daten dar. Die durchgezogene Linie repräsentiert die theoretische Vorhersage. (Yang et al., DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Zusammen bedeutet dies, dass die Dauer des Stuhlgangs bei vielen Tierarten konstant ist - etwa 12 Sekunden (plus oder minus 7 Sekunden) - obwohl das Volumen stark variiert. Unter der Annahme einer Glockenkurvenverteilung benötigen 66 Prozent der Tiere zwischen 5 und 19 Sekunden zum Stuhlgang. Dies ist eine überraschend kleine Menge, da Elefantenfäkalien ein Volumen von 20 Litern haben, fast tausendmal mehr als die eines Hundes, bei 10 Millilitern. Wie können große Tiere bei so hoher Geschwindigkeit kotfrei werden?
Schleim auf der Oberfläche von Rattenkot scheint bei t = 0 und verdunstet in weniger als 30 Sekunden. (Yang et al., DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Wir fanden die Antwort in den Eigenschaften einer ultradünnen Schleimschicht, die die Wände des Dickdarms auskleidet. Die Schleimschicht ist so dünn wie menschliches Haar, so dünn, dass wir sie nur durch Abwiegen des Kots messen können, wenn der Schleim verdunstet ist. Obwohl der Schleim dünn ist, ist er sehr rutschig und mehr als 100-mal weniger viskos als Kot.
Während des Stuhlgangs bewegt sich der Stuhl wie ein fester Pfropfen. Unter idealen Bedingungen wird die kombinierte Länge und der kombinierte Durchmesser von Fäkalien einfach durch die Form des Rektums und des Dickdarms bestimmt. Einer der großen Befunde unserer Studie war, dass sich der Kot bis zur Hälfte des Dickdarms vom Rektum aus erstreckt.
Eine einheitliche Theorie des Kackens
Wenn wir die Länge des Stuhls mit den Eigenschaften des Schleims kombinieren, haben wir jetzt eine zusammenhängende physikalische Geschichte darüber, wie die Defäkation stattfindet. Größere Tiere haben einen längeren Kot, aber auch dickeren Schleim, wodurch sie bei gleichem Druck hohe Geschwindigkeiten erreichen können. Ohne diese Schleimschicht ist eine Defäkation möglicherweise nicht möglich. Schleimveränderungen können zu verschiedenen Beschwerden führen, einschließlich chronischer Verstopfung und sogar Infektionen durch Bakterien wie C. difficile im Magen-Darm-Trakt.
Abgesehen davon, dass wir nur unserer wissenschaftlichen Neugier gefolgt sind, haben unsere Kotmessungen auch einige praktische Anwendungen gehabt. Unsere Defäkationsdaten haben uns geholfen, eine Windel für Erwachsene für Astronauten zu entwerfen. Astronauten wollen sieben Tage in Raumanzügen bleiben, sind aber durch ihre Windeln begrenzt. Aus der Viskosität des Kots haben wir eine Windel entwickelt, die den Kot vor direktem Hautkontakt schützt. Es war ein Semifinalist in der NASA Space Poop Challenge Anfang dieses Jahres.
Es zeigt nur, dass Physik und Mathematik überall verwendet werden können, sogar in Ihrer Toilettenschüssel.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
David Hu, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Biologie, außerordentlicher Professor für Physik, Georgia Institute of Technology
Patricia Yang, Ph.D. Student im Maschinenbau, Georgia Institute of Technology
