Diese Wissenschaftler untersuchten, welche Tiere am schnellsten kacken

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Die alten Chinesen praktizierten die Kopromane, die Diagnose von Gesundheit anhand der Form, Größe und Textur von Kot. So auch die Ägypter, die Griechen und fast jede alte Kultur. Ihr Arzt kann Sie auch heute noch fragen, wann Sie zuletzt einen Stuhlgang hatten - und ihn ausführlich beschreiben.

Sicher, es ist unangenehm, darüber zu sprechen. Aber hier kommt die Wissenschaft ins Spiel, denn was wir nicht gern diskutieren, kann immer noch Schaden anrichten. Irritable Darm-Syndrom, entzündliche Darmerkrankungen, Magen-Darm-Infektionen und andere Beschwerden im Zusammenhang mit Kacke kosten Amerikaner jährlich Milliarden Dollar.

Als Forscher war der Versuch, diese Probleme zu überwinden, nicht unsere Hauptmotivation, einige der Physik der Defäkation herauszufinden. Es war etwas anderes, viel unheimlicher.

Wenn die Elternschaft trifft, trifft es hart. Einer von uns ist ein berufstätiger Vater, der überlebt hat, als er eine Reihe neuer Fertigkeiten erlernte, von denen eine die Analyse von Stuhlgang war. Jahre des Windelwechsels und dann Töpfchentraining machten mich von einem Poo-Analyse-Anfänger zu einem verrückten Kenner. Mein Leben vergeht in einer Reihe von Bildern: harte Fäkalien wie Erbsen bis hin zu langen Fäkalien wie eine glatte Schlange bis zu einer Pfütze aus braunem Wasser.

Im Gegensatz zu den Alten glaubten wir nicht, dass wir die Zukunft anhand des Kinderhockers vorhersagen könnten. Aber wir dachten, es lohnt sich zu versuchen zu verstehen, woher all diese Formen kommen. Ein Labor zur Beantwortung von Fragen aus der Alltagswelt zu haben, ist eine der besonderen Freuden, Wissenschaftler zu sein.

Als fließende Dynamiker haben wir uns mit dem Kolorektalchirurgen Daniel Chu und zwei erfolgreichen Studenten, Candice Kaminski und Morgan LaMarca, zusammengetan, die in Zoo Atlanta den Stuhlgang von 34 Säugetierarten gefilmt haben, um deren Dichte und Viskosität zu messen.

Wir haben gelernt, dass die meisten Elefanten und andere Pflanzenfresser „Floater“ erzeugen, während die meisten Tiger und andere Fleischfresser „Sinker“ schaffen. Unabsichtlich haben wir auch Kot von meist bis wenig stinkend eingestuft, angefangen mit Tiger und Nashorn bis hin zu Panda. Die Tiervielfalt des Zoos bot uns eine Reihe von Stuhlgrößen und -formen, die als unabhängige Beweise für die Validierung unseres mathematischen Modells der Dauer der Stuhlentleerung dienten.

Wir haben auch den Kot in einem Gerät namens „Rheometer“ platziert, einem Präzisionsmischer, der die Eigenschaften von flüssigkeitsähnlichen und feststoffähnlichen Materialien wie Schokolade und Shampoo messen kann. Unser Labor teilt sich zwei Rheometer mit dem Georgia Tech-Physiker Alberto Fernandez-Nieves. Seitdem haben wir die Rheometer als "sauberes Rheometer" und "David Hu-Rheometer" kategorisiert, das seinen gerechten Anteil an Froschspeichel, Schleim und Kot gesehen hat.

Was haben wir noch gelernt? Größere Tiere haben längere Fäkalien. Und größere Tiere werden auch mit höherer Geschwindigkeit defäkiert. Zum Beispiel ist ein Elefant mit einer Geschwindigkeit von sechs Zentimetern pro Sekunde defeciert, fast sechsmal so schnell wie ein Hund. Die Geschwindigkeit der Defäkation für den Menschen liegt zwischen zwei Zentimetern pro Sekunde.

Zusammen bedeutete dies, dass die Dauer der Defäkation über viele Tierarten hinweg konstant ist (etwa 12 Sekunden (plus oder minus 7 Sekunden)), auch wenn das Volumen stark variiert. Unter der Annahme einer Glockenkurvenverteilung brauchen 66 Prozent der Tiere 5 bis 19 Sekunden, um den Stuhlgang zu erreichen. Es ist eine überraschend kleine Reichweite, da der Elefantenkot bei einem Volumen von 20 Litern fast tausend Mal mehr ist als ein Hund bei 10 Millilitern. Wie können große Tiere bei so hoher Geschwindigkeit ausscheiden?

Die Antwort, wir fanden, war 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 Abwägen des Kot messen konnten, wenn der Schleim verdunstete. Der Schleim ist zwar dünn, aber sehr rutschig, mehr als 100 Mal weniger viskos als Kot.

Während der Defäkation bewegt sich der Kot wie ein fester Stopfen. Unter idealen Bedingungen wird die kombinierte Länge und der Durchmesser der Fäkalien daher einfach durch die Form des Rektums und des Dickdarms bestimmt. Eine der großen Erkenntnisse unserer Studie war, dass sich der Kot bis zur Hälfte des Darms vom Rektum aus erstreckt.

Wenn wir die Länge der Fäkalien mit den Eigenschaften des Schleims zusammenfassen, haben wir jetzt eine zusammenhängende Physikgeschichte darüber, wie die Defäkation geschieht. Größere Tiere haben längere Fäkalien, 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 beitragen, einschließlich chronischer Verstopfung und sogar Infektionen durch Bakterien wie C. difficile im Gastrointestinaltrakt.

Über die bloße Befolgung unserer wissenschaftlichen Neugier hinaus haben unsere Kotmessungen auch einige praktische Anwendungen gefunden. Unsere Defäkationsdaten halfen uns, eine Erwachsenenwindel für Astronauten zu entwerfen. Astronauten wollen sieben Tage in Raumanzügen bleiben, sind aber durch Windeln begrenzt. Wir nutzten die Viskosität der Fäkalien und entwickelten eine Windel, die die Fäkalien vom direkten Hautkontakt abgrenzt. Es war ein Halbfinalist der NASA Space Poop Challenge Anfang dieses Jahres.

Es zeigt nur, dass Physik und Mathematik überall eingesetzt werden können, sogar in Ihrer Toilettenschüssel.

David Hu ist außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Biologie sowie außerplanmäßiger Professor für Physik am Georgia Institute of Technology. Patricia Yang ist ein Ph.D. Student im Maschinenbau am Georgia Institute of Technology.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.