Les anciens Chinois pratiquaient la copromancie, le diagnostic de la santé basé sur la forme, la taille et la texture des matières fécales. Il en a été de même pour les Egyptiens, les Grecs et presque toutes les cultures anciennes. Même aujourd'hui, votre médecin peut vous demander quand vous avez eu votre dernière selle et la décrire en détail.
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Bien sûr, il est mal à l'aise d'en parler. Mais c’est là que la science entre en jeu, car ce dont nous n’aimons pas discuter peut quand même causer des dommages. Le syndrome du côlon irritable, les maladies inflammatoires de l'intestin, les infections gastro-intestinales et d'autres maux liés au caca coûtent des milliards de dollars aux Américains chaque année.
Mais essayer d’endiguer ces problèmes n’était pas notre principale motivation pour essayer de comprendre une partie de la physique de la défécation. C'était autre chose, beaucoup plus sinistre.
De l'observation personnelle, dans le laboratoire
Quand la parentalité frappe, ça frappe fort. L'un de nous est un père au travail qui a survécu en acquérant de nouvelles compétences, dont l'analyse en matière fécale. Des années de changement de couches, puis d'entraînement au petit pot, m'ont fait passer du novice à l'analyse de caca à un connaisseur éclairé. Ma vie se passe en une série d'images: des matières fécales dures comme des pois, des matières fécales longues comme un serpent lisse ou une flaque d'eau brune.
Contrairement aux anciens, nous ne pensions pas pouvoir prédire l'avenir à partir des selles des enfants. Mais nous avons pensé qu'il valait la peine d'essayer de comprendre d'où viennent toutes ces formes. Avoir un laboratoire pour répondre aux questions concernant le monde de tous les jours est l’un des plaisirs distinct d’être scientifique.
En tant que dynamiques dynamiques, nous avons collaboré avec le chirurgien colorectal Daniel Chu et deux étudiants chevronnés, Candice Kaminski et Morgan LaMarca, qui ont filmé des excréments et des excréments de 34 espèces de mammifères au Zoo d’Atlanta afin de mesurer leur densité et leur viscosité.
Nous avons appris que la plupart des éléphants et autres herbivores créent des «corps flottants», tandis que la plupart des tigres et autres carnivores créent des «plombs». La variété d'animaux du zoo nous a fourni une gamme de tailles et de formes fécales qui ont servi de preuves indépendantes pour valider notre modèle mathématique de la durée de la défécation.
Nous avons également placé les matières fécales dans un appareil appelé «rhéomètre», un mélangeur de précision capable de mesurer les propriétés de matériaux sous forme liquide ou sous forme solide, tels que le chocolat et le shampooing. Notre laboratoire partage deux rhéomètres avec le physicien de Georgia Tech, Alberto Fernandez-Nieves. Nous avons depuis classé les rhéomètres dans les catégories «rhéomètre propre» et «rhéomètre David Hu» - qui a vu sa part de salive, de mucus et de selles de grenouille.
Le secret de la vitesse
Qu'avons-nous appris d'autre? Les plus gros animaux ont des excréments plus longs. Et les plus gros animaux font aussi leurs besoins à une vitesse supérieure. Par exemple, un éléphant défèque à une vitesse de six centimètres par seconde, presque six fois plus vite qu'un chien. La vitesse de défécation chez l'homme est comprise entre: deux centimètres par seconde.
La relation entre la masse corporelle M et le temps de défécation. Les symboles représentent des mesures expérimentales; la ligne en pointillé représente le meilleur ajustement aux données; le trait plein représente la prédiction théorique. (Yang et al, DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Ensemble, cela signifiait que la durée de la défécation était constante pour de nombreuses espèces animales - environ 12 secondes (plus ou moins 7 secondes) - même si le volume variait considérablement. En supposant une distribution en courbe en cloche, 66% des animaux mettent entre 5 et 19 secondes à déféquer. C'est une gamme étonnamment petite, étant donné que les excréments d'éléphants ont un volume de 20 litres, près de mille fois supérieur à celui d'un chien, à 10 millilitres. Comment les gros animaux peuvent-ils déféquer à une vitesse aussi élevée?
Le mucus à la surface des matières fécales de rat brille à t = 0 et s’évapore en moins de 30 secondes. (Yang et al, DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) La réponse, nous avons trouvé, était dans les propriétés d'une couche ultra-mince de mucus tapissant les parois du gros intestin. La couche de mucus est aussi fine que des cheveux, si fine que nous ne pourrions la mesurer qu'en pesant les matières fécales au fur et à mesure que le mucus s'évaporait. En dépit d'être mince, le mucus est très glissant, plus de 100 fois moins visqueux que les matières fécales.
Pendant la défécation, les matières fécales se déplacent comme un bouchon solide. Par conséquent, dans des conditions idéales, la longueur et le diamètre combinés des matières fécales sont simplement déterminés par la forme du rectum et du gros intestin. Notre étude a notamment révélé que les matières fécales s'étendent à mi-hauteur du côlon à partir du rectum.
Une théorie unifiée du caca
En associant la longueur des matières fécales aux propriétés du mucus, nous avons maintenant une histoire de physique cohérente sur la façon dont la défécation se produit. Les animaux plus gros ont des excréments plus longs, mais aussi un mucus plus épais, leur permettant d’atteindre des vitesses élevées avec la même pression. Sans cette couche de mucus, la défécation pourrait ne pas être possible. Des altérations du mucus peuvent contribuer à plusieurs affections, notamment la constipation chronique et même des infections causées par des bactéries telles que C. difficile dans le tractus gastro-intestinal.
Au-delà du simple suivi de notre curiosité scientifique, nos mesures d'excréments ont également eu quelques applications pratiques. Nos données sur la défécation nous ont aidés à concevoir une couche pour adultes destinée aux astronautes. Les astronautes veulent rester dans une combinaison spatiale pendant sept jours, mais sont limités par leurs couches. Tirant parti de la viscosité des matières fécales, nous avons conçu une couche qui sépare les matières fécales du contact direct avec la peau. C'était un demi-finaliste du Space Spop Challenge de la NASA plus tôt cette année.
Cela montre simplement que la physique et les mathématiques peuvent être utilisées partout, même dans la cuvette de vos toilettes.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
David Hu, professeur agrégé de génie mécanique et de biologie, professeur agrégé auxiliaire de physique, Georgia Institute of Technology
Patricia Yang, Ph.D. Étudiant en génie mécanique, Georgia Institute of Technology
