Физики разработали общую теорию дефекации

Коллектив американских ученых создал гидродинамическую модель, описывающую процесс дефекации у 43 различных представителей млекопитающих. Исследователи также проверили теорию экспериментально и выяснили, что даже очень отличающиеся по размеру животные (домашний кот и слон, например) затрачивают на опорожнение кишечника приблизительно одно и то же время. Новая работа опубликована в журнале Soft Matter.

Авторы исследования оттолкнулись от идеи о том, что в медицине значительное внимание уделяется анализу стула, но при этом сам процесс дефекации, его длительность, например, оказывается лишен должного внимания, хотя часто содержит важную информацию о состоянии пациента. Кроме того, с точки зрения физики до сих пор не создано теоретической модели, способной объяснить тот необычный факт, что млекопитающие, чьи массы могут отличаться на четыре порядка, все равно испражняются за одно и то же характерное время (12+-7 секунд). Ранее другая группа ученых уже провела аналогичное исследование, посвященное мочеиспусканию. Эта статья получила Шнобелевскую премию по физике за 2015 год.

В новой работе физики проанализировали видеоматериалы, предоставленные специально для этого исследования сотрудниками зоопарка Атланты, а также ряд YouTube-роликов соответствующего содержания. Ученых интересовало характерное время дефекации, которое, по словам авторов «определяется отношением длины фекалий к скорости фекалий». Кроме того, для построения математической модели требовались дополнительные данные, в частности, вязкость высвобождаемого материала. Для этого авторы проводили реологические измерения. Однако этот этап удалось провести только для образцов, собранных из вольеров котов, собак и кроликов, так как более крупные экскременты «...содержали слишком много камней и стеблей растений и не помещались в измерительную камеру прибора».

Отдельно изучалось и соотношение сторон фекалий, от которого в том числе и зависело характерное время испражнения. Однако в этом аспекте ученым пришлось исключить некоторых животных (грызунов, например), чьи экскременты были овальной формы, так как «подобная дефекация не происходит в стационарном режиме», поэтому в дальнейшем обсуждались только фекалии цилиндрической формы.

Сама по себе гидродинамическая теория основывалась на том, что для быстрого проскальзывании фекалий вдоль стенок прямой кишки организм секретирует слизь, обладающую строго определенными реологическими характеристиками. Эта жидкость относится к классу псевдопластических, то есть ее вязкость уменьшается при увеличении сдвига — градиента скорости течения. Такую систему можно описать моделью Куэтта, в которой скорость среды линейно связана с величиной сдвига и толщиной слоя слизи. В итоге авторы получили аналитическое выражение, связывающее характерное время дефекации с толщиной слизевой прослойки, соотношением сторон цилиндрических фекалий и величиной ректального давления.

Анализируя полученное математическое выражение, авторы отмечают, что отношения основных параметров модели практически не изменяются с увеличением массы животного, а следовательно и характерное время дефекации должно оставаться постоянным. Ученые также создали расширение модели на случай, когда животное страдает диареей или запором.

По мнению исследователей, их работа послужит прочной основой для более детальных исследований физиологических процессов, происходящих в кишечнике и других органах млекопитающих. Кроме того, используя новую математическую модель, можно анализировать отклонения в характерном времени дефекации и связывать их с теми или иными характеристиками кишечника.

В экспериментах принимали участие бородавочники, гигантские панды, белые носороги, львы, слоны, зебры, коты, собаки и мыши. Ни одно животное не пострадало.

Тарас Молотилин