Биологи и инженеры изучили ткани кишечника вомбата и промоделировали воздействие стенок толстой кишки на каловые массы, после чего пришли к выводу, что за квадратное сечение кала вомбатов ответственна неоднородность кишечника по толщине и жесткости в зависимости от азимутального угла. Уже через несколько циклов сжатия квадратность сечения достигла значений реальных фекалий, а закрепить прямоугольную форму позволяет высушивание кала. Статья опубликована в журнале Soft Matter.
Вомбаты — сумчатые млекопитающие, обитающие в Австралии и на острове Тасмания. Взрослая особь вомбата весит 20-35 килограмм, при этом длина их кишечника сравнима с человеческим: 6-9 метров. Кал вомбатов имеет форму кубиков — этот факт известен еще с середины двадцатого века. С того времени биологи придумывали такой необычной форме разные объяснения: например, фекальные массы могли сжиматься между костями таза или благодаря квадратной форме сфинктера, а также параллельным блокам продольных гладких мышц в слепой кишке. Однако гипотезы были лишь предположениями, а не полноценными исследованиями. Вомбаты используют квадратную форму кала для метки границ своей территории — помет не скатывается с камней, бревен и других возвышенностей.
Вопрос — как помет вомбатов получается квадратной формы — не дает покоя ученым, так как это может быть принципиально новый способ получения прямоугольных структур, отличный от экструзии, формования или нарезки. К тому же, форма помета может говорить о качестве питания и состоянии желудочно-кишечного тракта.
Два года назад мы писали о докладе на конференции, посвященному квадратной форме помета, а теперь Патрисия Янг (Patricia J. Yang) и Александр Ли (Alexander B. Lee) с коллегами из института технологии Джорджии и Тасманийского университета изучили кишечники трех короткошерстных вомбатов (Vombatus ursinus), пострадавших во время автомобильной аварии. Ученые вскрыли один из кишечников и обнаружили, что формирование прямоугольных фекалий происходит в последних двух метрах кишечника.
Для того, чтобы удостовериться, что кал получается квадратным не из-за формы костей таза или сфинктера, в рамках новой работы ученые провели компьютерную томографию заднего прохода живого вомбата — никаких прямоугольных структур не обнаружили. После этого авторы сделали 3D-модель одного из образцов фекалий с помощью координатно-измерительной машины. Образец имеет размеры: 2,3 в высоту, 2,5 в ширину и 4 сантиметра в длину, а потому он скорее имеет форму прямоугольного параллелепипеда, а не куба.
Чтобы понять, как же прямоугольные фекалии образуются в кишечнике, ученые исследовали ткани и провели механические испытания его тканей в зависимости от направления. Стенки кишечника состоят из четырех типов тканей: продольной мышцы, круговой мышцы, железистой ткани и слизистой оболочки. В зависимости от азимутального направления значительно меняется толщина продольной и круговой мышц, а потому они сосредоточили исследования механических свойств на них. В дистальном отделе толстой кишки продольная мышца изменяется практически вдвое под углом в 240 градусов от положения минимальной толщины, а круглая мышца утолщается вполовину под углами в 90 и 270 градусов.
В сумме в зависимости толщины от радиального направления наблюдается два пика при 90 и 240 градусах от положения минимума. В проксимальном отделе толстой кишки так же наблюдаются два пика толщины в радиальном распределении. Из механических испытаний на растяжение вдоль разных радиальных направлений стало понятно, что минимальная жесткость и максимальная жесткость находятся под углом в 90 градусов.
После этого ученые построили механическую модель стенки кишечника, чтобы понять, как две жесткие области могут образовать 8 областей с разной кривизной: нулевая кривизна для плоских сторон фекалий и обрывистый пик на углах. Модель построена со следующими оговорками: модель двумерная, а фекалии представлены добавочной массой к стенкам кишечника. Стенки кишечника представлялись кольцом из 200 узлов с массой, при этом каждый узел соединялся с соседними с помощью пружинок с разной жесткостью. Чтобы найти изначальную конфигурацию модели кишечника, ученые искали равновесное состояние. В конечном итоге было 5 неизвестных: углы между узлами внутри двух областей и на границе между ними, а также две длины пружин в областях. Начальная конфигурация модели — практически круглая.
Сокращение стенок кишечника моделировалось с помощью квадратной волны — раз в период длина всех пружинок уменьшалась в четыре раза. Для оценки квадратности кала ученые использовали кривизну: она постоянна для окружности и стремится к бесконечности для квадрата. Оказалось, что максимально квадратная форма (коэффициент квадратности ~ 0.3) наблюдается через восемь секунд после нагрузки менее чем за десять циклов сжимания, а затем она искажается в более овальную. При этом ученые измерили коэффициент квадратности для реального помета вомбата — в среднем его квадратность равна 0,14.
Таким образом, авторы статьи выяснили, что неоднородное распределение толщины тканей кишечника влияет на радиальную неоднородность в жесткости. Сочетание таких неоднородностей приводит к формированию углов, а при проходе по кишечнику каловые массы теряют влагу, становясь более жесткими и закрепляя прямоугольную структуру.
Фекалии вомбатов помогают им эффективнее помечать территории и искать партнеров. О том, как используют кал другие животные, можно прочитать в блоге наших биологов: «Это норма: об инструментальной пользе фекалий».
Артем Моськин