Os antigos chineses praticavam a copromancia, o diagnóstico de saúde baseado na forma, tamanho e textura das fezes. O mesmo aconteceu com os egípcios, os gregos e quase todas as culturas antigas. Mesmo hoje, seu médico pode perguntar quando você fez um movimento intestinal pela última vez e descrevê-lo com detalhes delicados.
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Claro, é desconfortável falar sobre isso. Mas é aí que entra a ciência, porque o que não gostamos de discutir ainda pode causar danos. Síndrome do intestino irritável, doença inflamatória intestinal, infecções gastrointestinais e outras doenças relacionadas ao cocô custam anualmente bilhões de dólares.
Mas tentar conter esses problemas não foi nossa principal motivação para tentar descobrir um pouco da física da defecação. Foi outra coisa, muito mais sinistra.
De observação pessoal, no laboratório
Quando a paternidade atinge, ela bate forte. Um de nós é um pai trabalhador que sobreviveu aprendendo um novo conjunto de habilidades, uma das quais foi a análise fecal. Anos de trocas de fralda e depois o treino de penico me transformaram de um novato em poo-análise a um conhecedor experiente. Minha vida passa em uma série de imagens: fezes duras como ervilhas para longas fezes, como uma cobra lisa para uma poça de água marrom.
Ao contrário dos antigos, não acreditávamos que poderíamos prever o futuro das fezes das crianças. Mas achamos que valeu a pena tentar entender de onde vêm todas essas formas. Ter um laboratório para responder a perguntas sobre o mundo cotidiano é um dos prazeres distintos de ser um cientista.
Como dinamistas fluidos, unimos forças com o cirurgião colorretal Daniel Chu e dois estudantes de graduação, Candice Kaminski e Morgan LaMarca, que filmaram a defecação e coletaram fezes de 34 espécies de mamíferos no Zoológico de Atlanta para medir sua densidade e viscosidade.
Aprendemos que a maioria dos elefantes e outros herbívoros criam "moscas volantes", enquanto a maioria dos tigres e outros carnívoros criam "chumbadas". Inadvertidamente, também classificamos as fezes do mais ou menos malcheiroso, começando com tigre e rinoceronte e indo até o panda. A variedade de animais do zoológico nos forneceu uma variedade de tamanhos e formas fecais que serviram como peças independentes de evidência para validar nosso modelo matemático da duração da defecação.
Também colocamos as fezes em um dispositivo chamado de “reômetro”, um misturador de precisão que pode medir as propriedades de materiais semelhantes a líquidos e sólidos, como chocolate e xampu. Nosso laboratório compartilha dois reômetros com o físico da Georgia Tech, Alberto Fernandez-Nieves. Desde então, classificamos os reómetros como o "reômetro limpo" e o "reômetro de David Hu" - que viu seu quinhão de saliva, muco e fezes de sapo.
O segredo da velocidade
O que mais aprendemos? Animais maiores têm fezes mais longas. E os animais maiores também defecam em maior velocidade. Por exemplo, um elefante defeca a uma velocidade de seis centímetros por segundo, quase seis vezes mais rápido que um cachorro. A velocidade de defecação para humanos está entre dois centímetros por segundo.
Relação entre massa corporal M e tempo de defecação. Símbolos representam medições experimentais; linha tracejada representa melhor ajuste aos dados; linha sólida representa a previsão teórica. (Yang e outros, DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) Juntos, isso significa que a duração da defecação é constante em muitas espécies de animais - em torno de 12 segundos (mais ou menos 7 segundos) - mesmo que o volume varie muito. Assumindo uma distribuição da curva em sino, 66% dos animais demoram entre 5 e 19 segundos para defecar. É uma faixa surpreendentemente pequena, já que as fezes de elefantes têm um volume de 20 litros, quase mil vezes mais que o de um cachorro, com 10 mililitros. Como animais grandes podem defecar a uma velocidade tão alta?
O muco na superfície das fezes de rato brilha em t = 0 e evapora em menos de 30 segundos. (Yang e outros, DOI: 10.1039 / C6SM02795D, CC BY-ND) A resposta, descobrimos, estava nas propriedades de uma camada ultrafina de muco que reveste as paredes do intestino grosso. A camada de muco é tão fina quanto o cabelo humano, tão fina que só podemos medir pesando as fezes quando o muco se evapora. Apesar de fino, o muco é muito escorregadio, mais de 100 vezes menos viscoso que as fezes.
Durante a defecação, as fezes se movem como um plug sólido. Portanto, em condições ideais, o comprimento e o diâmetro combinados das fezes são simplesmente determinados pela forma do reto e do intestino grosso. Uma das grandes descobertas do nosso estudo foi que as fezes se estendem até a metade do comprimento do cólon a partir do reto.
Uma teoria unificada de cocô
Colocando o comprimento das fezes junto com as propriedades do muco, agora temos uma história física coesa sobre como a defecação acontece. Os animais maiores têm fezes mais longas, mas também muco mais espesso, permitindo que alcancem altas velocidades com a mesma pressão. Sem essa camada de muco, a defecação pode não ser possível. Alterações no muco podem contribuir para várias doenças, incluindo constipação crônica e até infecções por bactérias como C. difficile no trato gastrointestinal.
Além de simplesmente seguir nossa curiosidade científica, nossas medidas de fezes também tiveram algumas aplicações práticas. Nossos dados de defecação nos ajudaram a projetar uma fralda para adultos para os astronautas. Os astronautas querem ficar em trajes espaciais por sete dias, mas são limitados por suas fraldas. Aproveitando a viscosidade das fezes, projetamos uma fralda que separa as fezes do contato direto com a pele. Foi um semifinalista no Desafio Espacial da NASA no início deste ano.
Isso só mostra que a física e a matemática podem ser usadas em todos os lugares, até mesmo em seu vaso sanitário.
Este artigo foi originalmente publicado no The Conversation.
David Hu, Professor Associado de Engenharia Mecânica e Biologia, Professor Associado Adjunto de Física, Georgia Institute of Technology
Patricia Yang, Ph.D. Estudante em Engenharia Mecânica, Georgia Institute of Technology
