Успеть за 12 секунд

Наталья Резник
Ната­лья Рез­ник

Есть мне­ние, что пер­во­ап­рель­ские шут­ки неэф­фек­тив­ны: люди сра­зу дога­да­ют­ся, что их разыг­ры­ва­ют. Шутить сле­ду­ет в дру­гие дни. Ста­тья, о кото­рой пой­дет речь, была опуб­ли­ко­ва­на 25 апре­ля 2017 года на сай­те жур­на­ла Коро­лев­ско­го хими­че­ско­го обще­ства Soft Matter. Ее авто­ры абсо­лют­но серьез­но скон­цен­три­ро­ва­лись на физи­че­ской сто­роне дефе­ка­ции.

Об акту­аль­но­сти иссле­до­ва­ния нече­го и гово­рить, ведь с резуль­та­та­ми это­го про­цес­са мы стал­ки­ва­ем­ся посто­ян­но. Сель­ско­хо­зяй­ствен­ные живот­ные про­из­во­дят горы наво­за, кото­рый необ­хо­ди­мо ути­ли­зи­ро­вать. За домаш­ни­ми питом­ца­ми при­хо­дит­ся уби­рать. Зна­чи­тель­ное коли­че­ство забо­ле­ва­ний чело­ве­ка и живот­ных свя­за­но имен­но с нару­ше­ни­я­ми дефе­ка­ции, а про­цесс прак­ти­че­ски не опи­сан коли­че­ствен­но. Реше­ни­ем этой зада­чи и заня­лись спе­ци­а­ли­сты Тех­но­ло­ги­че­ско­го инсти­ту­та шта­та Джор­джия (США) под руко­вод­ством Дэви­да Ху (David Hu), спе­ци­а­ли­ста в обла­сти гид­ро­ди­на­ми­ки.

Дэвид Ху в своей лаборатории
Дэвид Ху в сво­ей лабо­ра­то­рии

Рабо­ту они нача­ли со съе­мок про­цес­са в зоо­пар­ке Атлан­ты, где запро­то­ко­ли­ро­ва­ли дефе­ка­цию сло­на, боль­шой пан­ды и боро­да­воч­ни­ка (рис. 1). Кро­ме того, уче­ные засня­ли отправ­ле­ния соба­ки в мест­ном пар­ке и исполь­зо­ва­ли 19 видео­ро­ли­ков, кото­рые отыс­ка­ли в YouTube. Все­го набра­лось 9 видов живот­ных раз­ме­ра­ми от кош­ки до сло­на, 23 наблю­де­ния. Выбор­ка, пря­мо ска­жем, неболь­шая.

1. Все животные делают это. Сцены дефекации, которыми исследователи сочли необходимым проиллюстрировать свою работу. А) слон; В) большая панда; С) бородавочник; D) собака. Все экскременты имеют форму колбаски
1. Все живот­ные дела­ют это. Сце­ны дефе­ка­ции, кото­ры­ми иссле­до­ва­те­ли сочли необ­хо­ди­мым про­ил­лю­стри­ро­вать свою рабо­ту. А) слон; В) боль­шая пан­да; С) боро­да­воч­ник; D) соба­ка. Все экс­кре­мен­ты име­ют фор­му кол­бас­ки

Видео­съем­ка поз­во­ля­ла опре­де­лить вре­мя и ско­рость дефе­ка­ции.

И если ско­рость, изме­ря­е­мая в см/​с, зави­сит от раз­ме­ра живот­но­го и при­бли­зи­тель­но про­пор­ци­о­наль­на его мас­се в сте­пе­ни 13, то вре­мя ока­за­лось отно­си­тель­но посто­ян­ным — 12±7 с. И это при том, что мас­са наблю­да­е­мых живот­ных раз­ли­ча­ет­ся на три поряд­ка — от 4 кг у кош­ки до почти 4 т у сло­на. И дли­на пря­мой киш­ки у них раз­ная: у кош­ки — 4 см, а у сло­на — целых 40! Есте­ствен­но, иссле­до­ва­те­лей заин­те­ре­со­ва­ло такое посто­ян­ство, и они взя­лись за постро­е­ние мате­ма­ти­че­ской моде­ли, объ­яс­ня­ю­щей суще­ство­ва­ние этой кон­стан­ты.

Тут мы, вслед за иссле­до­ва­те­ля­ми, сде­ла­ем неболь­шое отступ­ле­ние. Наблю­да­тель­ные уче­ные заме­ти­ли, что экс­кре­мен­ты живот­ных могут быть раз­ной фор­мы. У гры­зу­нов и мно­гих тра­во­яд­ных (кро­ли­ков и жвач­ных) они круг­лые, а у дру­гих мле­ко­пи­та­ю­щих име­ют фор­му кол­бас­ки. Шари­ки выле­та­ют с боль­шой ско­ро­стью пооди­ноч­ке либо целой обой­мой, кол­бас­кам же для пол­но­го выле­за­ния из пря­мой киш­ки тре­бу­ет­ся неко­то­рое вре­мя.

Имен­но это вре­мя и ока­за­лось более-менее посто­ян­ной вели­чи­ной, и в даль­ней­шем иссле­до­ва­те­ли скон­цен­три­ро­ва­лись на про­цес­се осво­бож­де­ния от цилин­дри­че­ских экс­кре­мен­тов. И если в каком-нибудь попу­ляр­ном пере­ска­зе этой рабо­ты вы про­чте­те, что все мле­ко­пи­та­ю­щие кака­ют за 12 секунд, не верь­те это­му. Не все.

2. А) Фекалии выходят порционными кусочками. В) Диаметр и длина одного цилиндра соответствуют параметрам прямой кишки
2. А) Фека­лии выхо­дят пор­ци­он­ны­ми кусоч­ка­ми. В) Диа­метр и дли­на одно­го цилин­дра соот­вет­ству­ют пара­мет­рам пря­мой киш­ки

Иссле­до­ва­те­ли изу­чи­ли диа­метр, дли­ну и коли­че­ство цилин­дри­че­ских фека­лий 43 видов мле­ко­пи­та­ю­щих (эти дан­ные взя­ты из спра­воч­ни­ков сле­до­пы­та). Ока­за­лось, что при выхо­де из пря­мой киш­ки кол­бас­ка раз­ла­мы­ва­ет­ся на кусоч­ки (рис. 2). Таких кус­ков может быть до пяти штук, но в сред­нем — два. Дли­на одной пор­ции рав­на длине пря­мой киш­ки, осталь­ная часть дожи­да­ет­ся сво­ей оче­ре­ди в тол­стом кишеч­ни­ке. Диа­метр кол­бас­ки при­мер­но в пять раз мень­ше ее дли­ны неза­ви­си­мо от мас­сы тела живот­но­го.

Сопо­ста­вив гео­мет­ри­че­ские пара­мет­ры экс­кре­мен­тов и пря­мой киш­ки, уче­ные заклю­чи­ли, что содер­жи­мое не выжи­ма­ет­ся из кишеч­ни­ка, как пас­та из тюби­ка, а вытал­ки­ва­ет­ся, как проб­ка из труб­ки. Такое выскаль­зы­ва­ние тре­бу­ет гораз­до мень­ше энер­гии, чем выдав­ли­ва­ние. Впро­чем, по под­сче­там авто­ров ста­тьи, на это ухо­дит око­ло 10% потреб­ля­е­мой энер­гии. Заод­но иссле­до­ва­те­ли выяс­ни­ли, собрав све­де­ния в зоо­пар­ке, на окрест­ных фер­мах и в уни­вер­си­тет­ском вива­рии, что живот­ные еже­днев­но съе­да­ют око­ло 8% от мас­сы тела, при этом вес фека­лий состав­ля­ет 1%.

Про­дол­жая изу­чать физи­че­ские свой­ства экс­кре­мен­тов, иссле­до­ва­те­ли собра­ли све­де­ния об их плот­но­сти. Она ока­за­лась тако­ва, что стен­ки кишеч­ни­ка, сжи­ма­ясь, не могут их дефор­ми­ро­вать. Одна­ко при сдви­ге экс­кре­мен­ты утон­ча­ют­ся, и, чем рез­че сдвиг, тем силь­нее дефор­ма­ция. В этом имел воз­мож­ность убе­дить­ся каж­дый насту­пив­ший на соба­чью какаш­ку — она ока­зы­ва­ет­ся очень скольз­кой.

Опре­де­ляя плот­ность экс­кре­мен­тов, иссле­до­ва­те­ли частич­но опро­верг­ли рас­хо­жую сен­тен­цию об их непо­топ­ля­е­мо­сти. Фека­лии хищ­ни­ков обыч­но тонут, посколь­ку содер­жат тяже­лые ком­по­нен­ты, такие как мех и кости, и их плот­ность пре­вы­ша­ет плот­ность воды, дости­гая 1,5 г/​ мл. Одна­ко экс­кре­мен­ты тра­во­яд­ных лег­че воды и не тонут, даже сло­но­вьи.

Внут­рен­ние стен­ки пище­ва­ри­тель­но­го трак­та покры­ты сло­ем сли­зи, и, чем бли­же к пря­мой киш­ке, тем тол­ще этот слой. Кишеч­ная слизь слу­жит смаз­кой. Посколь­ку ее вяз­кость η при­мер­но в три раза мень­ше, чем вяз­кость фека­лий, послед­ние мож­но пред­став­лять как плот­ную кол­бас­ку, сколь­зя­щую по киш­ке подоб­но салаз­кам по жело­бу.

Часть сли­зи оста­ет­ся на экс­кре­мен­тах, про­хо­дя­щих через тол­стый кишеч­ник, и уче­ные вычис­ли­ли тол­щи­ну слоя, опре­де­лив пло­щадь поверх­но­сти одной кол­бас­ки и вре­мя, за кото­рое слизь испа­ря­ет­ся на воз­ду­хе. Плот­ность сли­зи при­ня­ли рав­ной плот­но­сти воды. Эти рас­че­ты сопро­вож­да­ют­ся фото­гра­фи­я­ми соба­чьих экс­кре­мен­тов раз­ной сте­пе­ни высу­шен­но­сти. Вооб­ще, уче­ные очень тре­пет­но отно­сят­ся к объ­ек­ту сво­е­го иссле­до­ва­ния: ста­тья обиль­но иллю­стри­ро­ва­на фото­гра­фи­я­ми, а в онлайн-при­ло­же­нии к ней даже есть видео­ро­ли­ки.

Ока­за­лось, что у живот­ных тол­щи­на слоя сли­зи (h), покры­ва­ю­ще­го фека­лии, зави­сит от мас­сы тела (М). Соот­но­ше­ние опи­сы­ва­ет­ся фор­му­лой h = 13,75M0,27мкм. Изме­ре­ния пока­за­ли, что тол­щи­на сли­зи, покры­ва­ю­щей кишеч­ник изнут­ри, при­бли­зи­тель­но в 17 раз тол­ще h и так­же зави­сит от мас­сы тела (233,6M0.21).

Таким обра­зом, круп­ные живот­ные не толь­ко про­из­во­дят боль­ше фека­лий, но и име­ют более тол­стый слой сли­зи­стой смаз­ки, что облег­ча­ет дефе­ка­цию.

3. Схематическая модель дефекации. Экскременты подобны пробке, скользящей по кишке-трубке, стенки которой покрыты слизью (пояснения в тексте)
3. Схе­ма­ти­че­ская модель дефе­ка­ции. Экс­кре­мен­ты подоб­ны проб­ке, сколь­зя­щей по киш­ке-труб­ке, стен­ки кото­рой покры­ты сли­зью (пояс­не­ния в тек­сте)

Нако­нец, покон­чив с видео­съем­ка­ми, изме­ре­ни­я­ми и лабо­ра­тор­ны­ми экс­пе­ри­мен­та­ми, иссле­до­ва­те­ли соста­ви­ли мате­ма­ти­че­скую модель дефе­ка­ции. Модель пред­став­ля­ет пря­мую киш­ку как труб­ку, в кото­рой нахо­дят­ся цилин­дри­че­ские фека­лии диа­мет­ра D и общей дли­ны L, раз­де­лен­ные на несколь­ко фраг­мен­тов (рис. 3). Стен­ки труб­ки покры­ты сло­ем сли­зи тол­щи­ной h, кото­рая суще­ствен­но мень­ше D.

Дефе­ка­ция начи­на­ет­ся, когда глад­кие мыш­цы кишеч­ни­ка, сокра­ща­ясь, воз­дей­ству­ют на конец кол­бас­ки и побуж­да­ют его к дви­же­нию. Мини­маль­ное необ­хо­ди­мое для это­го дав­ле­ние Pmin посто­ян­но при мас­се тела от 100 г до 100 кг и рав­но 0,64±0,3 кПа. Такое дав­ле­ние не может дефор­ми­ро­вать экс­кре­мен­ты. Их сколь­зя­щее дви­же­ние про­ис­хо­дит исклю­чи­тель­но вдоль гори­зон­таль­но­го направ­ле­ния цилин­дра.

Вре­мя дефе­ка­ции — отно­ше­ние ско­ро­сти дви­же­ния фека­лии к ее длине — зави­сит от гео­мет­ри­че­ских пара­мет­ров объ­ек­та, при­ло­жен­но­го к нему дав­ле­ния, а так­же тол­щи­ны и вяз­ко­сти сли­зи­сто­го слоя. Чем тол­ще этот слой, тем быст­рее сколь­зят по нему экс­кре­мен­ты. Бла­го­да­ря этой осо­бен­но­сти более круп­ные живот­ные быст­рее опо­рож­ня­ют кишеч­ник. А вот дей­ствие силы тяже­сти иссле­до­ва­те­ли не учи­ты­ва­ют, посколь­ку оно зави­сит от поло­же­ния тела в те самые 12 секунд и моде­ли­ро­вать его слож­но.

Модель пока­за­ла, что вре­мя дефе­ка­ции дей­стви­тель­но посто­ян­но и рав­но 5,6 секун­ды. Тео­ре­ти­че­ское зна­че­ние рас­хо­дит­ся с наблю­да­е­мым, воз­мож­но, пото­му, что иссле­до­ва­те­ли невер­но опре­де­ли­ли тол­щи­ну сли­зи­сто­го слоя. Но глав­ное — кон­стан­та есть! Уче­ные даже пред­по­ло­жи­ли, что эво­лю­ция раз­ме­ров пище­ва­ри­тель­но­го трак­та и сли­зи­сто­го слоя про­ис­хо­ди­ла таким обра­зом, что­бы обес­пе­чить корот­кое вре­мя дефе­ка­ции.

Заод­но физи­ки сде­ла­ли пода­рок меди­кам и рас­счи­та­ли для них вре­мя дефе­ка­ции при раз­ных кишеч­ных про­бле­мах. При диа­рее, напри­мер, всё про­ис­хо­дит очень быст­ро, при­чем вре­мя зави­сит от мас­сы тела. Чело­век весом 70 кг опо­рож­нит кишеч­ник все­го за пол­се­кун­ды. Одна­ко насто­я­щие про­бле­мы под­жи­да­ют паци­ен­та, если его фека­лии настоль­ко сухие и твер­дые, что сди­ра­ют сли­зи­стый слой со сте­нок кишеч­ни­ка, или сли­зи там нет по дру­гим при­чи­нам, напри­мер в резуль­та­те вос­па­ле­ния. При рек­таль­ном дав­ле­нии рав­ном 0,64 кПа несчаст­ный будет тужить­ся 524 дня. При мак­си­маль­но воз­мож­ном дав­ле­нии 4,7 кПа про­цесс удаст­ся сокра­тить до шести часов. Воз­мож­но, это завы­шен­ное вре­мя, скром­но заме­ча­ют авто­ры моде­ли, тем не менее резуль­тат пока­зы­ва­ет, как важ­на слизь для свое­вре­мен­но­го опо­рож­не­ния кишеч­ни­ка.

Уче­ные пола­га­ют, что их рабо­та сти­му­ли­ру­ет даль­ней­шие коли­че­ствен­ные иссле­до­ва­ния физио­ло­ги­че­ских про­цес­сов в орга­низ­ме. Они так­же выра­зи­ли надеж­ду, что пости­же­ние физи­че­ских основ дефе­ка­ции поз­во­лит чело­ве­че­ству решить про­бле­мы транс­пор­ти­ров­ки фека­лий людей, домаш­них питом­цев и сель­ско­хо­зяй­ствен­ных живот­ных, а так­же раз­ра­бо­тать под­гуз­ни­ки новой кон­струк­ции и усо­вер­шен­ство­вать меди­цин­скую диа­гно­сти­ку кишеч­ных забо­ле­ва­ний.

Послед­нее пред­по­ло­же­ние, воз­мож­но, уди­вит меди­ков, по край­ней мере тех, кто чаще загля­ды­ва­ет в кни­ги по физио­ло­гии и меди­цине, чем в спра­воч­ник сле­до­пы­та.

Ната­лья Рез­ник
Иллю­стра­ции: Yang et al., 2017

1. Yang P. J., LaMarca M., Kaminski C, Chu D. I., Hu D. L. Hydrodynamics of defecation /​/​ Soft Matter. 2017. DOI: 10.1039/C6SM02795D.

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
3 Цепочка комментария
1 Ответы по цепочке
0 Подписки
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
4 Авторы комментариев
ErythropoietinAshHalgarBrr. Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
Уведомление о
Brr.
Brr.

Ну вот зачем писать такие ста­тьи? Копро­фи­лам навер­ное в дикую радость читать, а подав­ля­ю­ще­му боль­шин­ству осталь­ных?..

Ash
Ash

А вот, батень­ка, когда попа­дё­те в руки в прок­то­ло­гу, тогда и будет насто­я­щий Brr.

Halgar
Halgar

Шно­бе­лев­ку авто­рам иссле­до­ва­ния. Точ­но по ста­ту­су – спер­ва посме­ять­ся, потом заду­мать­ся…

Erythropoietin
Erythropoietin

Я вишу над без­дной уни­та­за – Подо мной зия­ет пусто­та. Истор­га­ет сквер­ну в час экс­та­за Внут­рен­не­го мира чисто­та. Зло нести внут­ри невы­но­си­ма Участь. Дивер­ти­кул слов­но тромб. Вод­ный плеск стру­ит­ся. Хиро­си­ма Жаж­дет вул­ка­низ­ма тяж­ких бомб. Креп­кий кофе выпит и хариз­ма Пла­ме­нем в нут­ре моем горит. В вул­ка­низ­ме – пик метео­риз­ма. В нис­пасть спе­шит метео­рит. Я взле­таю в облач­ные рощи к Ним­бу­сам, лоб­за­ю­щим утра, И несу к ним… как бом­бар­ди­ров­щик, Ядер­ный заряд в глу­би нут­ра. Келья сан­уз­ла – души оби­тель – Сану зло не хощет несть и гроб. Куку­руз­ник мой – не истре­би­тель С атом­ным заря­дом средь утроб. …Но: как кре­пость лёт­ная – арма­да Волю телу при­да­ёт, и вот… Люк отверст. Бес­фор­мен­на гро­ма­да… Подробнее »

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: