Колектив американських вчених створив гідродинамічну модель, що описує процес дефекації у 43 різних представників ссавців. Дослідники також перевірили теорію експериментально і з'ясували, що навіть тварини, які дуже відрізняються за розміром, (домашній кіт і слон, наприклад) витрачають на випорожнення кишечника приблизно один і той же час. Нова робота опублікована в журналі.
Автори дослідження відштовхнулися від ідеї про те, що в медицині значна увага приділяється аналізу стільця, але при цьому сам процес дефекації, його тривалість, наприклад, виявляється позбавлений належної уваги, хоча часто містить важливу інформацію про стан пацієнта. Крім того, з точки зору фізики досі не створено теоретичної моделі, здатної пояснити той незвичайний факт, що ссавці, чиї маси можуть відрізнятися на чотири порядки, все одно зневажаються за один і той же характерний час (12 + -7 секунд). Раніше інша група вчених вже провела аналогічне дослідження, присвячене сечовипусканню. Ця стаття отримала Шнобелівську премію з фізики за 2015 рік.
У новій роботі фізики проаналізували відеоматеріали, надані спеціально для цього дослідження співробітниками зоопарку Атланти, а також ряд YouTube-роликів відповідного змісту. Вчених цікавив характерний час дефекації, який, за словами авторів «визначається ставленням довжини фекалій до швидкості фекалій». Крім того, для побудови математичної моделі були потрібні додаткові дані, зокрема, в'язкість вивільненого матеріалу. Для цього автори проводили реологічні вимірювання. Однак цей етап вдалося провести тільки для зразків, зібраних з вольєрів котів, собак і кроликів, оскільки більш великі екскременти «... містили занадто багато каменів і стеблів рослин і не поміщалися у вимірювальну камеру приладу».
Окремо вивчалося і співвідношення сторін фекалій, від якого в тому числі і залежав характерний час спорожнення. Однак у цьому аспекті вченим довелося виключити деяких тварин (гризунів, наприклад), чиї екскременти були овальної форми, оскільки «подібна дефекація не відбувається в стаціонарному режимі», тому в подальшому обговорювалися тільки фекалії циліндричної форми.
Сама по собі гідродинамічна теорія ґрунтувалася на тому, що для швидкого проскальзування фекалій уздовж стінок прямої кишки організм секретує слиз, що володіє строго певними реологічними характеристиками. Ця рідина відноситься до класу псевдопластичних, тобто її в'язкість зменшується при збільшенні зсуву - градієнта швидкості течії. Таку систему можна описати моделлю Куетта, в якій швидкість середовища лінійно пов'язана з величиною зсуву і товщиною шару. У підсумку автори отримали аналітичний вираз, що пов'язує характерний час дефекації з товщиною слизового прошарку, співвідношенням сторін циліндричних фекалій і величиною ректального тиску.
Аналізуючи отриманий математичний вираз, автори зазначають, що відносини основних параметрів моделі практично не змінюються зі збільшенням маси тварини, а отже і характерний час дефекації має залишатися постійним. Вчені також створили розширення моделі на випадок, коли тварина страждає діареєю або запором.
На думку дослідників, їхня робота послужить міцною основою для більш детальних досліджень фізіологічних процесів, що відбуваються в кишечнику та інших органах ссавців. Крім того, використовуючи нову математичну модель, можна аналізувати відхилення в характерному часі дефекації і пов'язувати їх з тими чи іншими характеристиками кишківника.
В експериментах брали участь бородавочники, гігантські панди, білі носороги, леви, слони, зебри, коти, собаки і миші. Жодна тварина не постраждала.