为什么你和大象花同样多的时间大便
日期：2017年5月6日 来源：The Conversation 作者：David Hu, Patricia Yang
图片来源：Barry Kusama Getty Images
古代中国人看粪便以识病变，通过排泄物的形状、大小和质地来诊断人体的健康状况。古埃及、古希腊和几乎每一种古文化也都采取了这种方法。甚至到了今天，医生还可能会问你上一次排便是什么时候，并要求你详细地描述它。
当然，谈论排便的话题让我们感觉不自在。但这其中有科学之处，因为排便——这一我们不喜欢谈论的事——仍然可以导致危害。肠道应激综合征，炎症性肠道疾病，胃肠道感染及其他与排便相关的疾病，每年就要花掉美国人数十亿美元。
然而我们尝试理解排便物理学的主要动机并不是想解决这些问题。这之中有更加不可告人的原因。
从个人观察到实验室
当为人父母的责任不期而至，生活给予我们沉重的负担。我们其中不乏有上班族父亲，靠学习一些新技能熬过来，其中的一项技能便是粪样分析。常年累月的换尿布，然后是孩子的如厕训练，是我从一名粪便分析新手变成了老练的行家。我的生活在一连串的场景中流逝：从像豌豆一样坚硬的粪便颗粒，到像蛇一样顺滑的长粪便，再到一滩褐色的水。
不同于古人，我们不相信我们可以从孩子的粪便中预测未来。但我们着实认为理解这些形状形成的原因是值得一试的。通过实验室来解答日常世界中的问题，是作为科学家的独特乐趣之一。
作为流体动力学家，我们联合了结直肠外科医生Daniel Chu和两名本科生Candice Kaminski 和Morgan LaMarca共同开展研究。这两名学生对亚特兰大动物园里的34种哺乳类动物进行了排便拍摄，并且精心挑选粪便来测量其密度和黏度。
我们发现，大多数大象和其他食草动物拉出的是“悬浮物”，而大多数老虎和其他食肉动物拉出的是“沉淀物”。我们还在无意间给粪便的气味从大到小排了名，老虎和犀牛的粪便气味最大，最小的是熊猫。动物园里种类丰富的动物为我们提供了一系列粪便尺寸和形状，可作为独立的证据来证实我们发现的排便时间的数学模型。
我们还将粪便放置在名叫“流变仪”的仪器上，流变仪是一种精密混合器，能够测量诸如巧克力和洗发水等液体状和固体状物质的属性。我们实验室和乔治亚理工学院的科学家Alberto Fernandez-Nieves共同使用两台流变仪。我们也因此把两台流变仪分类为：“干净的流变仪”和“David Hu流变仪”（曾用于测量青蛙唾液，黏液，粪便）。
决定排便速度的因素
我们还发现了什么？体型较大的动物粪便更长，且排便速度更快。举个例子，一头大象以每秒六厘米的速度排便，几乎是狗的六倍快。而人类的排便速度处于两者之间：每秒两厘米。
这两个事实加起来意味着，即使不同动物的粪便体积差异很大，但它们的排便时间却差不多相同，大约12秒（误差为正负7秒）。假设这是个正态分布，66%的动物排便时间介于5-19秒。这个范围很小，让我们很惊异，假定一头大象粪便的容积是20升，大约比一条狗的粪便（10毫升）多一千倍。那大型动物是如何以如此快的速度排便的呢？
我们发现，答案在于动物大肠内壁一层极薄黏液的属性。这层黏液层和人的头发一样细，由于太过于薄，以至于我们只能在黏液蒸发时通过给粪便称重量来达到测量它的目的。除了薄这个特点外，这种黏液还非常滑，黏性比粪便本身小100多倍。
排便过程中，粪便像一个固体塞一样活动。因此，在理想条件下，粪便的组合长度和直径仅由动物的直肠和大肠的形状决定。我们研究中的一大发现就是，粪便的长度接近从直肠到结肠距离的一半。
排便的统一理论
我们将粪便的长度和黏液的属性结合起来考量，对于“排便是如何发生的”这个问题形成了一个连贯性的物理描述。体型较大的动物粪便更长，但黏液也更粘稠，这使他们能够以同样的压力达到高速排便。若没有这种黏液层，排便也许就不太容易了。黏液的改变会导致多种疾病，包括慢性便秘、甚至是胃肠道内诸如梭状芽孢杆菌的细菌感染。
我们对于测量粪便不仅仅处于科学上的好奇心，还有实际用途。我们利用排便数据设计出一款宇航员用的成人尿布。宇航员希望在太空服里待七天时间，但是受到了尿布的限制。我们利用粪便的黏性，设计出一种分离粪便的尿布，避免粪便与皮肤的直接接触。这款尿布入围了今年初NASA举办的太空便便挑战赛。这表明，物理学和数学能够应用到我们生活中的方方面面，甚至连你的厕所马桶也不例外。
翻译：黄颖颖
审校：张哲
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