Vì sao hầu hết động vật đại tiện đều mất khoảng 12 giây?

Chó, người và voi mất cùng khoảng thời gian để đại tiện, mặc dù có kích cỡ khác nhau rất lớn..

Người Trung Quốc cổ đại có môn đoán phân, chẩn đoán sức khoẻ dựa trên hình dạng, kích thước và kết cấu của phân. Người Ai Cập, người Hy Lạp và gần như mọi nền văn hoá cổ đại cũng vậy. Ngay cả ngày nay, bác sĩ của bạn có thể hỏi bạn về lần cuối bạn đại tiện và mô tả nó một cách hết sức chi tiết.

Chắc chắn rằng sẽ ái ngại khi phải nói điều này. Nhưng đó là nơi khoa học đi vào, bởi vì những gì chúng ta không muốn bàn vẫn có thể gây hại. Hội chứng ruột kích thích, bệnh viêm ruột, nhiễm trùng đường tiêu hóa và các bệnh đau ruột làm cho người Mỹ tốn hàng tỷ đô la mỗi năm.

Nhưng cố gắng để ngăn chặn những vấn đề này không phải là động lực chính của chúng tôi để cố gắng tìm ra tính vật lý của việc đại tiện. Đó là cái gì khác, nguy hiểm hơn nhiều.

Voi đại tiện với tốc độ 6cm/giây, gần gấp sáu lần tốc độ của chó. (Bản quyền hình ảnh David Hosking / Alamy Stock Photo Image caption).

Nhiều năm thay tã và rồi đổ bô đã biến tôi từ người non nớt về phân tích phân thành người am hiểu lão luyện. Cuộc sống của tôi trôi qua với hàng loạt hình ảnh: phân vón cứng như hạt đậu đến phân dài mượt như con rắn, đến một vũng nước màu nâu.

Không như người xưa, chúng tôi không tin rằng có thể đoán được tương lai từ phân của trẻ em. Nhưng chúng tôi có nghĩ rằng cũng đáng để cố gắng tìm hiểu từ đâu mà có tất cả các hình dạng đó. Có một phòng thí nghiệm để trả lời các câu hỏi về thế giới hàng ngày là một trong những thú vui khác biệt của một nhà khoa học.

Là nhà năng động chất lỏng, chúng tôi đã hợp sức với bác sĩ phẫu thuật đại trực tràng Daniel Chu và hai sinh viên năng nổ, Candice Kaminski và Morgan LaMarca, là những người quay phim việc đại tiện và lấy phân bằng tay của 34 loài động vật có vú ở bách thú Atlanta để đo tỷ trọng và độ nhớt của chúng.

Chúng tôi được biết hầu hết các con voi và các động vật ăn cỏ khác tạo ra "phân nổi" trong khi hầu hết hổ và các loài ăn thịt khác tạo ra "phân chìm". Chúng tôi cũng phân loại phân từ thối nhiều nhất đến thối ít nhất, bắt đầu từ hổ và tê giác và đi mãi tới gấu trúc. Các loại động vật đa dạng của vườn thú cung cấp cho chúng tôi một loạt các kích cỡ và hình dạng phân là những bằng chứng độc lập để xác nhận mô hình toán học của chúng tôi về thời gian đại tiện.

Chúng tôi cũng đặt phân trong một thiết bị gọi là "nhuyễn kế", một máy trộn chính xác có thể đo được các tính chất của chất lỏng và chất rắn giống như chocolate và dầu gội đầu. Phòng thí nghiệm của chúng tôi chia sẻ hai nhuyễn kế với nhà vật lý Alberto Fernandez-Nieves thuộc Georgia Tech. Chúng tôi đã phân loại "nhuyễn kế sạch" và "nhuyễn kế Ddavid Hu" mà nó đã chứng kiến được sự phân chia rõ ràng nước bọt, chất nhầy và phân của loài ếch.

Chúng tôi đã học gì khác nữa? Động vật lớn hơn có phân dài hơn. Và động vật lớn hơn cũng đại tiện nhanh hơn. Ví dụ, voi đại tiện với tốc độ 6cm/giây, gần gấp sáu lần tốc độ của chó. Tốc độ đi vệ sinh của con người khoảng 2cm/giây.

Xét kết hợp thì điều này có nghĩa là thời gian đi đại tiện là không đổi với nhiều loài động vật, khoảng 12 giây (cộng hoặc trừ 7 giây), mặc dù thể tích khác nhau rất nhiều. Theo sự phân bố đường cong hình chuông thì 66% động vật mất từ 5 đến 19 giây để đại tiện. Đó là một khoảng nhỏ đáng ngạc nhiên vì phân của voi có thể tích 20 lít, lớn hơn gần một nghìn lần so với phân chó, là 10ml. Làm thế nào động vật lớn lại có thể đại tiện với tốc độ cao như vậy?

Câu trả lời, chúng tôi tìm thấy, nằm trong đặc tính của một lớp chất nhầy cực kỳ mỏng bao phủ thành ruột. Lớp nhầy mỏng như tóc người, mỏng đến mức mà chúng ta chỉ có thể đo được nó bằng cách cân phân khi chất nhầy bay hơi. Mặc dù mỏng, chất nhầy rất trơn, nó nhớt hơn 100 lần so với phân.

Trong quá trình đại tiện, phân di chuyển như một cái nút rắn. Do đó, trong điều kiện lý tưởng, chiều dài và đường kính của phân được xác định đơn giản bằng hình dạng trực tràng và ruột già. Một trong những phát hiện lớn của nghiên cứu của chúng tôi là phân mở rộng ra ở khoảng ở giữa của chiều dài ruột già tính từ trực tràng lên.

Xét chiều dài phân cùng với các đặc tính của chất nhầy, nay chúng ta có một câu chuyện vật lý gắn kết về việc đại tiện xảy ra như thế nào. Động vật lớn hơn có phân dài hơn, nhưng cũng có chất nhờn dày hơn, cho phép chúng đạt được tốc độ cao với cùng áp suất. Nếu không có lớp nhầy này, không thể đại tiện được. Sự biến đổi chất nhầy có thể góp phần gây ra một số bệnh, kể cả táo bón mãn tính và thậm chí là nhiễm trùng do vi khuẩn như loại C. difficile trong đường tiêu hóa.

Ngoài việc đơn giản đi theo sự tò mò khoa học, việc đo đếm phân của chúng tôi cũng đã có một số ứng dụng thực tiễn. Dữ liệu về đại tiện của chúng tôi đã giúp chúng tôi thiết kế tã lót cho phi hành gia. Các phi hành gia muốn cần mặc bộ quần áo vũ trụ trong 7 ngày nhưng bị hạn chế bởi tã của họ. Lợi dụng độ nhớt của phân, chúng tôi đã thiết kế một chiếc tã tách phân để không tiếp xúc trực tiếp với da. Đó thuộc vòng bán kết trong cuộc thi "NASA Space Poop Challenge" đầu năm nay về xử lý phân cho phi hành gia.

Điều đó thể hiện rằng vật lý và toán học có thể được sử dụng ở khắp mọi nơi, ngay cả trong bồn vệ sinh của bạn.