La hidrodinámica de la defecación en mamíferos

Dibujo20170802 defecation duration vs size mammals soft matter doi 10 1039 C6SM02795D

Los mamíferos tienen tamaños y formas muy diferentes, como sus heces, pero parece que defecan en un tiempo similar. Vídeos de 23 animales, desde gatos a elefantes, indican que la duración de la defecación es de 12 ± 7 segundos. La razón parece ser la capa de mucosas que lubrica el recto y el intestino grueso, cuyo grosor crece con el tamaño del animal. Se publica en la revista Soft Matter un modelo físico muy sencillo de la defecación, basado en leyes de escala, que será fácil de entender para todos los interesados.

La autora principal del artículo, Patricia J. Yang, doctora en ingeniería mecánica en el Georgia Tech, Atlanta (EE.UU.), se ha especializado en el estudio de los procesos fisiológicos más escatológicos: micción, defecación y digestión. Desarrolla modelos hidrodinámicos de estos procesos para investigar la función de los órganos implicados. Quizás recuerdes que en 2014 fue noticia que la duración de la micción no depende del tamaño del mamífero, que se publicó en la revista PNAS; la descarga de la vejiga urinaria tiene una duración de 21 ± 13 segundos (se estudiaron 32 animales). O quizás recuerdes que obtuvo el premio Ig Nobel de Física de 2015 por dicho trabajo (LCMF, 23 Sep 2015). Ahora vuelve a ser noticia gracias al producto de la evacuación intestinal, cuyo diámetro es similar al del recto, pero cuya longitud alcanza el doble de la del recto. No creo que reciba un segundo Ig Nobel, pero quién sabe.

El nuevo modelo físico de la defecación explica por qué es más corta con diarrea y más larga con estreñimiento, y podría tener aplicaciones biomédicas, o incluso en el contexto de la industria de la producción de estiércol. El escatológico artículo es Patricia J. Yang, Morgan LaMarca, …, David L. Hu, “Hydrodynamics of defecation,” Soft Matter 13: 4960-4970 (2017), doi: 10.1039/C6SM02795D [PDF gratis]; su artículo sobre la micción es Patricia J. Yang, Jonathan Pham, …, David L. Hua, “Duration of urination does not change with body size,” PNAS 111: 11932–11937 (2014), doi: 10.1073/pnas.1402289111 [PDF gratis].

Dibujo20170802 Cylindrical feces from animals and MRI defecography soft matter doi 10 1039 C6SM02795D

Seguro que estás pensando en las heces de la cabra o de la vaca; lo siento, el artículo se centra en los heces con forma cilíndrica (habrá que esperar a futuros estudios para satisfacer tu curiosidad). Se han analizado vídeos de la defecación de animales en zoológicos. Se ha ajustado mediante una ley de potencias las duraciones estimadas de la defecación con respecto a la masa corporal del animal (figura que abre esta entrada). El valor observado es casi constante (en realidad no lo es tanto, dado que el eje vertical de la gráfica es logarítmico); este resultado se califica de sorpresa por los autores del artículo (aunque como ya se observó en la miccíon por los mismos autores a mí no me lo parece tanto).

Dibujo20170802 feces number pieces longitude diameter soft matter doi 10 1039 C6SM02795D

Se han realizado medidas experimentales de heces de 34 especies de mamíferos: tanto el número de piezas, como su longitud y su diámetro. Los resultados indican que el diámetro corresponde al del recto, pero que su longitud es casi del doble, con lo que el colon está implicado en la defecación. La física de la ruptura fecal, por qué aparecen múltiples piezas, será objeto de futuros investigaciones. La Dra. Yang y sus colegas se han centrado en la física de la primera pieza defecada.

Dibujo20170802 food versus feces soft matter doi 10 1039 C6SM02795D

La relación entre la ingesta de comida y la producción fecal se ha realizado para 14 especies animales. Así se pude estimar la eficacia energética de la alimentación en mamíferos, que se estima en el 10% (el cuerpo almacena el 10% de la energía contenida en los alimentos). Para animales con una masa similar, hay diferencias entre la proporción de la masa fecal relativa a la ingesta que se han relacionado con el contenido de agua de la comida.

Dibujo20170802 rheology of feces viscosities and flow behavior indices soft matter doi 10 1039 C6SM02795D

También se ha realizado un estudio reológico de las heces (en los casos en los que no están demasiado secas para reómetro) y de la mucosa del recto. Se ha observado que el índice de flujo (parte derecha de la figura) es casi constante, lo que indica que las heces logran su forma alargada mediante un adelgazamiento por cizalla. Esta propiedad explica por qué las heces los perros son resbaladizas cuando las pisamos. Pero lo más interesante es la reología de la mucosa que recubre el tracto digestivo es muy similar para todos los mamíferos (parte izquierda de la figura).

Dibujo20170802 rectal pressure soft matter doi 10 1039 C6SM02795D

Se ha estimado el grosor de la capa mucosa en el intestino y se ha observado que el grosor aumenta a medida que se aproxima al recto. El grosor en el recto se encuentra entre 30 y 100 micrómetros, creciendo su valor en función de la masa del animal (parte derecha de la figura). También se ha medido la cantidad de mucosa en las heces (por un método basado en la evaporación del agua que contienen). El espesor del moco parece estar descrito por una ley de potencia universal, según los autores, aunque debo confesar que quienes estudian biomecánica son adictos a estas leyes universales, que pocas veces son tan universales como afirman.

En resumen, quizás buscando un nuevo Ig Nobel, o quizás para confirmar que el anterior fue bien merecido, la Dra. Yang y sus colegas presentan un nuevo modelo hidrodinámico de un proceso fisiológico. El modelo de lubricación desarrollado es muy sencillo, pero viene acompañado por medidas experimentales con cierta dosis de escatología. No sé hasta dónde los resultados obtenidos son tan relevantes como sus autores afirman, pero lo cierto es que la defecación es un proceso fisiológico poco estudiado, pero de gran importancia industrial y biomédica.

3 Comentarios

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KiKi

¡Buenas Francis!

Lo que más me ha llamado la atención del texto, no ha tenido que ver nada con él jejeje, ha sido acordarme que ya hablaste aquí en su día de los IgNobel 2015 (por cierto, no lo has enlazado en el texto, no se si para intentar no mancharte :-P).
Hubiese jurado que en 2014 también hablaste de ello, pero buscando no veo la entrada, así que ahí sí que me ha fallado la memoria.
La cuestión es que haciendo las búsquedas, he vuelto a entrar a tu antiguo blog de wordpress, ¡ de 2013 la última entrada! ¡yo también tuve acostumbrarme a entrar en naukas por tí (y D. Marín), como pasa el tiempo!
En fín, espero que veas que ya llevas años en el tema, que te harás mayor (como todos), pero no sólo, si no junto a tus lectores (y eso ya no lo puede decir tanta gente)…
¡Gracias!

Francisco R. Villatoro

Ki, como bien sabes todos los años me hago eco de los Ig Nobel (a veces una entrada por premio, otras un resumen de todos en una sola). Quizás debo incluir el enlace… Gracias a tí.

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