چرا مدفوع تقریباً تمام جانوران دنیا مارپیچی است؟ فیزیکدان ایرانی پاسخ میدهد
شکل مدفوع در نگاه اول شاید موضوعی طنزآمیز یا حتی غیرعلمی به نظر برسد، اما پژوهشی تازه نشان میدهد پشت این پدیده ظاهراً ساده، قانون فیزیکی مشترک و قابلتوضیحی وجود دارد که در گونههای مختلف جانوری ازجمله انسان دیده میشود.
چارلز داروین، دانشمند مشهور نظریه تکامل، در سالهای پایانی عمر خود توجه ویژهای به کرمهای خاکی داشت و حتی بهطور دقیق نحوه شکلگیری فضولات آنها را توصیف کرد. او مشاهده کرده بود که مدفوع کرمها به شکل برجهایی مارپیچی روی سطح خاک ظاهر میشود و نقش مهمی در شکلدهی خاک دارد.
داروین در یکی از نامههای خود در سال ۱۸۸۰ نوشته بود که «تمام ذهنش درگیر کرمها است» و در اثر پایانیاش نیز تأکید کرد که این موجودات ساده، تأثیر عمیقی بر تاریخ زمین و تشکیل خاک حاصلخیز دارند. بیش از یک قرن بعد، گروهی از فیزیکدانان به نامهای مهدی حبیبی، نیل ریبه و دانیل بُن از دانشگاههای هلند و فرانسه تلاش کردند شکل مدفوع را از دید فیزیک توضیح دهند.
به گزارش ساینسآلرت، پژوهشگران نشان دادند که شکل مارپیچی مدفوع در بسیاری از حیوانات نتیجه برهمکنش چند عامل فیزیکی ازجمله فشارهای عضلانی روده، قطر و ساختار مجاری داخلی بدن، ارتفاعی که مواد هنگام خروج طی میکنند و همچنین میزان چسبندگی یا ویسکوزیته ماده دفعی است. به گفته آنها، مواد نرم هنگام خروج مانند طناب انعطافپذیر رفتار میکنند و تحت تأثیر قوانین «پیچش طنابهای الاستیک» به شکل مارپیچ درمیآیند.
نکته مهم این است که گرانش نقش تعیینکنندهای در شکل نهایی دارد. در بیشتر حیوانات، مدفوع در حال سقوط آزاد و رو به پایین شکل میگیرد و به همین دلیل فرم مخروطی و مارپیچی باریک در انتها ایجاد میشود؛ الگویی که حتی در ایموجی معروف 💩 دیده میشود.
- چرا نگهداشتن مدفوع میتواند خطرناک باشد؟27 اردیبهشت 01مطالعه '3
- اضطراب دفع مدفوع: وقتی رفتن به دستشویی در خارج از خانه استرسزا میشود28 آذر 04مطالعه '4
اما در تمام موجودات مدفوع به این شکل دفع نمیشود. برخی گونهها حالت متفاوتی دارند که پژوهشگران آن را «مدفوع ضدگرانش» نامیدهاند. در این حالت، ماده دفعی به جای سقوط، به سمت بالا یا در سطح زمین شکل میگیرد و همین موضوع باعث ایجاد ساختارهای کاملاً متفاوت میشود.
یکی از نمونههای جالب، کرمهای دریایی گونه آرنیکولا مارینا (Arenicola marina) هستند که در تونلهای U شکل زیر ماسه زندگی میکنند. این کرمها هنگام جزر، انتهای بدن خود را به سمت سطح میآورند و فضولات را به بیرون هدایت میکنند. درنتیجه، مدفوع آنها برخلاف بسیاری از جانوران دیگر، به سمت بالا تشکیل میشود و هرچند ساختاری مارپیچی و پایدار دارد، برخلاف شکل معمول، نوک باریک و مخروطی پیدا نمیکند. این ساختار حتی در برابر نیروهای جزر و مد و جابهجایی ماسه نیز مقاومت و به حفظ باز بودن دهانه تونل کمک میکند.
الگوهای مارپیچی در مدفوع بسیاری از حیوانات، از جمله انسان، از قوانین فیزیکی مشترکی مانند جریان مواد نرم و نظریه پیچش طنابهای الاستیک پیروی میکنند
برای بررسی دقیقتر پدیده، پژوهشگران علاوه بر نمونههای طبیعی، آزمایشهایی با مواد مشابه مانند خمیر نخود، برنج و حتی اسپاگتی انجام دادند تا رفتار مواد نرم تحت فشار و خروج از مجراهای باریک را شبیهسازی کنند. نتایج نشان داد صرفنظر از منبع زیستی، بسیاری از مواد نرم در شرایط مشابه، الگوهای مارپیچی مشابهی تولید میکنند.
یافتهها گرچه در ظاهر عجیب یا حتی سرگرمکننده به نظر میرسند، پیامدهای علمی مهمی دارند. درک رفتار مواد نرم در جریانهای محدود میتواند به حوزههایی مانند زیستفیزیک، مهندسی مواد نرم، پزشکی و حتی مطالعه عملکرد دستگاه گوارش کمک کند. به بیان دیگر، این پژوهش نشان میدهد که حتی پدیدههایی که در نگاه اول ساده یا روزمره به نظر میرسند، میتوانند بازتابی از قوانین بنیادی فیزیک باشند.
پژوهش در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.