Новое исследование показывает, что за, казалось бы, забавным «смайликом какашек» на самом деле скрывается глубокий закон физики: большинство животных испражняются вниз, а когда фекалии складываются в круги, расстояние между каждым кругом постепенно становится короче, таким образом естественным образом образуя классическую конусообразную форму катушки с широким дном и узкой вершиной, похожую на «вихрь мягкого мороженого». Исследовательская группа обнаружила, что когда этот процесс «обратный», например, когда некоторые черви выделяют фекалии вверх, те же законы физики создают совершенно другую «башнеобразную» структуру, а это означает, что даже одна из самых юмористических иконок на наших телефонах формируется под действием силы тяжести и механики материалов.
Исследование, проведенное Дэниелом Бонном из Института физики Амстердамского университета и его сотрудниками, проанализировало, почему формы фекалий различаются по своей природе, и нашел ответ на физический закон «эластичной намотки веревки» — математической модели, используемой для описания того, как веревки и другие гибкие материалы скручиваются под воздействием внешних сил и гравитации. Исследования показывают, что ключевыми факторами являются жесткость самого материала и направление силы тяжести относительно направления экструзии, так что физические факторы даже перевешивают биологические и эволюционные факторы при определении формы одного испражнения.
Обычные «смайлики какашек» в повседневной жизни очень похожи на форму типичной кучи какашек в природе: они шире внизу и уже вверху, и все сложено в спиральной форме, очень похоже на мягкое мороженое, выдавленное кружочками, но оно гораздо менее «вкусное». Причина в том, что направление дефекации у большинства животных нисходящее. Когда мягкие фекалии выделяются и накапливаются в кучу, разница высот каждого нового круга постепенно уменьшается, и соответствующий размер катушки также становится меньше. В конечном итоге естественным образом формируется коническая спиральная свая, узкая вверху и широкая внизу.
Но есть исключения. Исследования показали, что некоторые черви, например, черви, испражняются вверх «против силы тяжести». Когда их фекалии скапливаются на поверхности, они образуют структуру, похожую на небольшую башню. Радиус катушки остается практически постоянным по высоте, а не постепенно сужается, как обычная куча навоза. Банг объяснил, что черви демонстрируют особое механическое состояние «антигравитационного выпучивания»: они выдавливают мягкие материалы вверх в направлении, противоположном силе тяжести, а фекальные отливы, которые они образуют, больше не следуют схеме «гравитационного скручивания», характерной для обычных животных, а воплощают в себе поведение выпучивания и складывания мягких твердых тел в условиях антигравитации.
Когда-то это явление сбило с толку даже Чарльза Дарвина, но современные исследования дали более четкое объяснение: поскольку теория скручивания эластичной веревки используется для описания процесса экструзии и свертывания мягких материалов, она может единообразно объяснить различия в морфологии фекалий разных животных. Банг сотрудничал с Мехди Хабиби из Университета и исследовательского центра Вагенингена и Нилом М. Рибе из Французского национального центра научных исследований/Университета Париж-Сакле. Благодаря теоретическому анализу и экспериментальной проверке стало ясно, что при различных сочетаниях силы тяжести и направлений экструзии мягкие материалы естественным образом образуют совершенно разные структуры укладки.
Исследование показало, что жесткость (эластичность) и плотность материала, а также диаметр самих фекалий были ключевыми переменными в определении спиральной структуры. Короче говоря, радиус катушки определяется сочетанием диаметра экскрементов, их эластичности и плотности, которые слегка, но не сильно, меняются в зависимости от диеты, поэтому основное различие между видами заключается в том, «насколько толсты сами экскременты». Например, диаметр экскрементов дождевого червя меньше, образуя более тонкую спираль; наоборот, экскременты более крупного червя Nereis имеют больший диаметр, вследствие чего образуются значительно более крупные клубки и башнеобразные скопления. В этом и заключается основное влияние «биологических факторов», основанных на физических законах.
Интересно, что эти наблюдения не ограничиваются фекалиями. Исследовательская группа отметила, что те же принципы скручивания и коробления применимы и к гороховому тесту, макаронам и другим продуктам, изготовленным методом экструзии. Банг рассказал, что на самом деле большое количество продуктов и материалов, таких как лапша, макароны и конфеты, получают путем экструзии. Спиральные, изогнутые или волнистые формы, которые они приобретают в процессе производства, можно описать с помощью аналогичных физических моделей.
Исследование также намекает на потенциальное применение с инженерной и производственной точки зрения. Банг сказал, что подобные механизмы намотки можно использовать для изготовления таких конструкций, как пружины, чрезвычайно простым способом. Перемещая подложку или регулируя траекторию относительного движения при выдавливании мягкого материала, можно создавать сложные и элегантные узоры и даже структуры с практическими функциями. В предыдущей аналогичной работе исследователи использовали взаимодействие между движущимися подложками и катушками для создания разнообразных микроструктур, которые одновременно красивы и полезны. Это исследование «формы навозной кучи» еще больше обогащает понимание людьми поведения мягких материалов в гравитационном поле.
«Помимо науки», исследовательская группа также планирует вернуть эти результаты в цифровую жизнь. Банг сообщил, что он и его коллеги разрабатывают «смайлики какашек второго поколения» и планируют официально дать рекомендации Альянсу Unicode, который отвечает за унификацию стандартов смайлов. Ожидается, что в будущем пользователи увидят на мобильных телефонах новые смайлы «какашки», которые будут отличаться от существующих изображений. Соответствующие исследовательские работы были опубликованы в академическом журнале Nature Communications и проверены независимыми научными авторами.