تشير دراسة جديدة إلى أن "الرموز التعبيرية للبراز" التي تبدو مضحكة تخفي في الواقع قانونًا عميقًا في الفيزياء: معظم الحيوانات تتغوط للأسفل، وعندما يتم تكديس البراز في دوائر، تصبح مسافة كل دائرة تدريجيًا أقصر، وبالتالي تشكل بشكل طبيعي شكلًا كلاسيكيًا مخروطيًا الشكل مع قاع عريض وقمة ضيقة، على غرار "دوامة الآيس كريم الناعمة الخدمة". ووجد فريق البحث أنه عندما يتم "عكس" هذه العملية، كما هو الحال عندما تفرز بعض الديدان البراز إلى أعلى، فإن قوانين الفيزياء نفسها تنتج بنية "شبيهة بالبرج" مختلفة تمامًا، مما يعني أنه حتى واحدة من أكثر الرموز الفكاهية على هواتفنا تتشكل من خلال مزيج من الجاذبية وميكانيكا المواد.
قامت الدراسة، التي أجراها دانييل بون من معهد الفيزياء بجامعة أمستردام، وزملاؤه بتحليل سبب اختلاف أشكال البراز في الطبيعة وتتبعت الإجابة على القانون الفيزيائي "لف الحبل المرن" - وهو نموذج رياضي يستخدم لوصف كيفية التفاف الحبال والمواد المرنة الأخرى تحت تأثير القوى الخارجية والجاذبية. تظهر الأبحاث أن العوامل الرئيسية هي صلابة المادة نفسها واتجاه الجاذبية بالنسبة لاتجاه النتوء، بحيث تتفوق العوامل الفيزيائية حتى على العوامل البيولوجية والتطورية في تحديد شكل حركة الأمعاء الواحدة.
"الرموز التعبيرية للبراز" الشائعة في الحياة اليومية تشبه إلى حد كبير شكل كومة البراز النموذجية في الطبيعة: فهي أوسع في الأسفل وأضيق في الأعلى، وكلها مكدسة في شكل حلزوني، تمامًا مثل الآيس كريم الناعم المضغوط في دوائر، لكنها أقل "استساغة" بكثير. والسبب هو أن اتجاه التغوط عند معظم الحيوانات يكون نحو الأسفل. عندما يتم إخراج البراز الناعم وتراكمه عاليًا، يقل فرق الارتفاع لكل دائرة جديدة تدريجيًا، ويصبح حجم الملف المقابل أصغر أيضًا. في نهاية المطاف، يتم تشكيل كومة حلزونية مخروطية ضيقة في الأعلى وواسعة في الأسفل بشكل طبيعي.
ولكن هناك استثناءات. أشارت الدراسات إلى أن بعض الديدان، مثل ديدان اللوغو، تتغوط للأعلى "ضد الجاذبية". وعندما يتراكم برازها على السطح، فإنها تشكل هيكلًا يشبه البرج الصغير. يظل نصف قطر الملف ثابتًا بشكل أساسي على طول اتجاه الارتفاع، بدلاً من تشديده تدريجيًا مثل كومة الروث الشائعة. أوضح بانج أن ديدان اللقم تظهر حالة ميكانيكية خاصة من "الانبعاج المضاد للجاذبية": فهي تقذف المواد اللينة إلى أعلى في الاتجاه المعاكس للجاذبية، ولم تعد قوالب البراز التي تشكلها تتبع نمط "اللف الجاذبية" للحيوانات العادية، ولكنها تجسد سلوك التواء وتكديس المواد الصلبة الناعمة في ظل ظروف مضادة للجاذبية.
لقد أربكت هذه الظاهرة حتى تشارلز داروين، لكن الأبحاث الحالية قدمت تفسيرًا أوضح: طالما تم استخدام نظرية لف الحبل المرن لوصف عملية بثق ولف المواد اللينة، فيمكنها تفسير الاختلافات في شكل براز الحيوانات المختلفة بشكل موحد. تعاون بانغ مع مهدي حبيبي من جامعة ومركز أبحاث فاجينينجن ونيل إم ريبي من المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي/جامعة باريس ساكلاي. من خلال التحليل النظري والتحقق التجريبي، كان من الواضح أنه في ظل مجموعات مختلفة من الجاذبية واتجاهات البثق، ستتطور المواد اللينة بشكل طبيعي إلى هياكل تراص مختلفة تمامًا.
ووجدت الدراسة أن صلابة (مرونة) المادة وكثافتها، وكذلك قطر البراز نفسه، كانت متغيرات رئيسية في تحديد البنية الملتفة. باختصار، يتم تحديد نصف قطر الملف من خلال مزيج من قطر البراز ومرونته وكثافته، والتي تختلف قليلاً ولكن ليس كثيرًا مع النظام الغذائي، وبالتالي فإن الفرق الرئيسي بين الأنواع هو "مدى سمك البراز نفسه". على سبيل المثال، قطر براز دودة الأرض المطرية أصغر، مما يشكل ملفًا أرق؛ على العكس من ذلك، فإن براز دودة نيريس الأكبر حجمًا له قطر أكبر، وبالتالي يشكل ملفات أكبر بكثير وتراكمات تشبه البرج. ويعتبر هذا هو التأثير الرئيسي "للعوامل البيولوجية" القائمة على القوانين الفيزيائية.
ومن المثير للاهتمام أن هذه الملاحظات لا تقتصر على البراز. وأشار فريق البحث إلى أن نفس مبادئ اللف والتواء تنطبق أيضًا على عجينة البازلاء والمعكرونة والأطعمة الأخرى المصنوعة من خلال عملية البثق. وقال بانج إنه في الواقع، يتم تشكيل عدد كبير من الأطعمة والمواد عن طريق البثق، مثل المعكرونة المختلفة والمعكرونة والحلويات. يمكن وصف الأشكال الحلزونية أو المنحنية أو المتموجة التي تظهر أثناء عملية الإنتاج بنماذج فيزيائية مماثلة.
ويشير البحث أيضًا إلى التطبيقات المحتملة من منظور الهندسة والتصنيع. وقال بانج إن آليات اللف المماثلة يمكن استخدامها لإعداد هياكل مثل النوابض بطريقة بسيطة للغاية. من خلال تحريك الركيزة أو ضبط مسار الحركة النسبية عندما يتم بثق المادة الناعمة، يمكن إنشاء أنماط معقدة وأنيقة وحتى هياكل ذات وظائف عملية. في الأعمال السابقة ذات الصلة، استخدم الباحثون التفاعل بين الركائز المتحركة والملفات لإنشاء مجموعة متنوعة من الهياكل المجهرية الجميلة والمفيدة. هذه الدراسة لـ "شكل كومة الروث" تزيد من إثراء فهم الناس لسلوك المواد اللينة في مجال الجاذبية.
"ما وراء العلم،" يخطط فريق البحث أيضًا لإعادة هذه النتائج إلى الحياة الرقمية. وكشف بانغ أنه وزملاؤه يصممون "الجيل الثاني من الرموز التعبيرية للبراز" ويخططون لتقديم توصيات رسمية إلى تحالف Unicode، المسؤول عن توحيد معايير الرموز التعبيرية. في المستقبل، من المتوقع أن يرى المستخدمون رموزًا تعبيرية جديدة على الهواتف المحمولة تختلف عن الصور الموجودة. تم نشر الأوراق البحثية ذات الصلة في المجلة الأكاديمية Nature Communications وتم التحقق من صحتها من قبل مؤلفين علميين مستقلين.