Een nieuwe studie wijst erop dat de ogenschijnlijk grappige ‘poep-emoji’ eigenlijk een diepe natuurkundige wet verbergt: de meeste dieren poepen naar beneden, en wanneer de kak in cirkels wordt gestapeld, wordt de afstand van elke cirkel geleidelijk korter, waardoor op natuurlijke wijze een klassieke kegelvormige spiraalvorm ontstaat met een brede bodem en een smalle bovenkant, vergelijkbaar met een ‘softijsvortex’. Het onderzoeksteam ontdekte dat wanneer dit proces wordt ‘omgedraaid’, zoals wanneer bepaalde wormen uitwerpselen naar boven uitscheiden, dezelfde natuurkundige wetten een compleet andere ‘torenachtige’ structuur produceren, wat betekent dat zelfs een van de meest humoristische iconen op onze telefoons wordt gevormd door een combinatie van zwaartekracht en materiële mechanica.
De studie, geleid door Daniel Bonn van het Instituut voor Natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam, en zijn medewerkers analyseerden waarom de vormen van de kak van nature variëren en traceerden het antwoord op de natuurkundige wet van het ‘oprollen van elastisch touw’ – een wiskundig model dat wordt gebruikt om te beschrijven hoe touwen en andere flexibele materialen oprollen onder invloed van externe krachten en zwaartekracht. Onderzoek toont aan dat de belangrijkste factoren de stijfheid van het materiaal zelf zijn en de richting van de zwaartekracht ten opzichte van de richting van extrusie, zodat fysieke factoren zelfs zwaarder wegen dan biologische en evolutionaire factoren bij het bepalen van de vorm van een enkele stoelgang.
De veel voorkomende ‘poep-emoji’ in het dagelijks leven lijkt sterk op de vorm van een typisch poephoopje in de natuur: hij is breder aan de onderkant en smaller aan de bovenkant, en het geheel is spiraalvormig gestapeld, net zoals softijs dat in cirkels wordt uitgeperst, maar het is veel minder ‘smakelijk’. De reden is dat de ontlastingsrichting van de meeste dieren naar beneden is. Wanneer de zachte ontlasting wordt uitgescheiden en hoog wordt opgestapeld, neemt het hoogteverschil van elke nieuwe cirkel geleidelijk af, en wordt de overeenkomstige spoelgrootte ook kleiner. Uiteindelijk ontstaat er op natuurlijke wijze een conische spiraalvormige pool die bovenaan smal en onderaan breed is.
Maar er zijn uitzonderingen. Studies hebben uitgewezen dat sommige wormen, zoals zeepieren, naar boven poepen "tegen de zwaartekracht in". Wanneer hun uitwerpselen zich ophopen op het oppervlak, vormen ze een structuur die lijkt op een kleine toren. De straal van de spoel blijft in principe constant in de hoogterichting, in plaats van geleidelijk aan te spannen zoals bij een gewone mesthoop. Bang legde uit dat zeepieren een speciale mechanische staat van ‘anti-zwaartekracht-knikken’ vertonen: ze extruderen zachte materialen naar boven in de richting tegengesteld aan de zwaartekracht, en de fecale afgietsels die ze vormen volgen niet langer het ‘zwaartekracht-oprollen’-patroon van gewone dieren, maar belichamen het knik- en stapelgedrag van zachte vaste stoffen onder anti-zwaartekrachtomstandigheden.
Dit fenomeen bracht ooit zelfs Charles Darwin in verwarring, maar huidig onderzoek heeft een duidelijkere verklaring gegeven: zolang de theorie van het oprollen van elastische kabels wordt gebruikt om het extrusie- en oprolproces van zachte materialen te beschrijven, kan deze op uniforme wijze de verschillen in de morfologie van verschillende dierlijke uitwerpselen verklaren. Bang werkte samen met Mehdi Habibi van de Wageningen Universiteit en Onderzoekscentrum en Neil M. Ribe van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek/Universiteit Parijs-Saclay. Door theoretische analyse en experimentele verificatie werd het duidelijk dat zachte materialen onder verschillende combinaties van zwaartekracht en extrusierichtingen op natuurlijke wijze totaal verschillende stapelstructuren zullen ontwikkelen.
Uit het onderzoek bleek dat de stijfheid (elasticiteit) en dichtheid van het materiaal, evenals de diameter van de ontlasting zelf, sleutelvariabelen waren bij het bepalen van de opgerolde structuur. Kortom, de straal van de spoel wordt bepaald door een combinatie van de diameter van de uitwerpselen en de elasticiteit en dichtheid ervan, die enigszins maar niet veel variëren afhankelijk van het dieet. Het belangrijkste verschil tussen soorten is dus "hoe dik de uitwerpselen zelf zijn." De diameter van de uitwerpselen van de regenworm is bijvoorbeeld kleiner, waardoor een dunnere spoel ontstaat; integendeel, de uitwerpselen van de grotere Nereis-worm hebben een grotere diameter, waardoor aanzienlijk grotere spoelen en torenachtige ophopingen worden gevormd. Dit wordt beschouwd als de belangrijkste invloed van "biologische factoren" op basis van natuurwetten.
Interessant genoeg zijn deze waarnemingen niet beperkt tot ontlasting. Het onderzoeksteam wees erop dat dezelfde oprol- en knikprincipes ook van toepassing zijn op erwtendeeg, pasta en ander voedsel dat via het extrusieproces is gemaakt. Bang zei dat in werkelijkheid een groot aantal voedingsmiddelen en materialen worden gevormd door extrusie, zoals verschillende noedels, pasta en snoep. De spiraalvormige, gebogen of golvende vormen die ze tijdens het productieproces vertonen, kunnen allemaal worden beschreven door vergelijkbare fysieke modellen.
Het onderzoek wijst ook op mogelijke toepassingen vanuit een technisch en productieperspectief. Bang zei dat vergelijkbare oprolmechanismen kunnen worden gebruikt om structuren zoals veren op een uiterst eenvoudige manier voor te bereiden. Door het substraat te verplaatsen of het relatieve bewegingstraject aan te passen wanneer het zachte materiaal wordt geëxtrudeerd, kunnen complexe en elegante patronen en zelfs structuren met praktische functies worden gegenereerd. In eerder gerelateerd werk hebben onderzoekers de interactie tussen bewegende substraten en spoelen gebruikt om een verscheidenheid aan microstructuren te creëren die zowel mooi als nuttig zijn. Deze studie van de "mesthoopvorm" verrijkt het begrip van mensen over het gedrag van zachte materialen in een zwaartekrachtveld verder.
"Naast de wetenschap" is het onderzoeksteam ook van plan deze bevindingen weer in het digitale leven te brengen. Bang onthulde dat hij en zijn collega's een "poep-emoji van de tweede generatie" ontwerpen en van plan zijn formeel aanbevelingen te doen aan de Unicode Alliance, die verantwoordelijk is voor het verenigen van emoji-standaarden. In de toekomst wordt van gebruikers verwacht dat ze nieuwe "kak"-emoticons op mobiele telefoons zien die verschillen van bestaande afbeeldingen. Relevante onderzoeksartikelen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications en op feiten gecontroleerd door onafhankelijke wetenschappelijke auteurs.