新しい研究によると、一見面白い「うんちの絵文字」には、実は深い物理法則が隠されているという。ほとんどの動物は下向きに排便し、うんちが円を描くように積み重なると、それぞれの円の距離が徐々に短くなり、自然に「ソフトクリームの渦」に似た、底が広くて上が狭い古典的な円錐形のコイル形状が形成される。研究チームは、特定の虫が糞便を上向きに排泄する場合など、このプロセスが「逆転」すると、同じ物理法則によってまったく異なる「塔のような」構造が生成されることを発見した。これは、私たちの携帯電話にある最もユーモラスなアイコンの一つでさえ、重力と材料力学の組み合わせによって形作られていることを意味する。

アムステルダム大学物理学研究所のダニエル・ボン氏とその共同研究者が主導したこの研究は、うんちの形状が自然に異なる理由を分析し、「弾性ロープの巻き付き」という物理法則への答えを追跡した。これは、ロープやその他の柔軟な素材が外力や重力の影響下でどのように巻き付くかを説明するために使用される数学的モデルである。研究によると、重要な要素は材料自体の剛性と、押し出し方向に対する重力の方向であるため、単一の排便の形状を決定する際には、物理​​的要素が生物学的要素や進化的要素よりも重要であることがわかっています。

日常生活で一般的な「うんち絵文字」は、自然界の典型的なうんちの山の形状に非常によく似ています。底部が広く、上部が狭く、全体がらせん状に積み重ねられており、丸く絞り出したソフトクリームのように見えますが、「口当たり」ははるかに劣っています。その理由は、ほとんどの動物の排便の方向が下向きであるためです。軟便が排泄されて高く積もると、新しい円の高低差は徐々に減少し、それに対応するコイルのサイズも小さくなります。最終的には、上部が狭く、下部が広い円​​錐形の螺旋状の杭が自然に形成されます。

ただし例外もあります。ゴカイなどの一部の虫は「重力に逆らって」上向きに排便することが研究で指摘されています。糞が表面に蓄積すると、小さな塔のような構造物が形成されます。コイルの半径は、一般的な糞の山のように徐々に締め付けられるのではなく、高さ方向に沿って基本的に一定のままです。バング教授は、ゴカイは「反重力座屈」という特殊な機械的状態を示すと説明した。つまり、ゴカイは重力と反対の方向に柔らかい物質を上方に押し出し、彼らが形成する糞塊はもはや普通の動物の「重力コイル巻き」パターンには従わず、反重力条件下での柔らかい固体の座屈と積み重ねの挙動を体現している。

この現象はかつてチャールズ ダーウィンさえ混乱させましたが、現在の研究ではより明確な説明が得られています。弾性ロープ巻き理論が柔らかい材料の押し出しと巻き取りプロセスを説明するために使用されている限り、異なる動物の糞便の形態の違いを均一に説明できます。 Bang 氏は、ヴァーヘニンゲン大学および研究センターの Mehdi Habibi およびフランス国立科学研究センター/パリ サクレー大学の Neil M. Ribe と共同研究しました。理論分析と実験検証を通じて、重力と押出方向のさまざまな組み合わせの下では、軟質材料は自然にまったく異なる積層構造を進化させることが明らかになりました。

この研究では、材料の硬さ（弾性）と密度、および糞便自体の直径が、コイル状の構造を決定する際の重要な変数であることがわかりました。つまり、とぐろの半径は排泄物の直径とその弾力性と密度の組み合わせによって決まり、それらは食事によってわずかに変化しますが、大きくは変化しないため、種間の主な違いは「排泄物自体の太さ」です。たとえば、雨ミミズの排泄物の直径は小さく、細いコイルを形成します。逆に、より大型のネレイス虫の排泄物は直径が大きいため、非常に大きなコイルと塔状の蓄積物が形成されます。これは物理法則に基づく「生物学的要因」が主に影響していると考えられています。

興味深いことに、これらの観察は糞便に限定されません。研究チームは、同じコイル巻きと座屈の原理がエンドウ豆の生地、パスタ、および押出成形プロセスで作られるその他の食品にも当てはまると指摘しました。実際には、さまざまな麺類、パスタ、キャンディーなど、多くの食品や材料が押出成形によって形成されているとバン氏は述べました。製造プロセス中に示される螺旋、湾曲、波状の形状はすべて、同様の物理モデルで説明できます。

この研究は、エンジニアリングおよび製造の観点からの潜在的な応用も示唆しています。 Bang 氏は、同様のコイル巻き機構を使用して、非常に簡単な方法でバネなどの構造を準備できると述べました。柔らかい材料を押し出すときに基板を移動したり、相対運動軌道を調整したりすることで、複雑でエレガントなパターンや、実用的な機能を備えた構造さえも生成できます。これまでの関連研究では、研究者らは移動する基板とコイルの間の相互作用を利用して、美しく有用なさまざまな微細構造を作成してきました。 「糞山の形状」に関するこの研究は、重力場における軟質材料の挙動についての人々の理解をさらに深めます。

研究チームは「科学を超えて」、これらの発見をデジタルライフに持ち帰ることも計画している。 Bang氏は、同僚らとともに「第2世代うんこ絵文字」をデザインしており、絵文字標準の統一を担当するUnicode Allianceに正式に勧告する予定であることを明らかにした。将来的には、既存のイメージとは異なる新しい「うんこ」の絵文字が携帯電話上で表示されることが予想されます。関連する研究論文は学術雑誌「Nature Communications」に掲載され、独立した科学著者によって事実確認されています。