La chimica e la fisica della puzzetta

Per quanto in molti preferiscano nascondere questo loro lato più interno, il fare puzzette è nella nostra natura. Tutti e proprio tutti, anche Miss Italia (che vorrebbe esser nata nel 42, tanto non sarebbe andata in guerra) siamo costretti ad evacuare i gas intestinali! Se così non fosse nel giro di meno un giorno esploderemmo su noi stessi.

Se il coinquilino, la vostra vicina, la strafiga collega di corso e tutti gli altri, neanche oggi sono deflagrati è perché anche loro fanno puzzette!

Considerando che in media una persona produce 1 litro di gas intestinale, ognuno di noi, è un piccolo campione nella puzzetta.

Dopo quest’amara costatazione, continuiamo.

Partiamo dalle origini. In termini aulici si preferisce definire fare puzzette con la parola flatulenza. L’origine della parola è latina e potrebbe essere considerata come l’unione di flato (soffio) e ulentus (in maniera abbondante). Billy, non ti permetto di dire che gli antichi romani fossero rozzi, nota infatti, quanta eleganza per parlare di qualcosa di così intrinsecamente disgustoso.

Ma perché facciamo le puzzette?

Ogni individuo possiede lungo tutto il proprio tratto digerente la cosiddetta flora intestinale. Un insieme unico nel suo genere che può contenere al suo interno fino a 1000 specie diverse tra batteri, lieviti e qualche specie di virus. Tra i batteri il più conosciuto, lo avrai sentito sicuramente, è l’escherichia-coli.

Questo mix di vita unicellulare compie un ruolo fondamentale poiché tende a smaltire tutte le sostanze che il tratto intestinale non è riuscito ad assimilare, come ad esempio la cartilagine e la cellulosa. Inoltre è utile per la produzione di alcune vitamine come ad esempio quella K.

La flora batterica è talmente unica in ogni individuo che si potrebbe partire dalle feci di ognuno, per risalire all’individuo a cui appartengono.

La maggior parte dei batteri all’interno del corpo è anaerobica, cioè vive e svolge la totalità delle funzioni vitali in assenza di ossigeno. Questi batteri scompongono le sostanze indigerite arrivando a terminare le varie reazioni con prodotti di scarto.

Ad esempio partendo da due aminoacidi, unità fondamentali delle proteine, come la metionina e la cisternina (immagine a destra) si arriva ad avere composti solforati, proprio perché tre gli elementi di scarto esiste una parte di zolfo (S). Solitamente sono queste, le sostanze, a generale l’odore nauseabondo delle puzzette.   Un altro elemento prodotto è il metano (CH₄) dovuto dalla scomposizione di tutti gli elementi organici che contengono il carbonio. Il metano è la sostanza, insieme con l’idrogeno, che permette di attuare il gesto goliardico di porre una fiamma davanti il proprio sfintere e di notare una vigorosa fiammata durante l’espulsione del gas.

Senza prolungarci in un elenco farraginoso delle sostanze che compongono le puzzette, ecco un grafico a torta che può dartene un’idea! L’85% in media di ogni sistema gassoso pestilenziale è composto non altro da aria ingerita per mezzo della deglutizione. Tutto il resto come già detto sono le sostanze prodotte dalle reazioni svolte dalla flora batterica.

Essenzialmente è una piccola grande ruota. Tu fai le puzzette perché i batteri nel tuo intestino fanno puzzette (per mezzo di alcuni processi come la fermentazione) per digerire ciò che tu non hai digerito. Curioso no?

Queste informazioni sono state ottenute perché anche ogni più piccolo angolo recondito della natura può essere sottoposto alla grande lente della scienza! Il tutto è stato svolto per mezzo della cromatografia a gas. E’ una tecnica molto utilizzata in generale in tutta la chimica per lo studio della composizione di un sistema. Banalizzando un po’ tutto, il gas viene costretto a passare attraverso una colonna riempita con del materiale solido, non compatto (un insieme di palline accatastate). Misurando il tempo in cui tutto il gas arriva all’estremità del cilindro (eluizione completa) e conoscendo le varie interazioni che le molecole gassose potrebbero avere con le sferette solide si ricava cosi la composizione del gas.

Conoscendo ora la composizione, possiamo effettivamente valutare cosa avviene quando sprezzanti del pericolo decidi di incendiare una nostra puzzetta. Le reazioni durante la combustione sono essenzialmente:

H₂ + ½O₂ → H₂O

      CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

La prima reazione produce un calore di combustione di 598598 cal/g, mentre la seconda 233107 cal/g. Ragionando spannometricamente si ipotizzi che il 20% del gas totale sia idrogeno mentre il metano sia solamente il 2%! Inoltre facciamo in modo di credere che il tutto  venga eliminato con 10 puzzette giornaliere e che tutte siano composte dallo stesso volume di gas pari a 0,00015 m³.

Svolgendo pochi calcoli si arriva a definire come la parte combustibile del nostro gas, sia formata da 0.0027g di idrogeno e di 0.0018 g di metano. Per cui la combustione produrrà un calore poco maggiore di 2000 calorie; più o meno la stessa quantità di calore prodotta bruciando circa 26 grammi di legna!

Ma siamo fisici, anche se senza palestra, pur sempre fisici; per cui dopo questa carrellata sulla chimica come non impostare qualche equazione per modellizzare il fenomeno?

Credo non smentirai il fatto Billy che il sistema di riferimento non possa che essere considerato chiuso, finché perlomeno tu non apra i boccaporti! A questo punto azzardando in maniera estrema; ipotizziamo che il gas abbia comportamento ideale, cioè che segua la legge:

Il prodotto tra pressione e volume (PV) è posto uguale al prodotto tra una constante R, la temperatura T e la quantità di materia n.

A questo punto avendo già ipotizzato il volume, ponendo la temperatura a 36 °C (quella interna al corpo), possiamo ricavare la pressione interna per ogni puzzetta. In realtà la pressione che si otterrà andrà successivamente sommata a quella a cui si trovava in partenza l’intestino, che sarà pari alla pressione esterna al corpo: 1 atmosfera (*atm).

Considerando un valore ragionevole di n pari a 0,01, sostituendo i restanti valori si ottiene una pressione pari a 1,7 atm, che farà sì che la pressione totale e finale all’interno dell’intestino sia quindi 2,7 atm.

*Nota: atm sta per atmosfere, una delle unità di misura della pressione.

A questo punto andiamo a considerare cosa avviene nell’atto vero e proprio della flatulenza. Il gas all’interno del tuo intestino Billy, tenderà a fluire verso l’esterno dove la pressione risulta, per quanto detto finora, minore. Considerando che “l’espulsione” del gas avverrà in un tempo irrisorio, è plausibile ipotizzare che durante il processo il gas non abbia il tempo di scambiare calore. In termini difficili e nerd lo potremmo chiamare flusso adiabatico.

Ciò ci porta a riuscire ad impostare un’ulteriore equazione:

Prima di parlare della formula scritta poco sopra, cerchiamo di capire il fenomeno fisico.

Hai presente Billy quanto sia fastidioso le mattine d’inverno utilizzare il deodorante spray?Un terribile flusso freddo va   ad intorpidire le tue ascelle.

Il fenomeno è lo stesso: un gas che passando con gran velocità da una pressione maggiore, quella interna alla bomboletta o all’intestino, ad una pressione minore, quella atmosferica, farà sì che la temperatura del gas tenderà ad abbassarsi.

La formula esprime ciò. La temperatura finale del gas sarà data dal prodotto della temperatura interna all’intestino (T₁) e la radice k-esima (dove k è una costante tipica di ogni gas) del rapporto tra la pressione esterna e quella interna all’intestino.  Svolgendo i calcoli in maniera spannometrica si ottiene che la temperatura del gas subito dopo espulso sarà di circa 35,5°C. Quindi il passaggio da 2,7 a 1 atm, con conseguente espansione nel volume, ha comportato l’abbassamento della temperatura di un mezzo di grado.

Billy non temere l’articolo non è ancora finito e prima di terminare andremo a descrivere come sia possibile, in alcuni casi, produrre una fantastica melodia!

I grandi libri di istologia sapranno dirti di più, ma per quanto interessa noi, è sufficiente sapere che parte dell’intestino è formato dalla cosiddetta tonaca muscolare che è ricca di un componente chiamato elastina. L’elastina ha un’elevata estensibilità per piccole sollecitazioni. Ciò porta a far sì che lo sfintere durante ogni puzzetta abbia un andamento molto simile al moto armonico (per intenderci quello della molla, a cui è attaccato un peso, lasciata libera di oscillare).

Nell’istante poco prima della grande sinfonia tutta la parete muscolare si trova estesa; per cui per mezzo dell’elastina produce una forza che tende a contrastare la pressione data dal gas. Appena il gas inizierà ad uscire tutta l’energia immagazzinata dall’elestina tenderà a diminuire, per mezzo della contrazione cercherà di raggiungere una posizione in cui il suo allungamento è pari a zero; seguendo in pratica la legge di una molla (legge di Hooke):

La formulazione rappresenta la forza che le pareti dell’intestino e dello sfintere imprimeranno all’aria a causa dell’allungamento che il gas avrà imposto inizialmente.

Quando l’allungamento sarà pari a zero anche la forza sarà pari a zero.

Durante l'atto della puzzetta, la pressione che via via sta diminuendo a causa dell’efflusso del gas verso l’esterno non sarà pero contrastata da nessuna forza, poichè una volta che lo sfintere contraendosi avrà raggiunto la posizione in cui ha allungamento nullo, la forza che l'elastina imprime è nulla. A questo punto la pressione residua tenderà a far ri-espandere nuovamente la membrana, nascerà nuovamente una forza che farà tendere il sistema nuovamente alla contrazione.  Questo processo sarà reiterato per un determinato tempo. Ciò produrrà una vibrazione che darà vita ad un suono.

Billy in realtà misurando il numero di oscillazioni (espansione seguita da ritiro) in un secondo otterresti la frequenza del moto. Da questa potresti ricavare la melodiosa nota che stai producendo, ma... sei sicuro di volerlo fare? E se poi te ne penti?

Spero di non averti indotto Billy una curiosità tale da spingerti alla coprofagia. Al termine di quest’articolo di merd…. Ti lascio con una perla di saggezza latina:

Defecatio matutina bona tamquam medicina. 
Defecatio meridiana neque bona neque sana.
Defecatio vespertina ducit hominem ad ruinam.

Copertina presa da stuffpoint.com.