L’emoji della cacca sembra proprio una cacca. Lapalissiano, dirà qualcuno. Ma vi siete mai chiesti perché i nostri scarti biologici hanno quella forma a cono spiraleggiante? D’altra parte, non tutti gli animali la fanno così. Che ci crediate o no, la morfologia degli escrementi è un fenomeno che affascina i naturalisti (e non solo) da molto tempo, e oggi un team di fisici ne ha finalmente svelato alcuni segreti.Anche Darwin studiava la caccaUno dei primi a mostrare un reale e profondo interesse per la geometria delle feci nel regno animale fu nientemeno che Charles Darwin, che, come documenta anche nel suo saggio del 1881 intitolato "The formation of vegetable mould through the action of worms, with observations on their habits" , rimase particolarmente affascinato dagli escrementi di alcuni vermi. A differenza delle cacche di molti mammiferi, quella di questi vermi forma delle spirali uniformi che vanno a definire una torre e non un mucchio conico. Nonostante si fosse interrogato a lungo su queste differenze, Darwin non riuscì mai a comprendere il motivo di tanta regolarità geometrica. E come avrebbe potuto? Come spiegano i fisici Mehdi Habibi dell'Università di Wageningen, Neil M. Ribe dell'Università Paris-Saclay, e Daniel Bonn dell'Università di Amsterdam sulle pagine di Nature Communications, al povero Charles mancavano gli strumenti della fisica moderna per spiegare il fenomeno, in particolare le leggi della teoria dell’avvolgimento delle corde elastiche, un modello matematico che descrive come materiali filamentosi si arrotolano su una superficie.A cono o a torre? È questione di fisicaNel loro studio, gli esperti spiegano che le diverse forme degli escrementi sono il risultato di instabilità meccaniche passive che si verificano quando un materiale elastico e morbido viene espulso attraverso un'apertura. Il fattore dirimente per la forma della pila di escrementi sarebbe la forza di gravità. Per gli animali che defecano verso il basso, seguendo quindi la direzione della gravità, le feci si accumulano a terra formando delle spire il cui raggio diminuisce con la distanza di caduta. Quindi ogni spira successiva sarà più piccola della precedente ed è questo restringimento continuo a creare la caratteristica forma a cono del cumulo - la stessa geometria iconica dell’emoji della cacca. Alcuni vermi, però, sfidano la gravità. Arenicola marina, per esempio, vive in tunnel a forma di U scavati nella sabbia delle zone costiere, e ha l’ardire di espellere i suoi scarti verso l’alto, spingendoli fuori dalla sua tana contro la forza di gravità. In questo scenario “antigravitazionale”, scrivono gli esperti, non esiste una distanza di caduta che diminuisce, perché il materiale emerge dal basso appoggiandosi alla superficie. Le spire, dunque, mantengono lo stesso raggio indipendentemente dall’altezza del cumulo di scarti, evitando anche il collasso e l’ostruzione del tunnel del verme.La formula della spirale “perfetta”Quelle dei ricercatori non sono semplici speculazioni. Per convalidare la loro teoria hanno analizzato le proprietà reologiche del materiale fecale delle arenicole, ossia come questo scorre e si deforma sotto sforzo. Hanno misurato la sua rigidezza in quanto solido elastico (modulo di Young), l’energia elastica che può immagazzinare (modulo di conservazione) e l’energia dissipata sotto forma di calore a causa della viscosità (modulo di perdita), concludendo che la forma finale degli escrementi dipende quasi esclusivamente dalla rigidezza e, appunto, dalla direzione della gravità rispetto a quella di espulsione. Il raggio (R) della spira, che in questo regime rimane costante, è determinato da un equilibrio tra le forze elastiche interne e la gravità, rendendo la geometria finale prevedibile attraverso una formula matematica precisa: R≈(d2E/ρg)0,31±0,03 , dove d è il diametro della “corda” fecale estrusa, E è la rigidezza, ρ è la densità del materiale e g è l’accelerazione di gravità. Per gli animali che defecano verso il basso, invece, si entra in un regime definito elastico o cinematico e il raggio della spira diventa proporzionale all’altezza di caduta.Pasta di piselli e spaghettiI ricercatori hanno testato i loro modelli matematici utilizzando materiali anche molto diversi tra loro, dalla schiuma da barba agli spaghetti cotti. Hanno persino creato un analogo sintetico delle feci del verme usando una pasta di piselli con le stesse proprietà fisiche. Gli esperimenti condotti espellendo questa pasta sia verso l'alto che verso il basso hanno confermato che la direzione di evacuazione porta sempre alle forme previste dalla teoria: coni appuntiti verso il basso e cilindri uniformi verso l'alto. Anche variando la velocità di espulsione, il raggio delle spire rimaneva coerente, confermando che è la meccanica passiva, e non il controllo muscolare attivo dell'animale, a dettare la geometria finale.Non solo caccaRisolvere l’enigma della geometria della cacca è ben più di essersi tolti una semplice curiosità: è la prova di come anche negli aspetti più umili della natura si nascondano leggi fisiche universali. Gli escrementi si sono rivelati un laboratorio ideale per studiare le instabilità della materia che si verificano anche in altri processi biologici, come la crescita di alcune piante o la secrezione di sostanze morbide che vengono rilasciate senza tensioni attive. Comprendere come gli organismi sfruttino i principi della fisica per creare strutture funzionali, inoltre, apre nuove strade nella biomeccanica e nella biologia evolutiva.