Forschungen der Universität Michigan zeigen, wie der Wasserfluss innerhalb der Muskelfasern die Geschwindigkeit der Muskelkontraktion beeinflusst. Fast alle Organismen nutzen Muskeln zur Fortbewegung, und es ist bekannt, dass Muskeln, wie alle anderen Zellen, etwa 70 % Wasser enthalten. Wissenschaftler wissen jedoch immer noch nicht, was die Leistungsgrenzen der Muskeln festlegt. Frühere Forschungen konzentrierten sich auf die molekulare Ebene der Muskeln und vernachlässigten dabei die Tatsache, dass Muskelfasern dreidimensional und voller Flüssigkeit sind.

Der Physiker Suraj Shankar von der Universität Michigan und L. Mahadevan, Professor für Physik an der Harvard-Universität, entwickelten ein theoretisches Modell, das die Rolle von Wasser bei der Muskelkontraktion zeigt. Sie fanden heraus, dass die Art und Weise, wie sich die Flüssigkeit durch die Muskelfaser bewegt, die Geschwindigkeit der Kontraktion bestimmt.

Sie entdeckten auch eine neue Art der Elastizität, die als eigentümliche Elastizität bezeichnet wird und es den Muskeln ermöglicht, Kraft durch dreidimensionale Verformungen zu erzeugen. Dieses Phänomen ist sichtbar, wenn sich die Muskelfaser längs kontrahiert, was auch zu einem seitlichen Ausbeulen führt.

Dieses Rahmenwerk kann auf viele andere Zellen und Gewebe angewendet werden, die ebenfalls größtenteils aus Wasser bestehen, und kann auf ultra-schnelle Bewegungen einzelliger Mikroorganismen angewendet werden. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Physics, könnten das Design weicher Aktuatoren, schneller künstlicher Muskeln und formverändernder Materialien beeinflussen, die derzeit langsame Kontraktionsgeschwindigkeiten haben, weil sie von außen aktiviert werden.

Wissenschaftler visualisieren jede Muskelfaser als einen aktiven Schwamm, der sich selbst zusammendrückt, ein schwammartiges Material voller Wasser, das sich mithilfe molekularer Motoren kontrahieren und zusammendrücken kann.

"Muskelfasern bestehen aus vielen Komponenten, wie Proteinen, Zellkernen, Organellen wie Mitochondrien und molekularen Motoren wie Myosin, die chemischen Brennstoff in Bewegung umwandeln und die Muskelkontraktion antreiben", sagte Shankar. "All diese Komponenten bilden ein poröses Netzwerk, das von Wasser umgeben ist. Daher ist es angemessen, Muskeln als aktive Schwämme zu beschreiben."

Der Quetschprozess erfordert Zeit, um Wasser zu bewegen, daher vermuteten die Forscher, dass diese Wasserbewegung durch die Muskelfaser die obere Grenze der Zuckgeschwindigkeit der Muskelfaser festlegt.

Um ihre Theorie zu testen, modellierten sie Muskelbewegungen bei verschiedenen Organismen, darunter Säugetiere, Insekten, Vögel, Fische und Reptilien, und konzentrierten sich dabei auf Tiere, die Muskeln für schnelle Bewegungen nutzen. Sie stellten fest, dass Muskeln, die Geräusche erzeugen, wie das Rasseln im Schwanz einer Klapperschlange, nicht vom Flüssigkeitsfluss abhängen. Stattdessen werden diese Kontraktionen vom Nervensystem kontrolliert und sind mehr von molekularen Eigenschaften bestimmt.

Bei kleineren Organismen, wie fliegenden Insekten, die ihre Flügel mehrere hundert bis tausend Mal pro Sekunde schlagen, sind diese Kontraktionen zu schnell, um direkt von Neuronen kontrolliert zu werden. Hier sind Flüssigkeitsflüsse wichtiger.

"In diesen Fällen haben wir festgestellt, dass Flüssigkeitsflüsse innerhalb der Muskelfaser wichtig sind und dass unser aktiver Hydraulikmechanismus wahrscheinlich die schnellsten Kontraktionsgeschwindigkeiten begrenzt", sagte Shankar. "Einige Insekten, wie Moskitos, scheinen nahe an unserer theoretisch vorhergesagten Grenze zu liegen, aber direkte experimentelle Tests sind erforderlich."

Sie stellten auch fest, dass wenn Muskelfasern als aktive Schwämme wirken, der Prozess auch dazu führt, dass Muskeln als aktive elastische Motoren fungieren. Wenn etwas elastisch ist, wie ein Gummiband, speichert es Energie, während es sich gegen die Verformung wehrt. Stellen Sie sich vor, Sie halten ein Gummiband zwischen zwei Fingern und ziehen es zurück. Wenn Sie das Gummiband loslassen, gibt das Band auch die gespeicherte Energie frei, während es gedehnt war.

Aber wenn ein Muskel chemischen Brennstoff in mechanische Arbeit umwandelt, kann er Energie wie ein Motor erzeugen und damit das Gesetz der Energieerhaltung verletzen. In diesem Fall zeigen Muskeln eine neue Eigenschaft namens "eigentümliche Elastizität", bei der die Reaktion auf das Zusammendrücken in eine Richtung nicht wechselseitig ist. Im Gegensatz zu einem Gummiband, wenn sich Muskeln entlang ihrer Länge kontrahieren und entspannen, beulen sie auch seitlich aus und ihre Energie ist nicht dieselbe.

"Diese Ergebnisse widersprechen der vorherrschenden Ansicht, die sich auf molekulare Details konzentriert und die Tatsache vernachlässigt, dass Muskeln lang und faserig, hydratisiert sind und Prozesse auf mehreren Skalen haben", sagte Shankar. "Unsere Ergebnisse legen eine überarbeitete Sichtweise der Muskelfunktion nahe, die für das Verständnis ihrer Physiologie wesentlich ist. Dies ist auch entscheidend für das Verständnis der Ursprünge, des Umfangs und der Grenzen, die den verschiedenen Formen der Tierbewegung zugrunde liegen."

Quelle: University of Michigan