Badania z Uniwersytetu Michigan ujawniają, jak przepływ wody wewnątrz włókna mięśniowego wpływa na prędkość skurczu mięśnia. Prawie wszystkie organizmy używają mięśni do ruchu i wiadomo, że mięśnie, podobnie jak wszystkie inne komórki, zawierają około 70% wody. Jednak naukowcy nadal nie wiedzą, co wyznacza granice wydajności mięśni. Poprzednie badania koncentrowały się na poziomie molekularnym mięśni, ignorując fakt, że włókna mięśniowe są trójwymiarowe i pełne płynów.

Fizyk Suraj Shankar z Uniwersytetu Michigan i L. Mahadevan, profesor fizyki na Uniwersytecie Harvarda, stworzyli teoretyczny model, który pokazuje rolę wody w skurczu mięśni. Odkryli, że sposób, w jaki płyn przemieszcza się przez włókno mięśniowe, determinuje prędkość skurczu.

Odkryli także nowy rodzaj elastyczności nazwany niezwykłą elastycznością, która pozwala mięśniom generować siłę, wykorzystując trójwymiarowe deformacje. Zjawisko to jest widoczne, gdy włókno mięśniowe kurczy się wzdłużnie, co powoduje także poprzeczne wybrzuszenie.

Ten model może być zastosowany do wielu innych komórek i tkanek, które również są głównie złożone z wody, i może być stosowany do ultrawysokich ruchów jednokomórkowych mikroorganizmów. Ich wyniki, opublikowane w czasopiśmie Nature Physics, mogą wpłynąć na projekt miękkich siłowników, szybkich sztucznych mięśni i materiałów zmieniających kształt, które obecnie mają wolne prędkości skurczu, ponieważ są aktywowane zewnętrznie.

Naukowcy wizualizują każde włókno mięśniowe jako aktywną gąbkę, która sama się ściska, materiał przypominający gąbkę pełen wody, który może się kurczyć i ściskać za pomocą molekularnych silników.

"Włókna mięśniowe składają się z wielu komponentów, takich jak białka, jądra komórkowe, organelle, takie jak mitochondria, i molekularne silniki, takie jak miozyna, które przekształcają paliwo chemiczne w ruch i napędzają skurcz mięśni," powiedział Shankar. "Wszystkie te komponenty tworzą porowatą sieć otoczoną wodą. Dlatego właściwym opisem mięśni jest aktywna gąbka."

Proces ściskania wymaga czasu na przemieszczanie wody, więc badacze przypuszczali, że ten ruch wody przez włókno mięśniowe wyznacza górną granicę prędkości drgań włókna mięśniowego.

Aby przetestować swoją teorię, modelowali ruchy mięśni u różnych organizmów, w tym ssaków, owadów, ptaków, ryb i gadów, koncentrując się na zwierzętach, które używają mięśni do szybkich ruchów. Odkryli, że mięśnie, które produkują dźwięki, takie jak grzechot w ogonie grzechotnika, nie zależą od przepływu płynów. Zamiast tego te skurcze są kontrolowane przez układ nerwowy i bardziej zależne od właściwości molekularnych.

W przypadku mniejszych organizmów, takich jak latające owady, które machają skrzydłami kilkaset do tysiąca razy na sekundę, te skurcze są zbyt szybkie, aby mogły być bezpośrednio kontrolowane przez neurony. Tutaj przepływy płynów są ważniejsze.

"W tych przypadkach odkryliśmy, że przepływy płynów wewnątrz włókna mięśniowego są ważne i że nasz mechanizm aktywnej hydrauliki prawdopodobnie ogranicza najszybsze prędkości skurczu," powiedział Shankar. "Niektóre owady, takie jak komary, wydają się być blisko naszej teoretycznie przewidywanej granicy, ale potrzebne są bezpośrednie testy eksperymentalne."

Odkryli także, że gdy włókna mięśniowe działają jako aktywna gąbka, proces ten również powoduje, że mięśnie działają jako aktywne elastyczne silniki. Kiedy coś jest elastyczne, jak gumka, przechowuje energię podczas oporu wobec deformacji. Wyobraź sobie, że trzymasz gumkę między dwoma palcami i ciągniesz ją w tył. Kiedy puszczasz gumkę, uwalnia ona także energię zgromadzoną podczas rozciągania.

Jednak gdy mięsień przekształca paliwo chemiczne w pracę mechaniczną, może produkować energię jak silnik, łamiąc prawo zachowania energii. W tym przypadku mięśnie wykazują nową cechę nazwaną "niezwykłą elastycznością," gdzie reakcja na ściskanie w jednym kierunku nie jest wzajemna. W przeciwieństwie do gumki, gdy mięśnie kurczą się i rozluźniają wzdłuż swojej długości, również wybrzuszają się poprzecznie, a ich energia nie jest taka sama.

"Te wyniki są sprzeczne z dominującym poglądem, który koncentruje się na szczegółach molekularnych i ignoruje fakt, że mięśnie są długie i włókniste, nawilżone i mają procesy na wielu skalach," powiedział Shankar. "Nasze wyniki sugerują zrewidowane spojrzenie na funkcję mięśni, które jest istotne dla zrozumienia ich fizjologii. Jest to również kluczowe dla zrozumienia pochodzenia, zakresu i granic, które leżą u podstaw różnych form ruchu zwierząt."

Źródło: University of Michigan