Zgodnie z badaniami Uniwersytetu Michigan, szybkość skurczu mięśni zależy od przepływu wody wewnątrz włókien mięśniowych.

Chociaż wiadomo, że mięśnie, podobnie jak wszystkie inne komórki, zawierają około 70% wody, naukowcy nadal badają, co determinuje granice i maksymalną wydajność mięśni. Dotychczasowe badania koncentrowały się głównie na poziomie molekularnym pracy mięśni, zaniedbując trójwymiarową strukturę i obecność płynów we włóknach mięśniowych.

Nowa teoria elastyczności mięśni
Fizyk Suraj Shankar z Uniwersytetu Michigan, wraz z profesorem fizyki na Harvardzie L. Mahadevanem, opracował teoretyczny model opisujący rolę wody w skurczu mięśni. Model ten pokazuje, że sposób, w jaki płyn przechodzi przez włókna mięśniowe, determinuje szybkość ich skurczu.

Ich badania odkryły nowy rodzaj elastyczności, nazwany dziwną elastycznością, który pozwala mięśniom generować siłę poprzez trójwymiarowe deformacje. Ta elastyczność jest widoczna w powszechnym zjawisku, w którym włókno mięśniowe podczas skurczu wzdłuż swojej długości również wybrzusza się pionowo.

Zastosowanie do innych komórek i tkanek
Naukowcy podkreślają, że ten model można zastosować do wielu innych komórek i tkanek, które również są głównie złożone z wody. Wyniki, opublikowane w czasopiśmie Nature Physics, mogą mieć wpływ na projektowanie miękkich siłowników, szybkich sztucznych mięśni i materiałów zmieniających kształt, które obecnie mają bardzo wolne prędkości skurczu, ponieważ są aktywowane zewnętrznie.

Aktywna gąbka
Naukowcy wyobrazili sobie każde włókno mięśniowe jako aktywną gąbkę wypełnioną wodą, która może się kurczyć i ściskać pod wpływem działania silników molekularnych. Włókna mięśniowe składają się z wielu komponentów, w tym różnych białek, jąder komórkowych, organelli, takich jak mitochondria, i silników molekularnych, takich jak miozyna, które przekształcają energię chemiczną w ruch.

Górne granice szybkości skurczu
Ponieważ proces ściskania wymaga czasu na przemieszczanie wody, naukowcy wysunęli hipotezę, że ruch wody przez włókno mięśniowe ustala górną granicę szybkości skurczu mięśni. Testowali swoją teorię, modelując ruchy mięśni u różnych organizmów, w tym ssaków, owadów, ptaków, ryb i gadów.

Kontrola szybkich ruchów u mniejszych organizmów
Odkryli, że mięśnie produkujące dźwięk, takie jak grzechotka w ogonie grzechotnika, nie zależą od przepływu płynów i są kontrolowane przez układ nerwowy. U mniejszych organizmów, takich jak latające owady, które machają skrzydłami od kilkuset do tysiąca razy na sekundę, przepływ płynów we włóknach mięśniowych odgrywa większą rolę.

Aktywny elastyczny silnik
Kiedy włókna mięśniowe działają jak aktywna gąbka, proces ten również powoduje, że mięśnie działają jak aktywny elastyczny silnik. Mięśnie wykazują nową właściwość nazwaną "dziwną elastycznością", gdzie ich reakcja na ściskanie w jednym kierunku nie jest taka sama jak w innym. Ta właściwość pozwala włóknom mięśniowym generować siłę z powtarzających się deformacji, zachowując się jak miękki silnik.

Ponowne rozważenie funkcji mięśni
Te wyniki są sprzeczne z dotychczasowymi przekonaniami, które koncentrowały się na szczegółach molekularnych, zaniedbując fakt, że mięśnie są długie, filamentowe, nawodnione i funkcjonują na wielu poziomach. Ogólnie, ich wyniki sugerują potrzebę zrewidowanego spojrzenia na funkcję mięśni, aby lepiej zrozumieć ich fizjologię.

Źródło: University of Michigan