Eine neue Theorie zeigt, wie der Wasserfluss innerhalb der Muskeln die Geschwindigkeit ihrer Kontraktion bestimmt, und enthüllt bisher unbekannte Elastizitäts- und Anwendungsmöglichkeiten in der Technologie

Laut einer Studie der Universität Michigan hängt die Geschwindigkeit der Muskelkontraktion vom Wasserfluss innerhalb der Muskelfasern ab.

Obwohl bekannt ist, dass Muskeln, wie alle anderen Zellen, etwa 70% Wasser enthalten, untersuchen Wissenschaftler immer noch, was die Grenzen und die maximale Leistung der Muskeln bestimmt. Bisherige Forschungen haben sich hauptsächlich auf die molekulare Ebene der Muskelarbeit konzentriert und die dreidimensionale Struktur und das Vorhandensein von Flüssigkeit in den Muskelfasern vernachlässigt.

Neue Theorie zur Muskelflexibilität
Der Physiker Suraj Shankar von der Universität Michigan hat zusammen mit dem Harvard-Physikprofessor L. Mahadevan ein theoretisches Modell entwickelt, das die Rolle von Wasser bei der Muskelkontraktion beschreibt. Dieses Modell zeigt, dass die Art und Weise, wie Flüssigkeit durch Muskelfasern fließt, die Geschwindigkeit ihrer Kontraktion bestimmt.

Ihre Forschung entdeckte eine neue Art von Elastizität, die als ungewöhnliche Elastizität bezeichnet wird und es den Muskeln ermöglicht, durch dreidimensionale Verformungen Kraft zu erzeugen. Diese Elastizität ist im üblichen Phänomen sichtbar, dass sich die Muskelfaser beim Kontrahieren entlang ihrer Länge auch vertikal ausbeult.

Anwendung auf andere Zellen und Gewebe
Die Wissenschaftler betonen, dass dieses Modell auf viele andere Zellen und Gewebe angewendet werden kann, die ebenfalls hauptsächlich aus Wasser bestehen. Die in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlichten Ergebnisse könnten Auswirkungen auf das Design von weichen Aktuatoren, schnellen künstlichen Muskeln und formverändernden Materialien haben, die derzeit sehr langsame Kontraktionsgeschwindigkeiten haben, da sie extern aktiviert werden.

Aktiver Schwamm
Forscher stellten sich jede Muskelfaser als einen aktiven, mit Wasser gefüllten Schwamm vor, der durch die Wirkung von molekularen Motoren kontrahieren und zusammengedrückt werden kann. Muskelfasern bestehen aus vielen Komponenten, einschließlich verschiedener Proteine, Zellkerne, Organellen wie Mitochondrien und molekularen Motoren wie Myosin, die chemische Energie in Bewegung umwandeln.

Obere Grenzen der Kontraktionsgeschwindigkeit
Da der Quetschvorgang Zeit zum Bewegen von Wasser erfordert, vermuteten die Wissenschaftler, dass die Bewegung von Wasser durch die Muskelfaser die obere Grenze der Muskelzuckgeschwindigkeit setzt. Sie testeten ihre Theorie, indem sie Muskelbewegungen bei verschiedenen Organismen modellierten, einschließlich Säugetieren, Insekten, Vögeln, Fischen und Reptilien.

Kontrolle schneller Bewegungen bei kleineren Organismen
Sie stellten fest, dass Muskeln, die Geräusche erzeugen, wie das Rasseln im Schwanz einer Klapperschlange, nicht vom Flüssigkeitsfluss abhängen und vom Nervensystem gesteuert werden. Bei kleineren Organismen, wie fliegenden Insekten, die ihre Flügel mehrere hundert bis tausend Mal pro Sekunde schlagen, spielt der Flüssigkeitsfluss innerhalb der Muskelfasern eine wichtigere Rolle.

Aktiver elastischer Motor
Wenn Muskelfasern als aktive Schwämme fungieren, bewirkt der Prozess auch, dass die Muskeln als aktive elastische Motoren fungieren. Muskeln zeigen eine neue Eigenschaft, die als "ungewöhnliche Elastizität" bezeichnet wird, bei der ihre Reaktion auf das Zusammendrücken in eine Richtung nicht dieselbe ist wie in eine andere. Diese Eigenschaft ermöglicht es Muskelfasern, durch wiederholte Verformungen Kraft zu erzeugen und sich wie ein weicher Motor zu verhalten.

Überprüfung der Muskelfunktion
Diese Ergebnisse widersprechen den bisherigen Annahmen, die sich auf molekulare Details konzentrierten und die Tatsache vernachlässigten, dass Muskeln lang, filamentös, hydratisiert sind und auf mehreren Ebenen funktionieren. Insgesamt deuten ihre Ergebnisse auf die Notwendigkeit eines überarbeiteten Blicks auf die Muskelfunktion hin, um deren Physiologie besser zu verstehen.

Quelle: University of Michigan