Istraživanje sa Sveučilišta Michigan otkriva kako protok vode unutar mišićnog vlakna utječe na brzinu kontrakcije mišića. Skoro svi organizmi koriste mišiće za kretanje, a poznato je da mišići, kao i sve druge stanice, sadrže oko 70% vode. Međutim, znanstvenici još uvijek ne znaju što postavlja granice performansi mišića. Prethodna istraživanja fokusirala su se na molekularnu razinu mišića, zanemarujući činjenicu da su mišićna vlakna trodimenzionalna i puna tekućine.

Fizičar Suraj Shankar sa Sveučilišta Michigan i L. Mahadevan, profesor fizike na Sveučilištu Harvard, kreirali su teorijski model koji pokazuje ulogu vode u kontrakciji mišića. Otkrili su da način na koji se tekućina kreće kroz mišićno vlakno određuje brzinu kontrakcije.

Također su otkrili novu vrstu elastičnosti nazvanu neobična elastičnost, koja omogućuje mišićima generiranje snage koristeći trodimenzionalne deformacije. Ova pojava je vidljiva kada se mišićno vlakno kontrahira uzdužno, što uzrokuje i poprečno izbočenje.

Ovaj okvir može se primijeniti na mnoge druge stanice i tkiva, koja su također uglavnom sastavljena od vode, te se može primijeniti na ultrabrze pokrete jednoćelijskih mikroorganizama. Njihovi nalazi, objavljeni u časopisu Nature Physics, mogli bi utjecati na dizajn mekih aktuatora, brzih umjetnih mišića i materijala koji mijenjaju oblik, a koji trenutno imaju spore brzine kontrakcije jer se aktiviraju izvana.

Znanstvenici vizualiziraju svako mišićno vlakno kao aktivnu spužvu koja se sama stiska, materijal nalik spužvi pun vodi, koji se može kontrahirati i stiskati pomoću molekularnih motora.

"Mišićna vlakna sastoje se od mnogih komponenti, kao što su proteini, stanične jezgre, organele poput mitohondrija i molekularni motori kao što je miozin, koji pretvaraju kemijsko gorivo u pokret i pokreću kontrakciju mišića," rekao je Shankar. "Sve te komponente tvore poroznu mrežu koja je okružena vodom. Tako da je prikladan opis mišića kao aktivne spužve."

Proces stiskanja zahtijeva vrijeme za pomicanje vode, pa su istraživači pretpostavili da ovaj pokret vode kroz mišićno vlakno postavlja gornju granicu brzine trzaja mišićnog vlakna.

Kako bi testirali svoju teoriju, modelirali su pokrete mišića kod više organizama, uključujući sisavce, insekte, ptice, ribe i gmazove, fokusirajući se na životinje koje koriste mišiće za brze pokrete. Otkrili su da mišići koji proizvode zvuk, kao što je zveket u repu zvečarke, ne ovise o protoku tekućine. Umjesto toga, te kontrakcije kontrolira živčani sustav i više su određene molekularnim svojstvima.

Kod manjih organizama, kao što su leteći insekti koji mašu krilima nekoliko stotina do tisuću puta u sekundi, te kontrakcije su prebrze da bi ih neuroni izravno kontrolirali. Ovdje su protoci tekućine važniji.

"U tim slučajevima otkrili smo da su protoci tekućine unutar mišićnog vlakna važni i da naš mehanizam aktivne hidraulike vjerojatno ograničava najbrže brzine kontrakcije," rekao je Shankar. "Neki insekti, kao što su komarci, čine se blizu našoj teoretski predviđenoj granici, ali potrebno je direktno eksperimentalno testiranje."

Također su otkrili da kada mišićna vlakna djeluju kao aktivna spužva, proces također uzrokuje da mišići djeluju kao aktivni elastični motor. Kada je nešto elastično, kao gumena traka, pohranjuje energiju dok pokušava odoljeti deformaciji. Zamislite da držite gumenu traku između dva prsta i povlačite je natrag. Kada pustite gumenu traku, traka također oslobađa energiju pohranjenu dok je bila rastegnuta.

Ali kada mišić pretvara kemijsko gorivo u mehanički rad, može proizvesti energiju poput motora, kršeći zakon očuvanja energije. U tom slučaju, mišići pokazuju novu osobinu nazvanu "neobična elastičnost," gdje odgovor na stiskanje u jednom smjeru nije uzajaman. Za razliku od gumene trake, kada se mišići kontrahiraju i opuštaju duž svoje dužine, oni također izbočuju poprečno, i njihova energija nije ista.

"Ovi rezultati su u suprotnosti s prevladavajućim mišljenjem koje se fokusira na molekularne detalje i zanemaruje činjenicu da su mišići dugi i vlaknasti, hidrirani, i imaju procese na više skala," rekao je Shankar. "Naši rezultati sugeriraju revidirani pogled na funkciju mišića koji je bitan za razumijevanje njihove fiziologije. Ovo je također ključno za razumijevanje podrijetla, opsega i granica koje leže u temeljima raznih oblika kretanja životinja."

Izvor: University of Michigan