بر اساس مطالعه دانشگاه میشیگان، جریان آب در فیبر عضلانی ممکن است تعیین کند که عضله چقدر سریع می تواند منقبض شود.
تقریباً همه جانوران از ماهیچه برای حرکت استفاده میکنند و مدتهاست که مشخص شده است که ماهیچه مانند سایر سلولها از حدود 70 درصد آب تشکیل شده است. اما محققان نمی دانند چه چیزی محدوده و حد بالایی عملکرد عضلانی را تعیین می کند. تحقیقات قبلی در مورد نحوه عملکرد عضله تنها بر نحوه عملکرد آن در سطح مولکولی متمرکز بود نه اینکه تارهای عضلانی چگونه شکل میگیرند، که آنها سه بعدی هستند و پر از مایع هستند.
سورج شانکار، فیزیکدان U-M به همراه ال. ماهادوان، استاد فیزیک در دانشگاه هاروارد، یک مدل نظری از نقش آب در انقباض عضلانی ایجاد کردند و دریافتند که نحوه حرکت مایع در فیبر عضلانی تعیین می کند که تار عضلانی با چه سرعتی می تواند منقبض شود.
آنها همچنین دریافتند که ماهیچه نوع جدیدی از خاصیت ارتجاعی به نام الاستیسیته عجیب را نشان میدهد که به عضله اجازه میدهد با استفاده از تغییر شکلهای سه بعدی نیرو تولید کند، که در یک مشاهدات رایج نشان داده شده است که وقتی یک فیبر عضلانی به طور طولی منقبض میشود، به صورت عمود برآمده نیز میشود.
محققان میگویند این چارچوب میتواند برای توصیف بسیاری از سلول ها و بافت های دیگر، که عمدتاً از آب نیز تشکیل شده اند، استفاده شود و میتواند برای حرکات فوق سریع میکروارگانیسم های تک سلولی و نحوه کنترل آنها به کار رود. یافته های آنها همچنین میتواند بر طراحی محرک های نرم (نوعی ماده که انرژی را به حرکت تبدیل میکند)، ماهیچه های مصنوعی سریع و مواد شکل دهنده، که همگی سرعت انقباض بسیار پایینی دارند، تأثیر بگذارد، زیرا از بیرون تحریک میشوند. نتایج آنها در مجله Nature Physics منتشر شده است.
شانکار میگوید: “نتایج ما نشان میدهد که حتی سؤالات اساسی مانند اینکه عضله چقدر سریع میتواند منقبض شود یا اینکه عضله چگونه میتواند قدرت تولید کند، پاسخ های جدید و غیرمنتظرهای دارد، وقتی که یک دیدگاه یکپارچه تر و جامع تر از ماهیچه به عنوان یک ماده پیچیده و سازمان یافته سلسله مراتبی داشته باشیم. فقط یک کیسه مولکول عضله بیشتر از مجموع اجزای آن است.”
او میگوید که محققان هر فیبر عضلانی را به عنوان یک اسفنج فعال خودفشرده، یک ماده اسفنج مانند پر از آب تصور میکنند که میتواند از طریق عملکرد موتورهای مولکولی منقبض و منقبض شود.
شانکار گفت: “فیبرهای عضلانی از اجزای بسیاری مانند پروتئین های مختلف، هسته های سلولی، اندامک هایی مانند میتوکندری و موتورهای مولکولی مانند میوزین تشکیل شده اند که سوخت شیمیایی را به حرکت تبدیل میکنند و انقباض عضلانی را تحریک میکنند. همه این اجزا یک شبکه متخلخل را تشکیل میدهند. که در آب غوطه ور شده است، بنابراین یک توصیف مناسب و درشت برای ماهیچه، توصیف یک اسفنج فعال است.”
عملکرد حرکت آب در ماهیچه ها
اما فرآیند فشردن برای جابجایی آب به زمان نیاز دارد، بنابراین محققان مشکوک شدند که این حرکت آب از طریق فیبر عضلانی، حد بالایی را برای سرعت انقباض فیبر عضلانی تعیین می کند.
آنها برای آزمایش تئوری خود، حرکات ماهیچه ای را در ارگانیسم های متعدد در پستانداران، حشرات، پرندگان، ماهی ها و خزندگان مدلسازی کردند و روی حیواناتی تمرکز کردند که از ماهیچه ها برای حرکات بسیار سریع استفاده میکنند.
آنها دریافتند که ماهیچه هایی که صدا تولید می کنند، مانند جغجغه دم مار زنگی، که می تواند ده تا صدها بار در ثانیه منقبض شود، معمولاً متکی به جریان مایع نیستند. در عوض، این انقباضات توسط سیستم عصبی کنترل میشوند و به شدت توسط خواص مولکولی، یا زمانی که طول میکشد تا موتورهای مولکولی درون سلول ها به هم متصل شوند و نیرو ایجاد کنند، دیکته میشوند.
اما در موجودات کوچکتر، مانند حشرات پرنده که چند صد تا هزار بار در ثانیه بالهای خود را میکوبند، این انقباضات خیلی سریع است که نورون ها نمی توانند مستقیماً آنها را کنترل کنند. در اینجا جریان سیال از اهمیت بیشتری برخوردار است.
شانکار گفت: “در این موارد، ما متوجه شدیم که جریان مایع در فیبر عضلانی مهم است و مکانیسم هیدرولیک فعال ما احتمالاً سریعترین نرخ انقباض را محدود میکند. به نظر میرسد برخی از حشرات مانند پشه ها به حد تئوری پیش بینی شده ما نزدیک هستند. اما برای بررسی و به چالش کشیدن پیش بینی های ما به آزمایش مستقیم آزمایشی نیاز است.”
محققان همچنین دریافتند که وقتی فیبرهای عضلانی به عنوان یک اسفنج فعال عمل می کنند، این فرآیند باعث می شود که عضلات به عنوان یک موتور الاستیک فعال عمل کنند. هنگامی که چیزی الاستیک است، مانند یک نوار لاستیکی، انرژی را ذخیره می کند زیرا سعی می کند در برابر تغییر شکل مقاومت کند. تصور کنید یک کش لاستیکی را بین دو انگشت گرفته اید و آن را به عقب می کشید.
هنگامی که نوار لاستیکی را رها می کنید، باند نیز انرژی ذخیره شده در هنگام کشیده شدن را آزاد می کند. در این مورد، انرژی حفظ می شود – یک قانون اساسی فیزیک که حکم می کند مقدار انرژی در یک سیستم بسته باید در طول زمان ثابت بماند.
اما زمانی که عضله سوخت شیمیایی را به کار مکانیکی تبدیل می کند، می تواند مانند یک موتور انرژی تولید کند و قانون بقای انرژی را نقض می کند. در این مورد، عضله خاصیت جدیدی به نام «کشسانی عجیب و غریب» نشان میدهد، جایی که واکنش آن هنگام فشرده شدن در یک جهت در مقابل جهت دیگر متقابل نیست. بر خلاف نوار لاستیکی، زمانی که عضله در طول خود منقبض و شل می شود، به صورت عمود برآمدگی نیز بیرون می زند و انرژی آن ثابت نمی ماند. این به فیبرهای عضلانی اجازه می دهد تا از تغییر شکل های مکرر نیرو تولید کنند و مانند یک موتور نرم رفتار کنند.
شانکار گفت: “این نتایج در تضاد با تفکر رایج است که بر جزئیات مولکولی تمرکز دارد و این واقعیت را نادیده می گیرد که ماهیچه ها بلند و رشته ای هستند، هیدراته هستند و فرآیندهایی در مقیاس های مختلف دارند. نتایج ما در مجموع یک دیدگاه تجدید نظر شده را نشان می دهد. عملکرد ماهیچه ها برای درک فیزیولوژی آن ضروری است.”