Η ροή του νερού μπορεί να υπαγορεύει πόσο γρήγορα μπορεί να συσπαστεί ο μυς, σύμφωνα με νέα μελέτη.
Σχεδόν όλα τα ζώα χρησιμοποιούν το μυϊκό τους σύστημα για να κινηθούν και είναι γνωστό εδώ και πολύ καιρό ότι οι μύες, όπως και όλα τα άλλα κύτταρα, αποτελούνται από περίπου 70% νερό. Όμως οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν τι καθορίζει το εύρος και τα ανώτερα όρια της απόδοσης των μυών.
Οι προηγούμενες έρευνες για το πώς λειτουργούν οι μύες επικεντρώνονταν μόνο στο πώς λειτουργούν σε μοριακό επίπεδο και όχι στο πώς οι μυϊκές ίνες έχουν σχήμα, ότι είναι τρισδιάστατες και ότι είναι γεμάτες υγρό.
Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν δημιούργησαν ένα θεωρητικό μοντέλο του ρόλου του νερού στη μυϊκή συστολή και διαπίστωσαν ότι ο τρόπος με τον οποίο το υγρό κινείται μέσα σε μια μυϊκή ίνα καθορίζει πόσο γρήγορα μπορεί να συσπαστεί μια μυϊκή ίνα. Η μελέτη τους δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Physics.
Διαπίστωσαν, επίσης, ότι οι μύες παρουσιάζουν ένα νέο είδος ελαστικότητας που ονομάζεται περιττή ελαστικότητα και τους επιτρέπει να παράγουν ισχύ χρησιμοποιώντας τρισδιάστατες παραμορφώσεις, που φαίνεται σε μια κοινή παρατήρηση ότι όταν μια μυϊκή ίνα συστέλλεται κατά μήκος, διογκώνεται και κάθετα.
Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι αυτό το πλαίσιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την περιγραφή πολλών άλλων κυττάρων και ιστών, τα οποία επίσης αποτελούνται σε μεγάλο βαθμό από νερό, και μπορεί να εφαρμοστεί στις υπερταχείες κινήσεις των μονοκύτταρων μικροοργανισμών και στον τρόπο με τον οποίο μπορούν να ελεγχθούν.
Τα ευρήματά τους θα μπορούσαν επίσης να επηρεάσουν το σχεδιασμό μαλακών ενεργοποιητών (ένας τύπος υλικού που μετατρέπει την ενέργεια σε κίνηση), γρήγορων τεχνητών μυών και υλικών που μεταμορφώνουν το σχήμα, τα οποία έχουν πολύ αργές ταχύτητες συστολής επειδή ενεργοποιούνται εξωτερικά.
Οι ερευνητές οραματίζονται κάθε μυϊκή ίνα ως ένα ενεργό σφουγγάρι που συμπιέζεται μόνο του, ένα υλικό γεμάτο νερό, που μοιάζει με σφουγγάρι, το οποίο μπορεί να συστέλλεται και να συμπιέζεται μόνο του μέσω της δράσης μοριακών κινητήρων, λέει.
«Οι μυϊκές ίνες αποτελούνται από πολλά συστατικά, όπως διάφορες πρωτεΐνες, κυτταρικούς πυρήνες, οργανίδια όπως τα μιτοχόνδρια και μοριακούς κινητήρες όπως η μυοσίνη που μετατρέπουν τα χημικά καύσιμα σε κίνηση και οδηγούν τη μυϊκή συστολή», αναφέρει ο Suraj Shankar, φυσικός του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν. «Όλα αυτά τα συστατικά σχηματίζουν ένα πορώδες δίκτυο που λούζεται στο νερό. Έτσι, μια κατάλληλη, χονδροειδής περιγραφή για τους μυς είναι αυτή ενός ενεργού σφουγγαριού».
Αλλά η διαδικασία συμπίεσης απαιτεί χρόνο για να μετακινηθεί το νερό, οπότε οι ερευνητές υποπτεύθηκαν ότι αυτή η κίνηση του νερού μέσα από τη μυϊκή ίνα θέτει ένα ανώτατο όριο στο πόσο γρήγορα μπορεί να συσπαστεί μια μυϊκή ίνα.
Για να ελέγξουν τη θεωρία τους, μοντελοποίησαν τις μυϊκές κινήσεις σε πολλούς οργανισμούς σε θηλαστικά, έντομα, πτηνά, ψάρια και ερπετά, εστιάζοντας σε ζώα που χρησιμοποιούν τους μύες για πολύ γρήγορες κινήσεις.
Διαπίστωσαν ότι οι μύες που παράγουν ήχο, όπως η κουδουνίστρα στην ουρά ενός κροταλίας, οι οποίοι μπορούν να συσπώνται δέκα έως εκατοντάδες φορές το δευτερόλεπτο, συνήθως δεν βασίζονται σε ροές υγρών. Αντ’ αυτού, αυτές οι συσπάσεις ελέγχονται από το νευρικό σύστημα και υπαγορεύονται πιο έντονα από τις μοριακές ιδιότητες ή από τον χρόνο που χρειάζονται οι μοριακοί κινητήρες μέσα στα κύτταρα για να συνδεθούν και να δημιουργήσουν δυνάμεις.
Αλλά σε μικρότερους οργανισμούς, όπως τα ιπτάμενα έντομα που χτυπούν τα φτερά τους μερικές εκατοντάδες έως χίλιες φορές το δευτερόλεπτο, αυτές οι συσπάσεις είναι πολύ γρήγορες για να τις ελέγχουν άμεσα οι νευρώνες. Εδώ οι ροές των υγρών είναι πιο σημαντικές.
«Σε αυτές τις περιπτώσεις, διαπιστώσαμε ότι οι ροές των υγρών μέσα στη μυϊκή ίνα είναι σημαντικές και ο μηχανισμός μας της ενεργού υδραυλικής είναι πιθανό να περιορίζει τους ταχύτερους ρυθμούς συστολής», υποστηρίζει ο Shankar. “Ορισμένα έντομα, όπως τα κουνούπια, φαίνεται να βρίσκονται κοντά στο θεωρητικά προβλεπόμενο όριό μας, αλλά απαιτούνται άμεσες πειραματικές δοκιμές για να ελέγξουμε και να αμφισβητήσουμε τις προβλέψεις μας”.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι όταν οι μυϊκές ίνες ενεργούν ως ενεργό σφουγγάρι, η διαδικασία προκαλεί επίσης τους μυς να ενεργούν ως ενεργός ελαστικός κινητήρας. Όταν κάτι είναι ελαστικό, όπως ένα λάστιχο, αποθηκεύει ενέργεια καθώς προσπαθεί να αντισταθεί στην παραμόρφωση. Φανταστείτε να κρατάτε ένα λάστιχο ανάμεσα σε δύο δάχτυλα και να το τραβάτε προς τα πίσω.
Όταν αφήνετε το λάστιχο, αυτό απελευθερώνει επίσης την ενέργεια που είχε αποθηκευτεί όταν τεντωνόταν. Σε αυτή την περίπτωση, η ενέργεια διατηρείται – ένας βασικός νόμος της φυσικής που υπαγορεύει ότι η ποσότητα ενέργειας σε ένα κλειστό σύστημα πρέπει να παραμένει η ίδια με την πάροδο του χρόνου.
Όταν όμως ο μυς μετατρέπει χημικά καύσιμα σε μηχανικό έργο, μπορεί να παράγει ενέργεια όπως ένας κινητήρας, παραβιάζοντας το νόμο της διατήρησης της ενέργειας. Σε αυτή την περίπτωση, ο μυς παρουσιάζει μια νέα ιδιότητα που ονομάζεται “περίεργη ελαστικότητα”, όπου η απόκρισή του όταν συμπιέζεται προς μια κατεύθυνση έναντι μιας άλλης δεν είναι αμοιβαία.
Σε αντίθεση με το λάστιχο, όταν ο μυς συστέλλεται και χαλαρώνει κατά μήκος του, διογκώνεται και κάθετα, και η ενέργειά του δεν παραμένει η ίδια. Αυτό επιτρέπει στις μυϊκές ίνες να παράγουν ενέργεια από επαναλαμβανόμενες παραμορφώσεις, συμπεριφερόμενες ως μαλακός κινητήρας.
«Τα αποτελέσματα αυτά έρχονται σε αντίθεση με την επικρατούσα σκέψη, η οποία επικεντρώνεται στις μοριακές λεπτομέρειες και παραμελεί το γεγονός ότι οι μύες έχουν μεγάλο μήκος, είναι νηματοειδείς, ενυδατωμένοι και έχουν διεργασίες σε πολλαπλές κλίμακες», δηλώνει ο Shankar.
«Συνολικά, τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν ότι μια αναθεωρημένη άποψη του τρόπου λειτουργίας των μυών είναι απαραίτητη για την κατανόηση της φυσιολογίας τους. Αυτό είναι επίσης ζωτικής σημασίας για την κατανόηση της προέλευσης, της έκτασης και των ορίων που διέπουν τις ποικίλες μορφές κίνησης των ζώων».
Ακολουθήστε το Cibum 
