ماشین عضلانی: چگونه آب سرعت انقباض عضلات را کنترل می کند

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 به‌طور طولی منقبض می‌شود، به صورت عمود برآمده نیز می‌شود.

محققان می‌گویند این چارچوب می‌تواند برای توصیف بسیاری از سلول‌ها و بافت‌های دیگر، که عمدتاً از آب نیز تشکیل شده‌اند، استفاده شود و می‌تواند برای حرکات فوق سریع میکروارگانیسم‌های تک سلولی و نحوه کنترل آنها به کار رود. یافته‌های آن‌ها همچنین می‌تواند بر طراحی محرک‌های نرم (نوعی ماده که انرژی را به حرکت تبدیل می‌کند)، ماهیچه‌های مصنوعی سریع و مواد شکل‌دهنده، که همگی سرعت انقباض بسیار پایینی دارند، تأثیر بگذارد، زیرا از بیرون تحریک می‌شوند. نتایج آنها در مجله Nature Physics منتشر شده است.

«نتایج ما نشان می‌دهد که حتی سؤالات اساسی مانند اینکه عضله چقدر سریع می‌تواند منقبض شود یا اینکه عضله چگونه می‌تواند نیرو تولید کند، پاسخ‌های جدید و غیرمنتظره‌ای دارد، زمانی که یک نگاه یکپارچه‌تر و جامع‌تر از ماهیچه به‌عنوان یک ماده پیچیده و سلسله مراتبی سازمان‌یافته به جای صرفاً یک ماده باشد. کیسه ای از مولکول ها،” شانکار گفت. «عضله بیشتر از مجموع اجزای آن است».

او می‌گوید که محققان هر فیبر عضلانی را به‌عنوان یک اسفنج فعال خودفشرده، یک ماده اسفنج‌مانند پر از آب تصور می‌کنند که می‌تواند از طریق عملکرد موتورهای مولکولی منقبض و منقبض شود.

شانکار می‌گوید: فیبرهای عضلانی از اجزای بسیاری مانند پروتئین‌های مختلف، هسته‌های سلولی، اندامک‌هایی مانند میتوکندری و موتورهای مولکولی مانند میوزین تشکیل شده‌اند که سوخت شیمیایی را به حرکت تبدیل می‌کنند و انقباض عضلانی را تحریک می‌کنند. “همه این اجزاء یک شبکه متخلخل را تشکیل می دهند که در آب غوطه ور می شود. بنابراین توصیف مناسب و درشت دانه برای عضله، توصیف یک اسفنج فعال است.”

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 ماهیچه‌ای را در ارگانیسم‌های متعدد در پستانداران، حشرات، پرندگان، ماهی‌ها و خزندگان مدل‌سازی کردند و روی حیواناتی تمرکز کردند که از ماهیچه‌ها 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 به‌شدت توسط خواص مولکولی، یا زمانی که طول می‌کشد تا موتورهای مولکولی درون سلول‌ها 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 نورون‌ها نمی‌توانند 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. برخی از حشرات مانند پشه‌ها به نظر می‌رسد به حد تئوری پیش‌بینی‌شده ما نزدیک هستند، اما برای بررسی و به چالش کشیدن پیش‌بینی‌های ما، آزمایش‌های آزمایشی مستقیم مورد 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 می‌شود، عمود بر آن بیرون می‌زند و انرژی آن ثابت نمی‌ماند. این به فیبرهای عضلانی اجازه می دهد تا از تغییر شکل های مکرر نیرو تولید کنند و مانند یک موتور نرم رفتار کنند.

شانکار می‌گوید: «این نتایج در تضاد با تفکر رایج است که بر جزئیات مولکولی تمرکز می‌کند و از این واقعیت غفلت می‌کند که ماهیچه‌ها دراز و رشته‌ای هستند، هیدراته هستند و فرآیندهایی در مقیاس‌های مختلف دارند. “در مجموع، نتایج ما یک دیدگاه تجدید نظر شده را نشان می دهد که چگونه عملکرد ماهیچه ها برای درک فیزیولوژی آن ضروری است. این نیز برای درک منشاء، وسعت و محدودیت هایی که زمینه اشکال متنوع حرکت حیوانات را تشکیل می دهند، بسیار مهم است.”