מחקר משותף של אוניברסיטת מישיגן והרווארד מגלה שזרימת מים בסיבי השריר מכתיבה את מהירות ההתכווצות ומציגה "גמישות מוזרה", שעלולה לחולל מהפכה בעיצוב של חומרים בעלי השראה ביולוגית ושרירים מלאכותיים.
חוקרים מאוניברסיטת מישיגן גילו שזרימת מים בתוך סיבי השריר משפיעה מאוד על שיעורי ההתכווצות שלהם, מאתגרת את ההבנות המסורתיות של מכניקת השרירים ועלולה לשפר את עיצוב השרירים המלאכותיים.
על פי מחקר מאוניברסיטת מישיגן, המהירות שבה סיבי השריר מתכווצים עשויה להיקבע על ידי זרימת המים בתוכם.
כמעט כל בעלי החיים משתמשים בשרירים כדי לנוע, וידוע כבר זמן רב ששריר, כמו כל שאר התאים, מורכב מכ-70% מים. אבל החוקרים לא יודעים מה קובע את הטווח ואת הגבולות העליונים של ביצועי השרירים. מחקרים קודמים על אופן פעולת השריר התמקדו רק באיך הוא עובד ברמה מולקולרית ולא בצורת סיבי השריר, שהם תלת מימדיים ומלאים בנוזל.
הפיזיקאי UM Suraj Shankar יחד עם L. Mahadevan, פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת הרווארד, יצרו מודל תיאורטי של תפקיד המים בהתכווצות השרירים ומצאו כי האופן שבו נוזל נע דרך סיב שריר קובע כמה מהר סיב שריר יכול להתכווץ.
הם גם מצאו ששריר מפגין סוג חדש של גמישות הנקראת גמישות מוזרה המאפשרת לשריר לייצר כוח באמצעות עיוותים תלת מימדיים, הוכח בתצפית נפוצה שכאשר סיב שריר מתכווץ לאורכו, הוא גם בולט בניצב.
השלכות ויישומים רחבים יותר
החוקרים אומרים שניתן להשתמש במסגרת זו כדי לתאר תאים ורקמות רבים אחרים, שגם הם מורכבים ברובם ממים, וניתן ליישם אותם על תנועות אולטרה-מהירות של מיקרואורגניזמים חד-תאיים וכיצד ניתן לשלוט בהם. הממצאים שלהם יכולים גם להשפיע על העיצוב של מפעילים רכים (סוג של חומר הממיר אנרגיה לתנועה), שרירים מלאכותיים מהירים וחומרים משתנה צורה, שלכולם מהירויות התכווצות איטיות מאוד מכיוון שהם מופעלים חיצונית. התוצאות שלהם מתפרסמות בכתב העת פיזיקת הטבע.
"התוצאות שלנו מצביעות על כך שאפילו לשאלות בסיסיות כמו כמה מהר שריר יכול להתכווץ או כמה דרכים שריר יכול לייצר כוח יש תשובות חדשות ובלתי צפויות כאשר אדם לוקח ראייה משולבת והוליסטית יותר של השריר כחומר מורכב ומאורגן באופן היררכי ולא רק שק של מולקולות," אמר שנקר. "השריר הוא יותר מסך חלקיו."
החוקרים מדמיינים כל סיב שריר כספוג פעיל סוחט מעצמו, חומר מלא במים דמוי ספוג שיכול להתכווץ ולסחוט את עצמו באמצעות פעולתם של מנועים מולקולריים, הוא אומר.
התפקיד של זרימות נוזלים בכיווץ שרירים
"סיבי השריר מורכבים ממרכיבים רבים, כגון חלבונים שונים, גרעיני תאים, אברונים כגון מיטוכונדריה ומנועים מולקולריים כגון מיוזין הממירים דלק כימי לתנועה ומניעים התכווצות שרירים", אמר שנקר. "כל הרכיבים האלה יוצרים רשת נקבוביות שטופת במים. אז תיאור מתאים וגס לשריר הוא של ספוג פעיל."
אבל לתהליך הסחיטה לוקח זמן להעביר מים, אז החוקרים חשדו שתנועת מים זו דרך סיב השריר קבעה גבול עליון למהירות שבה סיב שריר יכול להתעוות.
כדי לבחון את התיאוריה שלהם, הם עיצבו תנועות שרירים במספר אורגניזמים על פני יונקים, חרקים, ציפורים, דגים וזוחלים, תוך התמקדות בבעלי חיים שמשתמשים בשרירים לתנועות מהירות מאוד. הם גילו ששרירים שמפיקים קול, כמו השקשוקה בזנב של נחש רעשן, שיכולים להתכווץ עשר עד מאות פעמים בשנייה בדרך כלל אינם מסתמכים על זרימת נוזלים. במקום זאת, התכווצויות אלו נשלטות על ידי מערכת העצבים ומוכתבות חזק יותר על ידי תכונות מולקולריות, או הזמן שלוקח למנועים מולקולריים בתוך תאים להיקשר וליצור כוחות.
אבל באורגניזמים קטנים יותר, כמו חרקים מעופפים המכים את כנפיהם כמה מאות עד אלף פעמים בשנייה, ההתכווצויות הללו מהירות מדי מכדי שנוירונים יוכלו לשלוט בהם ישירות. כאן זרימות הנוזלים חשובות יותר.
"במקרים אלה, מצאנו שזרימות הנוזלים בתוך סיבי השריר חשובות והמנגנון של הידראוליקה אקטיבית שלנו עשוי להגביל את קצבי ההתכווצות המהירים ביותר", אמר שנקר. "נראה שחלק מהחרקים כמו יתושים קרובים לגבול החזוי התיאורטית שלנו, אבל יש צורך בבדיקות ניסיוניות ישירות כדי לבדוק ולאתגר את התחזיות שלנו."
החוקרים מצאו גם שכאשר סיבי השריר פועלים כספוג פעיל, התהליך גורם גם לשרירים לפעול כמנוע אלסטי פעיל. כאשר משהו אלסטי, כמו רצועת גומי, הוא אוגר אנרגיה כשהוא מנסה להתנגד לדפורמציה. תאר לעצמך שאתה מחזיק גומייה בין שתי אצבעות ומושך אותה לאחור. כאשר משחררים את הגומייה, הרצועה משחררת גם את האנרגיה שנאגרה כאשר היא נמתחת. במקרה זה, האנרגיה נשמרת – חוק בסיסי בפיזיקה המכתיב שכמות האנרגיה בתוך מערכת סגורה צריכה להישאר זהה לאורך זמן.
אבל כאשר השריר ממיר דלק כימי לעבודה מכנית, הוא יכול לייצר אנרגיה כמו מנוע, תוך הפרה של חוק שימור האנרגיה. במקרה זה, השריר מראה תכונה חדשה הנקראת "גמישות מוזרה", כאשר התגובה שלו כאשר הוא נמעך בכיוון אחד לעומת אחר אינה הדדית. בניגוד לגומיה, כאשר השריר מתכווץ ונרגע לאורכו, הוא גם בולט החוצה בניצב, והאנרגיה שלו לא נשארת זהה. זה מאפשר לסיבי השריר לייצר כוח מעיוותים חוזרים, ומתנהגים כמנוע רך.
"תוצאות אלו עומדות בניגוד למחשבה הרווחת, המתמקדת בפרטים מולקולריים ומזניחה את העובדה שהשרירים ארוכים וחוטיים, מוזלים, ויש להם תהליכים במספר קנה מידה", אמר שנקר. "בסך הכל, התוצאות שלנו מציעות השקפה מתוקנת של האופן שבו תפקוד השריר חיוני כדי להבין את הפיזיולוגיה שלו. זה גם חיוני להבנת המקורות, ההיקף והגבולות העומדים בבסיס הצורות המגוונות של תנועת בעלי חיים".
