密歇根大学和哈佛大学的一项联合研究揭示，肌肉纤维中的水流决定了收缩速度，并带来了"奇异弹性"，这对肌肉力学的传统理解提出了挑战，并有可能改进人造肌肉的设计。
几乎所有动物都使用肌肉来运动，人们很早就知道，肌肉和所有其他细胞一样，由大约 70% 的水组成。但研究人员并不知道是什么设定了肌肉性能的范围和上限。以前对肌肉工作原理的研究只关注它在分子水平上的工作原理，而不是肌肉纤维的形状，它们是三维的，充满液体。根据密歇根大学的一项研究，肌肉纤维的收缩速度可能是由其中的水流决定的。
麻省理工大学物理学家苏拉杰-尚卡尔（Suraj Shankar）与哈佛大学物理学教授马哈德万（L. Mahadevan）共同创建了一个关于水在肌肉收缩中作用的理论模型，并发现液体在肌肉纤维中的运动方式决定了肌肉纤维的收缩速度。
他们还发现，肌肉表现出一种新的弹性，称为奇异弹性，这种弹性使肌肉能够利用三维变形产生力量，常见的观察结果表明，当肌肉纤维纵向收缩时，它也会垂直隆起。
研究人员说，这一框架可用于描述许多其他细胞和组织（它们在很大程度上也是由水组成的），并可应用于单细胞微生物的快速运动以及如何控制它们。他们的发现还可能影响软致动器（一种将能量转化为运动的材料）、快速人造肌肉和形状变形材料的设计，所有这些材料的收缩速度都很慢，因为它们都是由外部触发的。他们的研究成果发表在《自然-物理学》（Nature Physics）杂志上 。
尚卡尔说："我们的研究结果表明，如果把肌肉看作是一种复杂而有层次的组织材料，而不仅仅是一袋分子，那么即使是肌肉收缩的速度有多快或肌肉产生力量的方式有多少等基本问题，也会有意想不到的新答案。"肌肉不仅仅是各部分的总和"。
他说，研究人员设想每根肌肉纤维都是一块能自我挤压的活性海绵，这是一种充满水的海绵状材料，能通过分子马达的作用自我收缩和挤压。
尚卡尔说："肌肉纤维由许多成分组成，如各种蛋白质、细胞核、线粒体等细胞器以及肌球蛋白等分子马达，它们将化学燃料转化为运动并驱动肌肉收缩。所有这些成分形成了一个沐浴在水中的多孔网络。因此，用活性海绵来粗粒度地描述肌肉是非常合适的。"
但挤压过程需要时间来移动水分，因此研究人员怀疑，水分在肌纤维中的移动为肌纤维的抽动速度设定了上限。为了验证他们的理论，他们模拟了哺乳动物、昆虫、鸟类、鱼类和爬行动物等多种生物的肌肉运动，重点研究了使用肌肉进行快速运动的动物。他们发现，能发出声音的肌肉，如响尾蛇尾巴上的拨浪鼓，每秒能收缩十到数百次，通常不依靠液体流动。相反，这些收缩是由神经系统控制的，而且更受分子特性或细胞内分子马达结合和产生力量所需的时间的支配。
但在较小的生物体中，例如每秒拍打翅膀几百到一千次的飞行昆虫，这些收缩太快，神经元无法直接控制。在这里，流体流动更为重要。
"在这些情况下，我们发现肌肉纤维内的流体流动非常重要，我们的主动水力学机制很可能限制了最快的收缩速度，"尚卡尔说。"蚊子等一些昆虫似乎接近我们的理论预测极限，但还需要直接的实验测试来检验和挑战我们的预测。"
研究人员还发现，当肌肉纤维充当主动海绵时，这一过程也会使肌肉充当主动弹性引擎。有弹性的东西，如橡皮筋，在试图抵抗变形时会储存能量。想象一下，用两根手指夹住橡皮筋并向后拉。当你松开橡皮筋时，橡皮筋也会释放出拉伸时储存的能量。在这种情况下，能量是守恒的--这是一条基本的物理定律，它规定了一个封闭系统中的能量随着时间的推移应该保持不变。
但是，当肌肉将化学燃料转化为机械功时，就会像发动机一样产生能量，从而违反能量守恒定律。在这种情况下，肌肉显示出一种名为"奇异弹性"的新特性，即在向一个方向挤压时，肌肉的反应与向另一个方向挤压时的反应互不相同。与橡皮筋不同的是，当肌肉沿其长度方向收缩和放松时，它也会垂直鼓起，其能量不会保持不变。这使得肌肉纤维能够通过重复变形产生动力，就像一台软引擎。
这些结果与流行的观点形成了鲜明对比，流行的观点只关注分子细节，而忽视了肌肉是长丝状的、水合的、有多个尺度的过程这一事实。综合来看，研究结果表明，要了解肌肉的生理机能，就必须重新审视肌肉的功能。这对于理解动物运动的起源、范围和限制也至关重要。
编译自/ScitechDaily2024-07-14