肌肉机器：水如何控制肌肉收缩的速度
密歇根大学的一项研究表明，肌肉纤维内的水流可能决定肌肉收缩的速度。几乎所有动物都使用肌肉来移动，人们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决定了肌肉性能的范围和上限。以前对肌肉如何运作的研究只关注它在分子水平上是如何运作的，而不是肌肉纤维是如何形成的，它们是三维的并且充满液体。
密歇根大学物理学家苏拉杰·尚卡尔 (Suraj Shankar) 与哈佛大学物理学教授 L. 马哈德文 (L. Mahadevan) 共同创建了水在肌肉收缩中的作用的理论模型，并发现液体在肌肉纤维中的移动方式决定了肌肉纤维收缩的速度。
他们还发现肌肉表现出一种新的弹性，称为奇弹性，这种弹性允许肌肉利用三维变形产生力量，这在一个常见的观察中得到体现：当肌肉纤维纵向收缩时，它也会垂直膨胀。他们的研究结果发表在《自然物理学》杂志上。
“我们的研究结果表明，当人们以更综合、更全面的角度将肌肉视为一种复杂、层次分明的组织材料，而不仅仅是一袋分子时，即使是肌肉收缩速度有多快或肌肉产生力量的方式有多少种这样的基本问题，也会有新的、意想不到的答案，”尚卡尔说。“肌肉不仅仅是其各部分的总和。”
他说，研究人员将每根肌肉纤维想象成一个可自我挤压的活性海绵，一种充满水的海绵状材料，可以通过分子马达的作用自我收缩和挤压。
“肌纤维由多种成分组成，例如各种蛋白质、细胞核、细胞器（如线粒体）以及分子马达（如肌球蛋白），后者将化学燃料转化为运动并驱动肌肉收缩，”尚卡尔说。“所有这些成分形成了一个浸泡在水中的多孔网络。因此，对肌肉的一个恰当而粗略的描述是活跃的海绵。”
但挤压过程需要时间来移动水，因此研究人员怀疑水通过肌肉纤维的这种运动为肌肉纤维抽搐的速度设定了上限。
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，产生声音的肌肉（如响尾蛇尾巴上的响尾）通常不依赖于液体流动，这些肌肉每秒可以收缩十到数百次。相反，这些收缩由神经系统控制，并且更多地受分子特性或细胞内分子马达结合并产生力所需的时间的影响。
但对于体型较小的生物，比如每秒扇动翅膀几百到一千次的飞虫来说，这些收缩速度太快，神经元无法直接控制。这时，液体流动就显得更重要了。
“在这些情况下，我们发现肌肉纤维内的液体流动很重要，我们的主动液压机制可能会限制最快的收缩速度，”Shankar 说。“一些昆虫，如蚊子，似乎接近我们理论上预测的极限，但需要直接的实验测试来检查和挑战我们的预测。”
研究人员还发现，当肌肉纤维充当活跃的海绵时，这一过程也会导致肌肉充当活跃的弹性引擎。当某物具有弹性时，例如橡皮筋，它会在试图抵抗变形时储存能量。想象一下用两根手指夹住橡皮筋并将其拉回。
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，能量守恒——这是物理学的基本定律，规定封闭系统内的能量总量应随时间保持不变。
但当肌肉将化学燃料转化为机械功时，它就会像发动机一样产生能量，这违反了能量守恒定律。在这种情况下，肌肉表现出一种称为“奇数弹性”的新特性，即当肌肉在一个方向上被挤压时，其反应不是相互的。
与橡皮筋不同的是，当肌肉沿其长度收缩和放松时，它也会垂直凸起，其能量不会保持不变。这使得肌肉纤维能够从重复变形中产生力量，就像一个软引擎。
“这些结果与主流思想形成了鲜明对比，主流思想关注的是分子细节，而忽略了肌肉是长而丝状的，是水合的，并且有多个尺度的突起的事实，”Shankar 说。
“总之，我们的研究结果表明，重新认识肌肉功能对于理解其生理学至关重要。这对于理解各种动物运动形式的起源、程度和限制也至关重要。”
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