Neue Studie: Wie die Wasserbewegung in Muskelfasern die Geschwindigkeit der Kontraktion beeinflusst

BerlinEine Studie der Universität von Michigan zeigt, dass die Bewegung von Wasser in Muskelfasern deren Kontraktionsgeschwindigkeit beeinflusst. Die Forscher Suraj Shankar und L. Mahadevan entwickelten ein Modell, das zeigt, dass das Verhalten von Flüssigkeiten innerhalb der Muskelfasern deren Geschwindigkeitsgrenzen bestimmt. Muskeln bestehen größtenteils aus Wasser, etwa zu 70%. Frühere Studien konzentrierten sich auf das Verhalten von Molekülen, anstatt auf die Gesamtreaktion der Muskelfasern. Diese neue Studie bietet einen anderen Blick auf die Bewegung von Flüssigkeiten durch Muskelfasern und deren Einfluss auf die Elastizität.

Wichtigste Erkenntnisse sind:

• Die Bewegung von Flüssigkeiten innerhalb der Muskelfasern beeinflusst die Geschwindigkeit der Kontraktion.
• Muskeln besitzen eine "ungewöhnliche Elastizität", die Kraft aus dreidimensionalen Verformungen generiert.
• Dieses Modell der Flüssigkeitsbewegung kann schnelle Muskelaktionen bei kleinen und großen Organismen erklären.
• Bei kleinen Insekten begrenzen Flüssigkeitsströme die Kontraktionsgeschwindigkeit, während bei größeren Tieren die neuronale Steuerung dominiert.
• Der Muskel agiert wie ein "aktiver Schwamm" und bewegt während der Kontraktionen Wasser hin und her.
• Muskel kann das Energieerhaltungsgesetz verletzen und wie ein Motor statt eines passiven Gummibandes arbeiten.

Die Studie untersucht die Muskeln verschiedener Tiere. Klapperschlangen nutzen Nervensteuerung für schnelle Schwanzbewegungen, während Insekten wie Mücken Flüssigkeit in ihren Muskeln verwenden, um ihre Flügel schnell zu schlagen. Dies zeigt, dass kleinere Kreaturen mit sehr schnellen Bewegungen auf Fluidmechanik in ihren Muskeln angewiesen sind.

Muskeln bestehen aus Proteinen, Zellkernen, Organellen und molekularen Motoren, die alle von Wasser umgeben sind. Diese wassergefüllte Struktur verhält sich anders, als wir bisher dachten. Wenn sich Muskeln zusammenziehen, verschieben sie Wasser, was die Geschwindigkeit ihrer Bewegungen beeinflusst.

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Muskeln funktionieren anders als Gummibänder, wenn sie sich zusammenziehen. Statt Energie zu speichern, erzeugen sie durch ständige Formveränderungen Energie, ein Prozess, der als "seltsame Elastizität" bekannt ist. Diese Erkenntnis verändert unser Verständnis über die Funktionsweise von Muskeln.

Diese Erkenntnisse könnten zur Verbesserung von Soft-Aktuatoren und schnelleren künstlichen Muskeln beitragen sowie Materialien entwickeln, die ihre Form ändern. Moderne künstliche Muskeln sind langsam, da sie externe Anreize zum Bewegen benötigen. Durch ein besseres Verständnis der Funktionsweise von Muskelgewebe könnten künstliche Muskeln schneller reagieren. Zudem kann die Betrachtung von Muskeln als komplexe Materialien anstatt nur Komponenten unser Verständnis der tierischen Bewegung vertiefen.

Shankars Modell legt nahe, dass wir Muskeln nicht nur auf einer kleinen, molekularen Ebene betrachten sollten. Er betont die Bedeutung der gesamten flüssigen Natur und Struktur der Muskeln. Diese umfassendere Perspektive ist entscheidend, um vollständig zu verstehen, wie Muskeln funktionieren und wie dieses Wissen praktisch angewendet werden kann.

Diese Studie stellt die gängigen Vorstellungen über die Funktionsweise von Muskeln infrage und regt zu weiteren Forschungen in den Bereichen Biologie und Physik an. Künftige Untersuchungen basierend auf diesen Ergebnissen könnten unser Verständnis der Muskelarbeit revolutionieren und zu neuen Technologien führen.