新研究: 筋繊維内の水の動きが筋収縮速度を左右する理由

Tokyoミシガン大学の研究によると、筋繊維内の水の動きが収縮速度に影響を与えることが示されています。研究者のスラージ・シャンカールとL・マハデーバンは、筋繊維内の流体の振る舞いが収縮の速さを決定するモデルを作り上げました。筋肉はおよそ70%が水で構成されています。以前の研究では分子の働きが注目されていましたが、この新たな研究は筋繊維内を流れる流体の動きと、それが筋肉の弾性に与える影響に新しい視点を提供しています。

主な発見には以下が含まれます。

筋肉の繊維内の流体の動きは、収縮速度に影響を与えます。筋肉には「独特な弾力性」があり、三次元の変形から力を生み出すことができます。この流体の動きのモデルは、小さな生物と大きな生物の両方における高速な筋肉動作を説明することができます。小さな昆虫では、流体の流れが収縮速度を制限しますが、大型の動物では神経のコントロールが主要な役割を果たします。筋肉は「能動的なスポンジ」として作用し、収縮時に水を移動させます。筋肉はエネルギー保存の法則に反することができ、パッシブなゴムバンドではなくエンジンのように機能します。

この研究はさまざまな動物の筋肉について調査しています。ガラガラヘビは、素早い尾の動きのために神経制御を使用しますが、蚊のような昆虫は、速い羽ばたきのために筋肉の中の流体を利用します。これにより、非常に素早い動きを持つ小さな生物は筋肉の流体力学に依存していることが示されています。

筋肉はタンパク質、核、細胞小器官、分子モーターから構成され、水に囲まれています。この水を含んだ構造は、以前の理解とは異なる挙動を示します。筋肉が収縮すると、水が押し流され、それが筋肉の動く速度に影響を与えます。

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筋肉が収縮する際の仕組みは、ゴムバンドとは異なります。エネルギーを蓄えるのではなく、形を絶えず変化させることでエネルギーを生み出すのです。このプロセスは「奇妙な弾性」として知られています。この考え方は、筋肉の機能に対する理解を一変させます。

これらの洞察は、より優れたソフトアクチュエータの作成や、速く動く人工筋肉、形状を変える材料の開発に役立つかもしれません。現在の人工筋肉は、外部からの刺激を必要とするため動きが遅いです。筋肉の流体の働きをさらに理解することで、人工筋肉がより迅速に反応するようになるかもしれません。また、筋肉を単なる部品ではなく複雑な素材として考えることで、動物の動きをよりよく理解できるでしょう。

シャンカーモデルは、筋肉を小さな分子レベルで見るだけでなく、筋肉の流動的な性質と全体構造を考慮する必要があると示唆しています。この広範な視点は、筋肉の働きを完全に理解し、その知識を実用的に活用するために重要です。

この研究は、筋肉の働きに関する現在の考え方に疑問を投げかけ、その生物学と物理学についてさらなる研究を促しています。この結果に基づく将来の研究は、筋肉機能に対する理解を変え、新しい技術の開発につながる可能性があります。