Nieuw inzicht: water beïnvloedt spiercontractiesnelheid bij kleine en grote dieren

AmsterdamOnderzoek van de Universiteit van Michigan toont aan dat de beweging van water in spiervezels de snelheid waarmee ze samentrekken beïnvloedt. Onderzoekers Suraj Shankar en L. Mahadevan ontwikkelden een model dat aantoont dat het gedrag van vloeistof binnen spiervezels hun snelheidslimieten bepaalt. Spieren bestaan voor ongeveer 70% uit water. Eerdere onderzoeken richtten zich op de acties van moleculen in plaats van op de algemene respons van spiervezels. Deze nieuwe studie biedt een andere kijk op hoe vloeistof door spiervezels beweegt en hun elasticiteit beïnvloedt.

Belangrijke bevindingen zijn onder andere:

• Beweging van vloeistoffen binnen spiervezels beïnvloedt de samentreksnelheid.
• Spieren hebben een bijzondere elasticiteit die energie kan genereren via driedimensionale vervormingen.
• Dit model van vloeistofbeweging verklaart snelle spieracties bij zowel kleine als grote organismen.
• Bij kleine insecten beperken vloeistofstromen de samentreksnelheid, terwijl bij grotere dieren neuronale controle overheerst.
• Spieren werken als een "actieve spons" die water verplaatst tijdens contracties.
• Spieren kunnen de wet van behoud van energie schenden en werken als een motor in plaats van een passief elastiek.

Het onderzoek bestudeert de spieren van verschillende dieren. Rattelslangen gebruiken zenuwcontrole voor snelle staartbewegingen, terwijl insecten zoals muggen vloeistof in hun spieren gebruiken voor snelle vleugelslagen. Dit toont aan dat kleinere wezens met zeer snelle bewegingen vertrouwen op vloeistofmechanica in hun spieren.

Spieren bestaan uit eiwitten, kernen, organellen en moleculaire motoren, allemaal omgeven door water. Deze waterige structuur functioneert anders dan we voorheen dachten. Bij samentrekking verplaatsen spieren water, wat invloed heeft op hun bewegingssnelheid.

Spieren werken anders dan elastieken wanneer ze samentrekken. In plaats van energie te behouden, genereren ze energie door voortdurende veranderingen in hun vorm, een proces dat bekend staat als "vreemde elasticiteit." Deze benadering verandert onze kijk op de werking van spieren.

Nieuwe inzichten kunnen leiden tot snellere en betere zachte aandrijfsystemen, zoals kunstmatige spieren die sneller bewegen en materialen die van vorm veranderen. Moderne kunstmatige spieren zijn traag omdat ze externe prikkels nodig hebben om te bewegen. Meer kennis over de werking van spierweefsel kan ervoor zorgen dat kunstmatige spieren sneller reageren. Daarnaast kan het beschouwen van spieren als complexe materialen in plaats van alleen onderdelen helpen om beter te begrijpen hoe dieren bewegen.

Het model van Shankar stelt voor dat we niet slechts op moleculair niveau naar spieren moeten kijken. Volgens hem is het noodzakelijk om het algehele vloeibare karakter en de structuur van spieren in overweging te nemen. Deze bredere benadering is essentieel om volledig te begrijpen hoe spieren functioneren en hoe deze kennis praktisch kan worden toegepast.

Deze studie stelt vragen bij de gangbare opvattingen over hoe spieren werken en moedigt aanvullend onderzoek aan naar hun biologie en fysica. Toekomstige onderzoeken op basis van deze bevindingen kunnen onze kennis van spierfunctie veranderen en tot nieuwe technologieën leiden.