密西根大學和哈佛大學的一項聯合研究揭示，肌肉纖維中的水流決定了收縮速度，並帶來了”奇異彈性”，這對肌肉力學的傳統理解提出了挑戰，並有可能改進人造肌肉的設計。

幾乎所有動物都使用肌肉來運動，人們很早就知道，肌肉和所有其他細胞一樣，由大約70% 的水組成。但研究人員並不知道是什麼設定了肌肉表現的範圍和上限。先前對肌肉工作原理的研究只關注它在分子層面上的工作原理，而不是肌肉纖維的形狀，它們是三維的，充滿液體。根據密西根大學的研究，肌肉纖維的收縮速度可能是由其中的水流決定的。

麻省理工大學物理學家蘇拉傑-尚卡爾（Suraj Shankar）與哈佛大學物理學教授馬哈德萬（L. Mahadevan）共同創建了一個關於水在肌肉收縮中作用的理論模型，並發現液體在肌肉纖維中的運動方式決定了肌肉纖維的收縮速度。

他們還發現，肌肉表現出一種新的彈性，稱為奇異彈性，這種彈性使肌肉能夠利用三維變形產生力量，常見的觀察結果表明，當肌肉纖維縱向收縮時，它也會垂直隆起。

研究人員說，這個框架可用於描述許多其他細胞和組織（它們在很大程度上也是由水組成的），並可應用於單細胞微生物的快速運動以及如何控制它們。他們的發現也可能影響軟致動器（一種將能量轉化為運動的材料）、快速人造肌肉和形狀變形材料的設計，所有這些材料的收縮速度都很慢，因為它們都是由外部觸發的。他們的研究成果發表在《自然-物理學》（Nature Physics）雜誌。

尚卡爾說：”我們的研究結果表明，如果把肌肉看作是一種複雜而有層次的組織材料，而不僅僅是一袋分子，那麼即使是肌肉收縮的速度有多快或肌肉產生力量的方式有多少等基本問題，也會有意想不到的新答案。

他說，研究人員設想每根肌肉纖維都是一塊能自我擠壓的活性海綿，這是一種充滿水的海綿狀材料，能透過分子馬達的作用自我收縮和擠壓。

尚卡爾說：”肌肉纖維由許多成分組成，如各種蛋白質、細胞核、線粒體等細胞器以及肌球蛋白等分子馬達，它們將化學燃料轉化為運動並驅動肌肉收縮。所有這些成分形成了一個沐浴在水中的多孔網絡。

但擠壓過程需要時間來移動水分，因此研究人員懷疑，水分在肌纖維中的移動為肌纖維的抽動速度設定了上限。為了驗證他們的理論，他們模擬了哺乳動物、昆蟲、鳥類、魚類和爬行動物等多種生物的肌肉運動，並重點研究了使用肌肉進行快速運動的動物。他們發現，能發出聲音的肌肉，如響尾蛇尾巴上的撥浪鼓，每秒鐘可以收縮十到數百次，通常不依靠液體流動。相反，這些收縮是由神經系統控制的，而且更受分子特性或細胞內分子馬達結合和產生力量所需的時間的支配。

但在較小的生物體中，例如每秒拍打翅膀幾百到一千次的飛行昆蟲，這些收縮太快，神經元無法直接控制。在這裡，流體流動更為重要。

“在這些情況下，我們發現肌肉纖維內的流體流動非常重要，我們的主動水力學機制很可能限制了最快的收縮速度，”尚卡爾說。 “蚊子等一些昆蟲似乎接近我們的理論預測極限，但還需要直接的實驗測試來檢驗和挑戰我們的預測。”

研究人員還發現，當肌肉纖維充當主動海綿時，這個過程也會使肌肉充當主動彈性引擎。有彈性的東西，如橡皮筋，在試圖抵抗變形時會儲存能量。想像一下，用兩根手指夾住橡皮筋並向後拉。當你鬆開橡皮筋時，橡皮筋也會釋放出拉伸時儲存的能量。在這種情況下，能量是守恆的–這是一條基本的物理定律，它規定了一個封閉系統中的能量隨著時間的推移應該保持不變。

但是，當肌肉將化學燃料轉化為機械功時，就會像引擎一樣產生能量，從而違反能量守恆定律。在這種情況下，肌肉顯示出一種名為”奇異彈性”的新特性，即在向一個方向擠壓時，肌肉的反應與向另一個方向擠壓時的反應互不相同。與橡皮筋不同的是，當肌肉沿其長度方向收縮和放鬆時，它也會垂直鼓起，其能量不會保持不變。這使得肌肉纖維能夠透過重複變形產生動力，就像一台軟引擎。

這些結果與流行的觀點形成了鮮明對比，流行的觀點只關注分子細節，而忽略了肌肉是長絲狀的、水合的、有多個尺度的過程這一事實。綜合來看，研究結果表明，要了解肌肉的生理機能，就必須重新檢視肌肉的功能。這對於理解動物運動的起源、範圍和限制也至關重要。

編譯自/ ScitechDaily 2024-07-14