근육 기계: 물이 근육 수축 속도를 제어하는 ​​방법

미시간 대학의 연구에 따르면 근육 섬유 내의 물의 흐름은 근육이 얼마나 빨리 수축할 수 있는지를 결정할 수 있습니다.

거의 모든 동물은 근육을 사용하여 움직입니다. 다른 모든 세포와 마찬가지로 근육도 약 70%의 물로 구성되어 있다는 것이 오랫동안 알려져 왔습니다. 그러나 연구자들은 무엇이 근육 성능의 범위와 상한을 설정하는지 모릅니다. 근육이 어떻게 작동하는지에 대한 이전 연구는 근육 섬유가 어떻게 형성되는지, 근육이 3차원적이고 액체로 가득 차 있는지보다는 분자 수준에서 어떻게 작동하는지에만 초점을 맞췄습니다.

UM의 물리학자인 Suraj Shankar는 Harvard University의 물리학 교수인 L. Mahadevan과 함께 근육 수축에서 물의 역할에 대한 이론적 모델을 만들었고 근섬유를 통해 유체가 이동하는 방식이 근섬유가 얼마나 빨리 수축할 수 있는지를 결정한다는 사실을 발견했습니다.

그들은 또한 근육이 3차원 변형을 사용하여 근육이 힘을 생성할 수 있게 하는 이상한 탄력성이라는 새로운 종류의 탄력성을 나타냄을 발견했습니다. 이는 근육 섬유가 세로로 수축할 때 수직으로도 부풀어 오른다는 일반적인 관찰에서 나타났습니다.

연구자들은 이 프레임워크가 주로 물로 구성되어 있는 다른 많은 세포와 조직을 설명하는 데 사용될 수 있으며 단세포 미생물의 초고속 움직임과 이를 제어할 수 있는 방법에 적용될 수 있다고 말합니다. 그들의 발견은 또한 외부에서 촉발되기 때문에 수축 속도가 매우 느린 소프트 액추에이터(에너지를 동작으로 변환하는 재료 유형), 빠른 인공 근육 및 형태 변형 재료의 설계에 영향을 미칠 수 있습니다. 그들의 결과는 자연 물리학 저널에 게재되었습니다.

“우리의 결과는 근육이 얼마나 빨리 수축할 수 있는지 또는 근육이 얼마나 많은 방법으로 힘을 생성할 수 있는지와 같은 기본적인 질문조차도 근육을 단순한 근육이 아닌 복잡하고 계층적으로 조직된 물질로 보다 통합적이고 전체적인 관점으로 볼 때 새롭고 예상치 못한 답을 얻을 수 있음을 시사합니다. 분자 봉지”라고 Shankar는 말했습니다. “근육은 부분의 합 그 이상입니다.”

연구자들은 각 근육 섬유를 분자 모터의 작용을 통해 스스로 수축하고 짜낼 수 있는 물이 채워진 스폰지 같은 물질인 자체 압착 활성 스폰지로 상상한다고 그는 말합니다.

“근육 섬유는 다양한 단백질, 세포핵, 미토콘드리아와 같은 소기관, 화학 연료를 운동으로 변환하고 근육 수축을 유도하는 미오신과 같은 분자 모터와 같은 많은 구성 요소로 구성됩니다.”라고 Shankar는 말했습니다. “이러한 모든 구성 요소는 물에 잠겨 있는 다공성 네트워크를 형성합니다. 따라서 근육에 대한 적절하고 거친 설명은 활성 스폰지에 대한 설명입니다.”

그러나 압착 과정은 물을 이동시키는 데 시간이 걸리기 때문에 연구자들은 근섬유를 통한 물의 이러한 이동이 근섬유가 얼마나 빨리 트 위치할 수 있는지에 대한 상한선을 설정한다고 의심했습니다.

그들의 이론을 테스트하기 위해 그들은 매우 빠른 움직임을 위해 근육을 사용하는 동물에 초점을 맞춰 포유류, 곤충, 새, 어류 및 파충류에 걸쳐 다양한 유기체의 근육 움직임을 모델링했습니다. 그들은 방울뱀 꼬리의 딸랑이와 같이 초당 10~000회 수축할 수 있는 소리를 생성하는 근육이 일반적으로 유체 흐름에 의존하지 않는다는 것을 발견했습니다. 대신, 이러한 수축은 신경계에 의해 제어되며 분자 특성, 즉 세포 내 분자 모터가 결합하여 힘을 생성하는 데 걸리는 시간에 의해 더욱 강력하게 결정됩니다.

그러나 초당 수백에서 수천 번 날개를 치는 날아다니는 곤충과 같은 작은 유기체에서는 이러한 수축이 뉴런이 직접 제어하기에는 너무 빠릅니다. 여기서는 유체 흐름이 더 중요합니다.

“이러한 경우에 우리는 근섬유 내의 유체 흐름이 중요하며 능동 유압 메커니즘이 가장 빠른 수축 속도를 제한할 가능성이 높다는 것을 발견했습니다.”라고 Shankar는 말했습니다. “모기와 같은 일부 곤충은 이론적으로 예측한 한계에 가까운 것처럼 보이지만, 우리의 예측을 확인하고 이의를 제기하려면 직접적인 실험 테스트가 필요합니다.”

연구자들은 또한 근육 섬유가 활성 스펀지 역할을 할 때 그 과정으로 인해 근육이 활성 탄성 엔진 역할을 하게 된다는 사실도 발견했습니다. 고무줄과 같이 탄성이 있는 물체는 변형에 저항하려고 에너지를 저장합니다. 두 손가락 사이에 고무줄을 잡고 뒤로 잡아당긴다고 상상해 보세요. 고무밴드를 풀면 밴드가 늘어나는 동안 저장된 에너지도 방출됩니다. 이 경우 에너지가 보존됩니다. 이는 닫힌 시스템 내의 에너지 양이 시간이 지나도 동일하게 유지되어야 한다는 물리의 기본 법칙입니다.

그러나 근육이 화학적 연료를 기계적 일로 전환하면 엔진처럼 에너지를 생산할 수 있어 에너지 보존 법칙을 위반하게 됩니다. 이 경우 근육은 “이상한 탄력성”이라는 새로운 특성을 나타내며, 한 방향에 대해 다른 방향으로 눌렸을 때 근육의 반응은 상호적이지 않습니다. 고무줄과 달리 근육은 길이에 따라 수축하고 이완할 때 수직으로 돌출되어 에너지가 동일하게 유지되지 않습니다. 이를 통해 근육 섬유는 반복적인 변형으로부터 힘을 생성하여 부드러운 엔진처럼 작동합니다.

“이러한 결과는 분자적 세부 사항에 초점을 맞추고 근육이 길고 섬유질이며 수분을 공급받고 다양한 규모의 과정을 가지고 있다는 사실을 무시하는 일반적인 생각과 대조됩니다.”라고 Shankar는 말했습니다. “모두 합쳐서, 우리의 결과는 근육 기능이 생리학을 이해하는 데 어떻게 필수적인지에 대한 수정된 관점을 제시합니다. 이는 또한 다양한 형태의 동물 움직임의 기초가 되는 기원, 범위 및 한계를 이해하는 데 중요합니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/07/240711215518.htm