Ученые рассказали о верхнем пределе скорости мышц
Биологи установили, что мышцы позвоночных животных не могут делать более 250 сокращений в секунду. Во всяком случае, ни один вид в ходе эволюции не смог побить этот рекорд.
К такому выводу пришли американские специалисты из Вермонтского университета, чья статья опубликована в журнале eLife.
Сверхбыстрые мышцы встречаются среди разных групп позвоночных, и обычно они связаны с акустической активностью. Например, такие мышцы располагаются в хвосте гремучих змей и отвечают за вибрацию плавательного пузыря у поющих рыб. Аналогичная мускулатура обеспечивает эхолокационные сигналы летучих мышей и пение птиц.
Авторы статьи решили выяснить, могут ли животные наращивать скорость мышечных сокращений в неограниченных пределах. Для этого они изучили акустическую мускулатуру поющих рыб-жаб, а также на мышцы гортани летучих мышей и мышцы сиринкса, голосового органа птиц, расположенного в основании трахеи.
Оказалось, что в сверхбыстрых мышцах разных групп животных активируются разные версии моторного белка миозина, то есть такие мышцы возникли в ходе эволюции независимо. Но при этом у таких далеких друг от друга существ, как рыбы, птицы и летучие мыши, наивысшая скорость мышечных сокращений примерно одинакова и составляет 250 Гц.
Именно эту величину ученые и сочли верхним пределом скорости мышц. По их словам, существование такого предела связано со структурными особенностями мускулатуры. А именно, каждое сокращение связано с поступлением в мышечные клетки ионов кальция, который депонируется в саркоплазматическом ретикулюме (СР). Чем быстрее мышцы сокращаются, тем больше должен быть запас кальция и тем больше места должен занимать СР. Кроме того, возрастает и количество митохондрий, которые обеспечивают мышцы энергией.
В какой-то момент СР и митохондрии начинают занимать в мышечных клетках слишком много объема, так что для сократительных белков актино-миозинового комплекса остается мало места. То есть по мере роста скорости сокращения мышц их сократительная способность падает, и в конечном счете мышца утрачивает функциональность. Верхний предел мышечный скорости определяется компромиссным значением двух этих параметров.
Интересно, что цифра 250 Гц имеет лимитирующее значение только для позвоночных животных. У насекомых, в асинхронной мускулатуре которых работа мышечных волокон не зависят от поступления кальция, скорость сокращений может достигать нескольких сотен Гц. Примером этого служат летательные мышцы пчел и мух.