Мышцы и локомоция
Как животные превращают химическую энергию в движение: молекулярный механизм мышечного сокращения и механика плавания, полета, бега и ползания.
Definition
Мышца — это сократительная ткань, которая генерирует силу и движение посредством взаимодействия актиновых и миозиновых нитей, а локомоция — это самодвижущееся перемещение животного в окружающей среде, достигаемое действием мышц на скелетные или гидростатические опоры.
Scope
Эта область охватывает сравнительную физиологию мышц и движения: структуру мышц и механизм сокращения скользящих нитей, энергетику и типы мышечных волокон, биомеханику, которая преобразует мышечную силу в движение, а также разнообразные способы локомоции и их эффективность. Она охватывает молекулярный, клеточный и организменный уровни, а также то, как движение соотносится с размером тела и средой. Охват является сравнительным и механистическим, а не клиническим.
Sub-topics
Core questions
- Как мышца преобразует химическую энергию в силу и укорочение?
- Как мышечные волокна различаются по скорости, устойчивости к утомлению и энергообеспечению?
- Как мышечная сила преобразуется в полезное движение скелетами и конечностями?
- Какие способы локомоции развились и что делает движение эффективным?
Key theories
- Теория скользящих нитей сокращения
- Мышца укорачивается не потому, что укорачиваются ее нити, а потому, что актиновые и миозиновые нити скользят относительно друг друга; эта модель была независимо предложена двумя группами на основе микроскопического исследования сокращающейся мышцы.
- Цикл поперечных мостиков
- Сила и скольжение создаются головками миозина, которые многократно прикрепляются к актину, тянут, отсоединяются и снова прикрепляются в цикле, который приводится в действие гидролизом АТФ и регулируется кальцием, что объясняет механические свойства мышц.
Mechanisms
Поперечно-полосатая мышца состоит из саркомеров, в которых переплетающиеся актиновые и миозиновые нити скользят относительно друг друга, укорачивая волокно. Сокращение запускается, когда потенциал действия высвобождает кальций из саркоплазматического ретикулума, открывая места связывания на актине, так что головки миозина циклически проходят через прикрепление, силовой ход и отсоединение, при этом каждый цикл потребляет АТФ. Мышечные волокна различаются по скорости сокращения и по тому, полагаются ли они на аэробный или анаэробный метаболизм, что дает медленные, устойчивые к утомлению и быстрые, мощные типы, подходящие для различных задач. Мышцы действуют на скелетные рычаги или на гидростатические скелеты для производства движения, и результирующая механика зависит от размера тела, при этом локомоция при плавании, полете, беге и рытье демонстрирует характерные затраты на передвижение. Сравнительные исследования связывают эти затраты с размером тела и средой, показывая, почему каждый способ движения эффективен в своих условиях.
Clinical relevance
Молекулярное понимание сокращения и сравнительное изучение энергетики мышц лежат в основе анализа мышечной работоспособности, утомления и энергетических затрат при физической нагрузке и локомоции. Эта статья носит образовательный характер и не предоставляет медицинских рекомендаций.
History
Термодинамические исследования мышц А. В. Хилла и независимые предложения теории скользящих нитей Эндрю Хаксли с Рольфом Нидергерке и Хью Хаксли с Жаном Хэнсоном в 1954 году установили, как сокращается мышца. Сравнительные биомеханики, такие как Роберт Макнейл Александер, позже анализировали, как мышцы обеспечивают разнообразную локомоцию животных.
Key figures
- Andrew Huxley
- Hugh Huxley
- Archibald Vivian Hill
- Robert McNeill Alexander
Related topics
Seminal works
- huxley1954
- huxleyhanson1954
- hill2016
Frequently asked questions
- Что гласит теория скользящих нитей?
- Она гласит, что мышца сокращается потому, что актиновые и миозиновые нити скользят друг относительно друга, а не уменьшаются в размере, поэтому перекрывающиеся нити увеличивают свое перекрытие во время сокращения.
- Почему одни мышцы быстрые, а другие медленные?
- Мышечные волокна различаются по своим сократительным белкам и энергообеспечению: быстрые волокна предназначены для быстрых мощных усилий, а медленные волокна — для продолжительной, устойчивой к утомлению работы.