Мышца - непревзойденный двигатель

Хорошо известно, что все Движения животные производят благодаря мышцам. Они приводят в движение и ноги жирафы, и крылья бабочек, и хелицеры пауков, и челюсти акул.

Многие тайны строения и функционирования этого исключительного "биологического двигателя" сегодня известны. Но мы далеко не знаем всего, что необходимо Для понимания того, каким образом мышца накапливает силу и производит движение.

Из анатомии (и даже эмпирически, если внимательно посмотрим в кастрюлю, где варится мясо) мы знаем, что мышца состоит из более толстых или тонких полос. Под лупой они выглядят как пучки тонких нитей, именуемых мышечными волокнами, которые, по сути, являются специфическими клетками мышцы толщиной 0,1-0,2 миллиметра и длиной от 1-2 мм до нескольких сантиметров, в зависимости от типа мышцы и вида животного. Увеличенные в 1000-2000 раз линзами микроскопа, мышечные волокна раскрывают свое внутреннее строение. От остальных клеток тела их отличает наличие в протоплазме большого числа очень тонких волокон (толщиной до одной тысячной миллиметра), именуемых мышечными фибриллами. В свою очередь фибриллы состоят из еще более тонких нитей, миофиламентов. Необходимо соединить вместе около 150000 таких миофиламентов, чтобы получать толщину, равную одному миллиметру. Миофиламенты сплетены в определенном строгом порядке: один более толстый, Два потоньше, опять один более толстый. Они могут смещаться относительно друг друга и соединены мостиками. Во время отдыха мостики разъединены и волокна расслаблены. Во время работы мостики соединяются, фибриллы сцепляются сильнее, а волокно укорачивается, т. е. напрягается. И поскольку все фибриллы волокна напрягаются одновременно, укорачивается, сокращается волокно целиком. Сокращение всех волокон мышцы или только некоторых из них ведет к сокращению мышцы. Механизм сокращения мышцы невозможно было объяснить без помощи электронного микроскопа. Откуда же мышца берет силу для сокращения? "Сырьем" является молекула аденозиндифосфата (АДФ), которая наряду с другими атомами включает и атомы фосфора, связанные с атомами кислорода. Эта молекула обладает свойством легко распадаться: один атом фосфора и несколько атомов кислорода отрываются от остальной молекулы, высвобождая много энергии. В мышечном волокне основной функцией АДФ является поставка "топлива", необходимого для сокращения мышцы. Сокращение означает движение: сокращаясь, мышца увлекает за собой кости, к концам которой она присоединена. Но сокращение мышцы означает и силу: оно преодолевает силу тяжести органа, тела и даже гравитацию. В результате производимой ею "механической работы" мышца устает быстрее (после скоростного бега) или медленнее (например, мышцы створок раковины или крыльев, птиц). Независимо от интенсивности усилия мышца должна "отдыхать". Даже у сердца, которое бьется всю жизнь, во время очередного сокращения работает только половина волокон, а вторая половина в это время отдыхает. Во время паузы мышца восстанавливает свои запасы АДФ. Энергия для восстановления молекул АДФ получается от сгорания питательных веществ, поступающих с пищей, из которых самыми важными являются сахар и жиры и которые доставляются к мышце кровью. Сгорание осуществляется с помощью кислорода, а энергия постепенно накапливается в клеточных "складах". Поэтому, когда работаем, мы должны хорошо питаться, а в горах, когда чувствуем усталость при подъеме, небольшое количество сахара поможет нам восстановить силы.

Таким образом, в общих чертах мышцы можно сравнить с двигателем. Мышечные волокна для мышц представляют то же, что поршни для Двигателя. АДФ имеет то же предназначение, что и бензин, а нервный импульс можно сравнить с искрой от свечи. Само собой разумеется, сходство не исключает коренного различия: строение мышечной клетки бесконечно сложнее, двигатель сам не производит топливо, в то время как мышца синтезирует АДФ, нервный импульс действует иначе, чем электрическая искра.

На основании процессов, имеющих место в мышце, где химическая энергия преобразуется в механическую, Два швейцарских инженера создали модель мышцы. Для этого вместо мышечной ткани они использовали вещество с очень крупными молекулами - полиакриловую кислоту. Из этой кислоты была изготовлена тонкая пленка. Помещенная в кислый раствор пленка изменяет свое молекулярное состояние и слегка скручивается. Если ее поместить затем в щелочной раствор, она удлинится и разгладится, а если ее снова тут же перевести в кислую среду, она снова скрутится, и так далее. Таким образом в результате простой смены химической среды пленка изменяет свою форму, совершает движение, ведет себя наподобие мышцы. Если к этой "мышце" присоединить тяжесть, она будет производить механическую работу.

Значит, перед нами путь прямого превращения химической энергии в механическую. Шнур из полиакриловой плёнки диаметром 1 см может поднять груз весом 100 кг, что является многообещающим результатом для техники, даже если ученым до сих пор удалось добиться лишь 3-4 сокращений в минуту.