I ricercatori hanno osservato che circa il 70% della composizione delle cellule muscolari è costituita da acqua. Tuttavia, fino ad ora, non era chiaro quale fosse il ruolo esatto dell’acqua nella determinazione delle prestazioni muscolari. Studi precedenti si erano concentrati principalmente sul funzionamento molecolare, trascurando l’importanza della struttura tridimensionale e fluidica delle fibre muscolari.
Il fisico Suraj Shankar dell’Università del Michigan, in collaborazione con L. Mahadevan, professore di fisica all’Università di Harvard, ha sviluppato un modello teorico che evidenzia come il movimento del fluido all’interno di una fibra muscolare determini la sua capacità di contrarsi rapidamente. Hanno scoperto che il muscolo mostra una forma di elasticità precedentemente non riconosciuta, chiamata “elasticità dispari”, che permette al muscolo di generare potenza attraverso deformazioni tridimensionali. Questo fenomeno è osservabile quando una fibra muscolare si contrae in lunghezza e, contemporaneamente, si espande perpendicolarmente.
Le implicazioni di questa ricerca sono vastissime, estendendosi oltre la fisiologia muscolare a molte altre cellule e tessuti ricchi di acqua. Questo quadro teorico può descrivere anche i movimenti ultra-rapidi di microorganismi unicellulari e influenzare il design di attuatori morbidi, muscoli artificiali veloci e materiali capaci di cambiare forma, i quali attualmente hanno velocità di contrazione limitate poiché dipendono da stimoli esterni.
I risultati, pubblicati sulla rivista Nature Physics, suggeriscono che una visione integrata e olistica del muscolo, considerato come un materiale complesso e organizzato gerarchicamente piuttosto che semplicemente come un insieme di molecole, può offrire risposte nuove e inaspettate a domande fondamentali sulla contrazione muscolare e sulla generazione di potenza.
Shankar descrive ogni fibra muscolare come una spugna attiva auto-comprimibile, un materiale simile a una spugna riempita d’acqua che può contrarsi e comprimersi attraverso l’azione di motori molecolari. Questi componenti formano una rete porosa immersa in acqua, che può essere descritta efficacemente come una spugna attiva.
Il processo di compressione, che implica lo spostamento dell’acqua, potrebbe limitare la velocità massima con cui una fibra muscolare può contrarsi. Questo è particolarmente rilevante in organismi più piccoli, come gli insetti volanti, dove le contrazioni sono troppo rapide per essere controllate direttamente dai neuroni e il flusso di fluidi diventa un fattore critico.
Inoltre, quando le fibre muscolari agiscono come una spugna attiva, si comportano anche come un motore elastico attivo. A differenza di un elastico, che conserva energia quando viene deformato, il muscolo può produrre energia come un motore, mostrando la proprietà di “elasticità dispari”, dove la risposta alla compressione in una direzione non è uguale alla risposta in un’altra.
In sintesi, questi risultati sfidano il pensiero prevalente che si concentra sui dettagli molecolari e trascurano il fatto che i muscoli sono lunghi, filamentosi, idratati e operano su più scale. Questo studio sottolinea l’importanza di rivedere la nostra comprensione della funzione muscolare per comprendere pienamente la sua fisiologia e le basi delle diverse forme di movimento animale.