Tajemství letu čmeláka: Nevysvětlitelná rychlost hmyzích křídel
Čmelák mávne křídly stodvacetkrát za vteřinu. Komár jimi kmitá ještě čtyřikrát rychleji. Přitom žádný sval lidského těla není takového výkonu schopen. V čem spočívá tajemství hmyzího letu?
Podle některých fyziologů si hmyz vyvinul svůj vlastní mechanismus svalových stahů. Evoluce mu například nadělila troponiny, které vyvolají potřebnou rotaci aktinových vláken bez toho, že by se na ně musely vázat ionty vápníku. Tím by v pracujících svalech hmyzu odpadal „úklid“ vápníkových iontů. Díky éto časové úspoře by mohly svalové stahy následovat rychleji po sobě. Savci včetně člověka ničím podobným nedisponují. Ale je to skutečně tak? Nebo svaly obratlovců a hmyzu pracují na jedněch a těch samých principech?
Let zachycený kamerou
Japonští vědci z výzkumného centra v Hyogo se rozhodli přijít záhadě hmyzího letu na kloub. Využili toho, že jejich centrum provozuje vysoce výkonný urychlovač částic SPring-8 schopný generovat tenoulinké svazky rentgenového záření. Rentgenovému paprsku pak postavili do cesty upoutaného čmeláka, který ze všech sil mával křídly a snažil se uletět.
Rentgenový paprsek procházel pracujícím létacím svalem a jeho záření se ohýbalo na molekulách, které zajišťovaly, že se sval stáhne sto dvacetkrát za sekundu. Z ohybu záření se dá usoudit, jaký tvar má molekula, v jejíž blízkosti došlo k ohybu záření. Tímto způsobem byla například odhalena dvojitá šroubovice DNA. Zatímco vzorek DNA zůstává při zkoumání bez hnutí a je to tedy „stojící cíl“, molekuly v pracujícím svalu se mrskají strhujícím tempem.
Vědci proto museli snímat změny v ohybu rentgenových paprsků velmi rychle. Použili k tomu speciální kameru pořizující každou sekundu 5 000 záběrů! Každý stah létacího svalu tak byl v průměru zachycen na 40 snímcích.
Příprava, na jakou lidé nestačí
Co vědci ze záběrů rychloběžné kamery vyčetli? Snímky ukázaly, že se molekuly myozinu během uvolnění svalu a natažení svalového vlákna předem natáčejí do polohy, v které se budou při příštím stahu svalu pevněji vázat na aktinová vlákna. Sval čmeláka se už v rámci uvolnění připravuje na další stah. Proto se dokáže smrštit velmi záhy po předchozím svalovém stahu a přitom práci vykoná s potřebnou intenzitou.
„Nabíjení“ uvolněného svalu s předstihem pro novou práci není specialita hmyzu. Prakticky totožný mechanismus „předběžné přípravy“ na budoucí stah využívají i některé svaly v těle obratlovců, například lidská srdeční svalovina. Lidské srdce ovšem není schopné 120 tepů za sekundu. Špičkové tepové frekvence mohou při enormní námaze stoupnout na hodnoty kolem 200 tepů za minutu. Přesto odvádí lidské srdce úžasný výkon, když vydrží neúnavně a bez přestávky tepat v průměru sedmdesátkrát za minutu po dlouhá desetiletí.
TIP: Hmyz a vyšší matematika: Jak a podle čeho hledají zvířata správnou cestu?
Svaly hmyzu včetně létacích svalů čmeláka pracují na stejném principu jako některé svaly člověka a dalších obratlovců. Hmyz si podle studie japonských vědců nevyvinul žádné speciální mechanismy pro svalovou práci. Někteří odborníci přesto nelámou hůl nad teoriemi o speciálních mechanismech, které dovolují vysokou frekvenci svalových stahů u létacích svalů nejrůznějších zástupců hmyzu. Do starého železa podle kritiků japonské studie stále ještě nepatří specializované hmyzí troponiny nezávislé na vápníkových iontech. Hmyz je jimi zjevně vybaven a je skoro jisté, že mu je příroda neopatřila jen tak pro nic za nic. Určitě jsou ve svalech čmeláků, komárů a dalších „vysokofrekvenčních“ hmyzích letců k něčemu dobré. K čemu? To napoví další výzkum.
Jak pracuje sval, aneb důležitý „molekulární úklid“
Práce svalu má své zákonitosti. Na počátku doputuje nervem ke svalovému vláknu povel ke smrštění a v první reakci na nervový vzruch se do svalu uvolní ionty vápníku. Ty se navážou na molekuly bílkoviny troponinu navěšené na dlouhém tenkém vláknu bílkoviny aktinu. Tropin, jenž byl právě „pocukrován“ vápníkovými ionty, donutí své „nosné lano“ z aktinu k rotaci. Tímto natočením se na aktinovém vláknu odkryjí místa, kam se může navázat další významný aktér svalového stahu – bílkovina zvaná myozin.
Také molekuly myozinu jsou uspořádány do dlouhých vláken. Na rozdíl od tenkých aktinových vláken jsou myozinová vlákna podstatně tlustší. Z každého vybíhají do všech stran „hlavičky“ molekul myozinu. Proto vypadá myozinové vlákno tak trochu jako dlouhý stromek s hustým větvovím. Na konci každé „větvičky“ se nachází bambulovitá „hlavička“ myozinu, která se přichytává na odkrytá vazebná místa pootočeného aktinového vlákna. Po zachycení na aktin se „větvička“ myozinu zkroutí a zatáhne přitom za připojené aktinové vlákno. Tím se aktinové a myozinové vlákno vůči sobě posunou a svalová buňka se zkrátí. Smrštěním buněk dochází ke stáhnutí svalu. Poté, co se sval stáhnul, se aktinová a myozinová vlákna od sebe zase oddělí a sklouznou zpět. Stah svalu povolí a sval se protáhne.
Každé jeho smrštění vyžaduje vydatnou porci energie, a pokud má sval pracovat opakovaně, musí načerpat novou energii a kromě jiného také „zamést“ volné vápníkové ionty. Tento „molekulární úklid“ si vyžádá určitý čas. A právě to je kámen úrazu při rychle se opakujících svalových stazích. Frekvence stahů svalu je omezená dobou, jakou potřebuje sval k tomu, aby byl znovu uveden do plné pohotovosti. Proto svaly lidské paže nebo nohy nezvládnou stovky stahů za sekundu tak, jak to dokážou létací svaly hmyzu.
