Η βιολογική μηχανή που λέγεται μυς
Συγγραφέας Ιωάννης Χατζημηνάς Γράφτηκε στις ,
Στο ισόγειο του Science Museum στην Exhibition Road του Λονδίνου, βρίσκονται εκτεθειμένες οι πρώτες ατμομηχανές «μεγαθήρια» που κατασκεύασε στο δέκατο όγδοο αιώνα ο ιδιοφυής και χαλκέντερος εκείνος Σκοτσέζος, που άκουε στο όνομα James Watt. Και κάθε φορά που τα περιεργάζομαι έξι ή εφτά φορές ως τώρα! η ίδια πάντα σκέψη μου τριβελίζει το μυαλό!
Εδώ, με αυτά τα χονδροειδή κατασκευάσματα, έχουμε τις πρώτες πετυχημένες μηχανές, με τις οποίες ο άνθρωπος επιχείρησε – και τελικά πέτυχε να μετατρέψει τη χημική ενέργεια , που περιέχεται στο ξύλο, στο κάρβουνο, στο πετρέλαιο, στο οινόπνευμα, κλπ., σε μηχανική ενέργεια, και να κινήσει με αυτή αντλίες, ανυψωτικά μηχανήματα, τρυπάνια, ολόκληρα εργοστάσια κάθε μορφής, ηλεκτρογεννήτριες, τρένα, πλοία, υποβρύχια ,αυτοκίνητα, αεροπλάνα, πυραύλους, κλπ.
Εδώ πέρα έχουμε μπροστά μας τα υλικά τεκμήρια της έναρξης των πλέον ουσιαστικών ίσως αλλαγών της ιστορικής πορείας της ανθρωπότητας. Πραγματικά, από τον καιρό που ο άνθρωπος φάνηκε πάνω στη Γη, και μέχρι πριν από 200 περίπου χρόνια, αν εξαιρέσουμε τη δύναμη του ανέμου, που την εκμεταλλεύτηκε για την κίνηση πλοίων και ανεμόμυλων, καθώς και τη δύναμη των υδατοπτώσεων, με τοπική μόνο, πολύ περιορισμένη εκμετάλλευση, άλλη πηγή μηχανικής ενέργειας δεν διέθετε, εκτός από τη μυϊκή δύναμη, τη δική του και των ζώων που είχε εξημερώσει. Με αυτήν έκτισε τις πυραμίδες, το Σινικό τείχος, τον Παρθενώνα και τους υπέρκομψους και μεγαλοπρεπείς καθεδρικούς ναούς της κεντρικής Ευρώπης.
Με τη χρήση της μυϊκής δύναμης, της δικής του και των ζώων, όργωνε, για πολλές χιλιετίες, τα χωράφια, και κατασκεύαζε όλα όσα χρειάζονταν για τις καθημερινές του ανάγκες.. Από την ίδια πηγή ενέργειας αντλούσε τη δύναμη για το κυνήγι ή για τη μάχη, για το χτίσιμο της κατοικίας του, των φρουρίων, των οχυρωματικών έργων και των ναών του.
Σήμερα βέβαια, η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική. Ο άνθρωπος έχει πια στη διάθεσή του την απεριόριστη δύναμη των μηχανών, με την οποία πραγματοποιεί απίθανα επιτεύγματα στον τομέα της τεχνολογίας, της βιομηχανίας, της οικοδομής, των ταξιδιών, και γενικά της μετακίνησής του σε οποιοδήποτε σημείο της Γης, ακόμα και του διαστήματος! Η σημασία της μυϊκής δύναμης και της «μηχανής» που την παράγει έχει περιοριστεί πια σε μια άλλη, διαφορετική, προσωπική διάσταση.
Μέσα στα βάθη όμως του χρόνου, κάπου πριν από λίγα δισεκατομμύρια χρόνια, πρέπει να βρίσκονται κρυμμένα τα αρχέτυπα μιας άλλης μηχανής, που κατέστησε κατορθωτή την κίνηση των ζωντανών οργανισμών. Η εξέλιξη αυτής της «βιολογικής μηχανής» εμφανίζεται ακόμα περισσότερο καταπληκτική όταν τη μελετήσουμε από κοντά και ανακαλύψουμε την τρομερή πολυπλοκότητα της δομής της, καθώς και την τελειότητα της λειτουργίας της.
Την προσεχή φορά που θα θαυμάσετε τον άλτη «επί κοντώ» να υπερπηδά τα 5,75 μ, ή το δρομέα των 100 να τα καλύπτει στα 9,80 sec, αναλογιστείτε τους υπομικροσκοπικούς μηχανισμούς που βρίσκονται σε δράση εκείνη την ώρα μέσα στους μυς του και στο νευρικό του σύστημα που τους κατευθύνει Το ίδιο μπορείτε να κάνετε και όταν απολαμβάνετε τη μελωδία που αναδύεται από το βιολί ενός βιρτουόζου ή όταν παρακολουθείτε τις κινήσεις του ταχυδακτυλουργού, του χορευτή ή της χορεύτριας. Αυτή η μηχανή είναι απόλυτα δική μας, αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι του σώματός μας, είναι μέρος της προσωπικότητάς μας, δεν είναι το αυτοκίνητό μας, είναι ένα σημαντικότατο κομμάτι του εαυτού μας, είναι οι μύες μας! Που πρέπει, στο κάτω κάτω να τους φροντίζουμε , τουλάχιστο όσο και το μηχανάκι μας.
Τώρα, αν θέλετε εσείς που ασχολείστε με τον αθλητισμό, ή που γυμνάζεστε εντατικά να μάθετε τα θαυμαστά μυστικά της βιολογικής μηχανής που είναι το σύστημα των μυών του ανθρωπίνου σώματος, ελάτε να παρακολουθήσετε ένα μάθημα Φυσιολογίας, όπως αυτά που έκανα τόσα χρόνια στους φοιτητές της Ιατρικής που είχα την ευκαιρία να διδάξω.
Ο μυϊκός ιστός είναι η βιολογική μηχανή, με την οποία η χημική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανικό έργο, σε ολόκληρο το ζωικό βασίλειο και βέβαια και στον άνθρωπο. Αν εξετάσουμε οποιοδήποτε ζωντανό πλάσμα, από το μόλις ορατό με γυμνό μάτι μαμούνι ως τον ελέφαντα ή τη φάλαινα, θα παρατηρήσουμε ότι περπατάει, τρέχει, πηδάει, πετάει, κολυμπάει, τρώει, αναπνέει, κλπ., με κινήσεις που επιτελούνται με τη χρησιμοποίηση των μυών του. Ακόμα και οι κινήσεις που γίνονται στο εσωτερικό του σώματος και δεν υποπίπτουν στην άμεση αντίληψή μας, όπως είναι η κίνηση της καρδίας για την κυκλοφορία του αίματος, είτε οι κινήσεις του γαστρεντερικού σωλήνα και των άλλων εσωτερικών οργάνων του σώματος επιτελούνται από κάποιο είδος μυϊκού ιστού.
Εδώ όμως θα εξετάσουμε, σε αδρές γραμμές, τη δομή και τη λειτουργία των σκελετικών ή γραμμωτών μυών, δηλαδή των μυών εκείνων, με την ενέργεια των οποίων κινούμε τα χέρια και τα πόδια μας, τον κορμό και το κεφάλι μας, ή ακόμα και τα μάτια και τη γλώσσα μας Το σύνολο των γραμμωτών (ή σκελετικών ) μυών, σε ένα καλά αναπτυγμένο άτομο, είναι γύρω στα 40 ως 50% του σωματικού του βάρους, δηλαδή σ ένα άτομο με σωματικό βάρος γύρω στα 65 κιλά, οι μύες του ζυγίζουν γύρω στα 25 ως 30 κιλά. Στη γυναίκα αντιστοιχεί το χαμηλότερο και στον άνδρα το ψηλότερο ποσοστό μέσα στο παραπάνω πλαίσιο.
Η βασική μορφολογική και λειτουργική μονάδα των μυών είναι η μυϊκή ίνα. Ο κάθε μυς αποτελείται από πολλές χιλιάδες, ως ακόμα και λίγα εκατομμύρια μυϊκές ίνες, Η κάθε μυϊκή ίνα είναι ένα συγκύτιο, δηλαδή κύτταρο που προέρχεται από τη σύντηξη πολλών χιλιάδων μικρών κυττάρων. Κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης του εμβρύου, έχει σχήμα κυλινδροειδές, με διάμετρο 30 ως 60 μm (εκατομμυριοστά του μέτρου) και μήκος όση είναι απόσταση από τον ένα ως τον άλλο τένοντα του μυός. Αυτό, στο αναπτυγμένο άτομο, σημαίνει μήκος από 1 2 cm ( εκατοστόμετρα) ως και γύρω στα 15 cm. Οι περισσότεροι σκελετικοί μύες εκφύονται από ορισμένα σημεία των οστών και καταφύονται σε άλλα σημεία πάλι σε οστά, με την παρεμβολή πολύ ανθεκτικού συνδετικού ιστού, που σχηματίζει τους δυο τένοντες του μυός.
Ανάμεσα στις μυϊκές ίνες υπάρχει συνδετικός ιστός (κατά κύριο λόγο ίνες από κολλαγόνο), όπως και γύρω από ολόκληρο τον μυ, σαν ένα είδος περιβλήματος. Μέσα σ αυτό το συνδετικό ιστό υπάρχουν τα αιμοφόρα αγγεία (αρτηρίες, αρτηρίδια, πυκνό δίκτυο από τριχοειδή, φλεβίδια, φλέβες), καθώς και τα λεμφαγγεία.
Επιπρόσθετα, μέσα στον ίδιο αυτόν ιστό βρίσκονται και οι σωματικές κινητικές νευρικές ίνες, οι οποίες προέρχονται από τον εγκέφαλο είτε από το νωτιαίο μυελό. Η καθεμιά από αυτές τις νευρικές ίνες διακλαδίζεται σε ένα αριθμό νευρικών κλωνίων (από 2 3 ως και 600), που το καθένα καταλήγει σε σύναψη (τελική κινητική πλάκα), στο μέσο περίπου της κάθε μυϊκής ίνας. Με τις νευρικές αυτές ίνες φέρονται από το νευρικό σύστημα οι νευρικές διεγέρσεις (νευρικές ώσεις), που πυροδοτούν τη λειτουργία της καθεμιάς μυϊκής ίνας.
₼λλα στοιχεία που υπάρχουν μέσα στο μυ είναι νευρικά κλωνία του συμπαθητικού νευρικού συστήματος, που καταλήγουν στα τοιχώματα των αγγείων του μυός. Ανά διαστήματα, ανάμεσα στις μυϊκές ίνες, υπάρχουν ειδικοί υποδοχείς διάτασης (μυϊκές άτρακτοι), που ενεργοποιούνται περισσότερο ή λιγότερο, ανάλογα με τη διάταση ή την ένταση της συστολής του μυός. Η ενεργοποίηση αυτή των μυϊκών ατράκτων προκαλεί τη γένεση, σε ειδικές νευρικές ίνες που καταλήγουν σ αυτές, νευρικών διεγέρσεων, οι οποίες άγονται στο νωτιαίο μυελό και στον εγκέφαλο, όπου παρέχουν πληροφορίες για την από στιγμή σε στιγμή λειτουργική κατάσταση του μυός.
Παρόμοιες πληροφορίες, που αφορούν, κατά κύριο λόγο τη δύναμη που εξασκείται από τους μυς πάνω στους τένοντές τους, αποστέλλονται προς το κεντρικό νευρικό σύστημα και από άλλους υποδοχείς, οι οποίοι βρίσκονται στους τένοντες. Το σύνολο των μυϊκών ινών σε όλους τους μυς στο σώμα του ανθρώπου, υπολογίζεται σε 180 εκατομμύρια περίπου. Αυτό σημαίνει ότι, αν αυτές οι ίνες τοποθετηθούν, άκρη με άκρη, η μια στη συνέχεια της άλλης, φτιάχνουν ένα μήκος που ισούται με τη μισή περίπου περίμετρο της υδρογείου στο επίπεδο του ισημερινού.
Η υπομικροσκοπική δομή της μυϊκής ίνας αποτελεί ένα «θαύμα» εξειδίκευσης βιολογικού υλικού για την εξυπηρέτηση του συγκεκριμένου σκοπού, δηλαδή της μετατροπής χημικής ενέργειας, , σε μηχανική ενέργεια, με αυστηρότατο έλεγχο όσον αφορά τον καθορισμό του χρόνου της εκδήλωσης της λειτουργίας, της διάρκειας και της έντασης της δύναμης που εξασκείται από την ίνα, κλπ. Η μυϊκή ίνα περιβάλλεται, βέβαια, όπως όλα τα κύτταρα του σώματος, από την κυτταρική μεμβράνα, και αμέσως κάτω από αυτή, κατά διαστήματα, υπάρχουν πολλοί πυρήνες. (στις ίνες με μεγάλο μήκος ο αριθμός τους ανέρχεται σε χιλιάδες).
Στο αδιαφοροποίητο πρωτόπλασμα περιέχονται γλυκόζη, γλυκογόνο και λιπίδια, δηλαδή ουσίες, από την καύση των οποίων η μυϊκή ίνα εφοδιάζεται με ενέργεια, καθώς και το λεύκωμα μυοσφαιρίνη, που έχει ως αποστολή την εναποθήκευση οξυγόνου, το οποίο αποδίδεται για χρησιμοποίηση σε περιπτώσεις που η τροφοδότηση του μυός με οξυγόνο από το αίμα δεν επαρκεί για τις ανάγκες του. Μέσα στο πρωτόπλασμα υπάρχουν επίσης και πάρα πολλά μιτοχόνδρια, δηλαδή τα οργανύλλια εκείνα, μέσα στα οποία επιτελείται η κατά στάδια οξείδωση της γλυκόζης και των λιπαρών οξέων, για τη τροφοδότηση της μυϊκής ίνας με ενέργεια. Η ενέργεια που προέρχεται από τις καύσεις χρησιμοποιείται, μέσα στα μιτοχόνδρια, για τη μετατροπή της διφοσφωρικής (ADP) σε τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP).
Με αυτό τον τρόπο η ενέργεια αποθηκεύεται, κατά κάποιο τρόπο, με μορφή που είναι άμεσα διαθέσιμη, χωρίς την ανάγκη για παραπέρα χρησιμοποίηση οξυγόνου. Η τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP) που παράγεται με αυτό τον τρόπο, μεταφέρεται στα κατάλληλα σημεία των μυϊκών ινιδίων, όπου, την κατάλληλη στιγμή, διασπάται με την επίδραση κατάλληλων ενζύμων, σε διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) και φωσφορική ρίζα, ενώ η ενέργεια που απελευθερώνεται με αυτή τη διάσπαση χρησιμοποιείται από το μηχανισμό της συστολής για την παραγωγή μηχανικού έργου είτε την εξάσκηση μηχανικής έλξης από τον μυ πάνω στις προσφύσεις του. Το ιδιαίτερο όμως χαρακτηριστικό γνώρισμα της μυϊκής ίνας είναι η διαφοροποίηση του μεγαλύτερου μέρους του πρωτοπλάσματός της σε μυϊκά ινίδια, καθώς και η μεγάλη ανάπτυξη του σαρκοπλασματικού της δικτύου. Τα μυϊκά ινίδια είναι λεπτότατοι κυλινδροειδείς σχηματισμοί, πάχους 1 μm (εκατομμυριοστό του μέτρου), που εκτείνονται από τη μια ως την άλλη άκρη της μυϊκής ίνας. Σε κάθε μυϊκή ίνα υπάρχουν, ανάλογα με το πάχος της, από 200 ως και 2.000 μυϊκά ινίδια. Το κάθε μυϊκό ινίδιο αποτελείται από αλλεπάλληλα όμοια τμήματα στη σειρά, που λέγονται σαρκομέρια, και που το καθένα έχει μήκος γύρω στα 3 4 μm. Έτσι, ένα μυϊκό ινίδιο, μέσα σε μια μυϊκή ίνα μήκους 10 cm (εκατοστόμετρα) αποτελείται από 25.000 περίπου σαρκομέρια, που είναι τοποθετημένα κατά σειρά, σε ευθεία γραμμή.
Το κάθε σαρκομέριο έχει την ακόλουθη δομή: στα δυο του άκρα, εκεί που ενώνεται με τα γειτονικά του σαρκομέρια, στη σειρά, υπάρχουν από ένας εγκάρσιος δίσκος από ειδικό λεύκωμα (δίσκος Ζ). Από την κάθε επιφάνεια αυτού του δίσκου, και συγκεκριμένα από σημεία αυτής της επιφάνειας που αντιστοιχούν στις γωνίες κανονικού εξαγώνου (όπως στη κηρύθρα που φτιάχνουν οι μέλισσες), εκφύονται 1.500 περίπου λεπτά μικκύλια, δηλαδή σχηματισμοί από μόρια ειδικού συμπλέγματος λευκωμάτων, από τα οποία το κυριότερο είναι η ακτίνη, μήκους 1 μm περίπου, τα οποία διατάσσονται παράλληλα με τον επιμήκη άξονα του μυϊκού ινιδίου.
Με αυτή τη διάταξη των λεπτών μικκυλίων παραμένει στη μέση του κάθε σαρκομερίου κενός χώρος 1 2 μm , μέσα στον οποίο βρίσκονται τα παχέα μικκύλια της μυοσίνης. Τα μικκύλια αυτά έχουν μήκος 1,6 μm, και είναι τοποθετημένα και αυτά παράλληλα με τον επιμήκη άξονα του μυϊκού ινιδίου, κατά τρόπον ώστε το καθένα να αντιστοιχεί στο κέντρο κανονικού εξαγώνου, που σχηματίζεται από τα αντικρινά του λεπτά μικκύλια.
Το σαρκοπλασματικό δίκτυο είναι ένα πολυπλοκότατο σύστημα υπομικροσκοπικών σωληναρίων, τα οποία εκτείνονται ανάμεσα στα μυϊκά ινίδια σε τρόπο που το κάθε ινίδιο να περιβάλλεται από ένα δίκτυο από αυτά τα σωληνάρια. Επιπρόσθετα, μέσα στη μυϊκή ίνα υπάρχει και το σύστημα των εγκάρσιων σωληναρίων, τα οποία περιβάλλουν το κάθε σαρκομέριο σε δυο του σημεία, κατά τα όρια μεταξύ των λεπτών και των παχέων μικκυλίων. Τα σωληνάρια αυτά, κατά διαστήματα επικοινωνούν με το εξωτερικό περιβάλλον της μυϊκής ίνας, με πόρους που εκβάλλουν πάνω στην κυτταρική μεμβράνη.
Το σαρκοπλασματικό δίκτυο φαίνεται ότι έχει σχέση με τη διακίνηση των ATP και ADP μεταξύ των μιτοχονδρίων και των μυϊκών ινιδίων, ενώ με το σύστημα των εγκάρσιων σωληναρίων μεταβιβάζεται η διέγερση από την εξωτερική κυτταρική μεμβράνη προς τις κατάλληλες θέσεις των μυϊκών ινιδίων για την πρόκληση της συστολής.. Για να επιτελέσει συστολή ο μυς, είναι ανάγκη να δεχτεί το κατάλληλο νευρικό ερέθισμα, που προέρχεται από το κεντρικό νευρικό σύστημα, δηλαδή από τον εγκέφαλο ή από το νωτιαίο μυελό.
Από κάθε νευρικό κύτταρο, από αυτά που αποτελούν τον κινητικό πυρήνα για ένα μυ, ξεκινά μια νευρική ίνα, που μαζί με πολλές άλλες φτάνει, με τη μορφή ενός νεύρου, στο μυ. Εκεί μέσα, η νευρική αυτή ίνα διακλαδίζεται σε λίγα ή πολλά κλωνία (από 2-3 ως και 600, ανάλογα με το είδος του μυός), και το κάθε κλωνίο καταλήγει σε μια τελική κινητική πλάκα μιας μυϊκής ίνας. Όλο αυτό το συγκρότημα, που περιλαμβάνει τη νευρική ίνα, η οποία προέρχεται από το κεντρικό νευρικό σύστημα, καθώς και όλες τις μυϊκές ίνες στις οποίες καταλήγουν τα κλωνία της, αποτελεί μια κινητική μονάδα. Οι μυϊκές ίνες που περιλαμβάνονται σε μια κινητική μονάδα αποτελούν, όλες μαζί, το μικρότερο τμήμα ενός μυός που είναι δυνατό να συστέλλεται με την επίδραση ενός απλού ερεθίσματος, που φέρεται με μια νευρική ίνα στο μυ.
Το ερέθισμα για τη συστολή είναι ένα βιοηλεκτρικό σήμα (νευρική ώση), που αποστέλλεται και φέρεται προς τον μυ με τη νευρική ίνα, δηλαδή την αποφυάδα ενός νευρικού κυττάρου. Μόλις αυτό το σήμα φτάσει στην τελική κινητική πλάκα της μυϊκής ίνας, απελευθερώνεται από την απόληξη του νευρικού κλωνίου μια νευροδιαβιβαστική ουσία. Αυτή η ουσία, μέσα σε χρόνο μικρότερο του ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου (1 msec), μετά από τον οποίο καταστρέφεται, επιδρά στην κυτταρική μεμβράνη της μυϊκής ίνας και τη διεγείρει, δηλαδή προκαλεί την εμφάνιση στη μεμβράνη μιας βιοηλεκτρικής διεργασίας, η οποία επεκτείνεται ταχύτατα σε ολόκληρη τη μεμβράνη και στο σύστημα των εγκάρσιων σωληναρίων.
Με τη σειρά της, η βιοηλεκτρική αυτή διεργασία επιδρά στα σημεία των μυϊκών ινιδίων, όπου τα δυο είδη των μικκυλίων γειτονεύουν μεταξύ τους , και προκαλεί τη σύνδεσή τους, ενώ ταυτόχρονα ενεργοποιείται η διάσπαση ATP προς ADP και φωσφορική ρίζα, και η ενέργεια που απελευθερώνεται με αυτό τον τρόπο χρησιμοποιείται για την κάμψη τμημάτων των παχέων μικκυλίων, με κατεύθυνση προς το μέσο του σαρκομερίου. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ότι πραγματοποιείται διείσδυση των παχέων μικκυλίων στα διαστήματα μεταξύ των λεπτών κικκυλίων, δηλαδή προκαλείται βράχυνση του κάθε σαρκομερίου μέχρι και κατά 25% του μήκους του κατά τη πλήρη χάλαση του μυός.
Η διεργασία αυτή διαρκεί, ανάλογα με το είδος του μυός , από 7 ως και 100 msec, (χιλιοστά του δευτερολέπτου). Μετά το χρονικό αυτό διάστημα, η μυϊκή ίνα μεταπίπτει στην κατάσταση ηρεμίας, δηλαδή σταματά να συστέλλεται. Για την επανάλειψη της συστολής απαιτείται ένα νέο ερέθισμα, οπότε και επαναλαμβάνονται τα παραπάνω, κ.ο.κ. Όπως όμως όλοι μας ξέρουμε, οι συστολές των μυών μας δεν διαρκούν χιλιοστά μόνο του δευτερολέπτου αλλά πολύ περισσότερο. Πως συμβαίνει αυτό;
Αυτό συμβαίνει γιατί εδώ υπεισέρχεται το φαινόμενο της άθροισης των συστολών. Όταν, δηλαδή στις μυϊκές ίνες δεν επιδρά ένα μόνο μεμονωμένο ερέθισμα, αλλά πολλά αλλεπάλληλα ερεθίσματα, σε τρόπο που το κάθε ερέθισμα (δηλαδή η κάθε νευρική ώση) επιδρά πριν να τελειώσει η προηγούμενη συστολή, τότε η διεργασία της σύνδεσης των δύο ειδών μικκυλίων μεταξύ τους, και της κάμψης τμημάτων των μικκυλίων της μυοσίνης συντηρείται με ενέργεια που προέρχεται από συνεχή διάσπαση της ATP. Υπό αυτές τις συνθήκες, η συστολή είναι συνεχής, και χαρακτηρίζεται ως τετανική συστολή. Όλες οι συστολές στο σώμα, ακόμα και οι πλέον βραχείες, είναι τετανικές συστολές.
Το κεντρικό νευρικό σύστημα αποστέλλει τις νευρικές ώσεις στους μυς με συχνότητα από 100 ως και 200 ή και περισσότερες ανά νευρική ίνα ανά δευτερόλεπτο, με συνέπεια την πρόκληση τετανικής συστολής των μυών. Όλοι μας ξέρουμε ότι, με τους ίδιους μυς, μπορούμε να εξασκήσουμε μικρή, μέτρια, είτε και μεγαλύτερη δύναμη. Πως όμως επιτυγχάνεται αυτή η ρύθμιση, η οποία στις περισσότερες περιπτώσεις έχει τέτοια ακρίβεια ώστε να επιτυγχάνεται ένα τρίποντο από απόσταση εφτά μέτρων από το καλάθι;
Αυτή γίνεται με δυο κύριους μηχανισμούς: ο πρώτος, και κυριότερος από αυτούς είναι η χρησιμοποίηση περισσότερων ή λιγότερων κινητικών μονάδων του μυός για κάθε συστολή, δηλαδή η αποστολή των νευρικών ώσεων στον μυ με μεγάλο είτε μικρότερο αριθμό νευρικών ινών. Αυτή η ρύθμιση γίνεται από το κεντρικό νευρικό σύστημα, από όπου καθορίζεται επακριβώς πόσα και ποια νευρικά κινητικά κύτταρα θα αποστέλλουν νευρικές ώσεις τόσο στο συγκεκριμένο μυ, όσο και στους συναγωνιστές και στους ανταγωνιστές του. Αν στη συστολή συμμετέχει μια μόνο κινητική μονάδα, η συστολή του μυός θα είναι η ελάχιστη δυνατή. Αν στη συστολή συμμετέχουν 2, 3, 4 10 45 1000 κ.ο.κ κινητικές μονάδες , η συστολή γίνεται ολοένα και ισχυρότερη, και αν συμμετέχουν όλες οι κινητικές μονάδες του μυός, η συστολή θα είναι η ισχυρότερη που μπορεί αυτός ο μυς να επιτελέσει. Εννοείται ότι στην πράξη, σε ένα φυσιολογικό άτομο, έστω και προπονημένο, αυτό το τελευταίο ποτέ δεν συμβαίνει, γιατί στο κεντρικό νευρικό σύστημα υπάρχουν μηχανισμοί που καθιστούν αδύνατη την ταυτόχρονη συστολή όλων των μυϊκών ινών ενός μυός, που ανήκουν σε όλες του τις κινητικές μονάδες.
Ο δεύτερος μηχανισμός είναι η μεταβολή της συχνότητας των νευρικών ώσεων που αποστέλλονται με την κάθε μια νευρική ίνα. Για παράδειγμα, αν μια τετανική συστολή επιτελείται με 100 νευρικές ώσεις ανά δευτερόλεπτο, αυτή έχει μια ορισμένη ένταση, η οποία όμως μπορεί να γίνει μεγαλύτερη εάν οι νευρικές ώσεις που αποστέλλονται στον μυ, με την κάθε νευρική ίνα που λειτουργεί, αυξηθούν, για παράδειγμα σε 200 ώσεις ανά δευτερόλεπτο. Αυτό συμβαίνει γιατί, σε αυτή την περίπτωση, επιτυγχάνεται άθροιση συστολών σε μεγαλύτερο βαθμό. Στο φυσιολογικό άτομο, η διαβάθμιση της έντασης της συστολής επιτελείται ταυτόχρονα και με τους δυο αυτούς μηχανισμούς.
Όταν μιλάμε για μυϊκή συστολή, έχουμε σχεδόν πάντα στο μυαλό μας ένα μυ που βραχύνεται κατά τη συστολή του και φυσικά παράγει με αυτό τον τρόπο ένα μηχανικό έργο. Η συστολή αυτή χαρακτηρίζεται ως ισοτονική συστολή. Για παράδειγμα, κρατάω στο χέρι μου ένα πακέτο βάρους, ας πούμε, ενός κιλού, και θέλω να το σηκώσω και να το αποθέσω στο τραπέζι. Γι αυτή την κίνηση συστέλλονται, κατά κύριο λόγο, ο πρόσθιος βραχιόνιος και ο δικέφαλος μυς, με αποτέλεσμα να πραγματοποιηθεί κάμψη του αντιβραχίου προς το βραχίονα (κάμψη του αγκώνα). Κατά τη διάρκεια αυτής της κίνησης, οι δυο αυτοί μύες επιτελούν ισοτονική συστολή.
Οι μύες, όμως, στις περισσότερες περιπτώσεις, συστέλλονται και χωρίς να βραχύνονται, και με αυτό τον τρόπο απλά εξασκούν έλξη στους τένοντές τους, χωρίς βέβαια να επιτελούν οποιοδήποτε μηχανικό έργο. Αυτού του είδους η συστολή χαρακτηρίζεται ως ισομετρική συστολή. Για παράδειγμα, αν στην παραπάνω περίπτωση της ανύψωσης του πακέτου στο ύψος του τραπεζιού, αποφασίσω να μην το αποθέσω στο τραπέζι, αλλά το κρατώ ακίνητο, με τον αγκώνα σε κάμψη, πάνω από την επιφάνεια του τραπεζιού, οι δυο μύες (πρόσθιος βραχιόνιος και δικέφαλος) εξακολουθούν να συστέλλονται και να επιτελούν ισομετρική συστολή. Ισομετρική συστολή επιτελούν επίσης και οι μυς των κάτω άκρων όταν στεκόμαστε όρθιοι.. Πράγματι, σε αυτή την περίπτωση, τόσο οι εκτείνοντες μυς (εντονότερα), όσο και οι καμπτήρες μυς (ασθενέστερα), βρίσκονται σε μια κατάσταση συνεχούς ισομετρικής συστολής, με αποτέλεσμα να διατηρούνται τα κάτω άκρα σε στάση ακαμψίας, για τη στήριξη του βάρους του σώματος χωρίς αυτά να λυγίζουν.
Εκτός από τα παραπάνω δυο είδη συστολής, ο μυς συχνά είναι υποχρεωμένος να επιτελεί συστολή, κατά τη διάρκεια της οποίας να επιμηκύνεται. Η συστολή αυτή χαρακτηρίζεται ως αρνητική συστολή. Για παράδειγμα, κατά την κάμψη του αγκώνα στο παραπάνω παράδειγμα, με την ενέργεια του πρόσθιου βραχιόνιου και του δικέφαλου, σύγχρονα με τους δυο αυτούς μυς συστέλλεται και ο τρικέφαλος μυς, ο οποίος όμως, παρά τη συστολή του, με την οποία προβάλλει αντίσταση στην κάμψη του αγκώνα, εξαναγκάζεται να επιμηκύνεται.
Γενικά στο σώμα, όταν ένας ή περισσότεροι μυς ή μια ομάδα μυών επιτελούν ισοτονική συστολή, δηλαδή βραχύνονται, με συνέπεια το κλείσιμο είτε το άνοιγμα της γωνίας μιας άρθρωσης, ένας, είτε και περισσότεροι άλλοι μύες επιτελούν αρνητική συστολή, γιατί ανταγωνίζονται τους πρώτους, αλλά με τόσο μικρή ένταση συστολής, ώστε συστελλόμενοι να επιμηκύνονται. Με αυτό τον τρόπο εξασφαλίζεται η ομαλότητα των κινήσεων που παρατηρούνται στο φυσιολογικό άτομο.
Οι μύες στο σώμα, και όταν ακόμα είμαστε ξαπλωμένοι ή ακόμα και όταν κοιμόμαστε, δεν είναι εντελώς χαλαροί. Σε όλες τις περιπτώσεις, σποραδικά μέσα στους μυς, λειτουργούν λίγες κινητικές μονάδες, με νευρικές ώσεις που δέχονται με τα νεύρα τους. Το φαινόμενο αυτό χαρακτηρίζεται ως μυϊκός τόνος και πραγματοποιείται με τον ακόλουθο τρόπο:
Από τις μυϊκές ατράκτους που περιέχονται μέσα στο μυ, ανάμεσα στις μυϊκές ίνες, αποστέλλονται προς το κεντρικό νευρικό σύστημα συνεχώς νευρικές ώσεις, με τις οποίες πραγματοποιείται η «πληροφόρηση» του συστήματος σχετικά με τη θέση και το βαθμό διάτασης του μυός. Μερικές από τις νευρικές αυτές ώσεις φτάνουν στα σωματικά κινητικά νευρικά κύτταρα του κινητικού κέντρου του μυός, τα διεγείρουν, και από εκεί αποστέλλονται νευρικές ώσεις στις μυϊκές ίνες του μυός και προκαλούν τη συστολή τους. Ο μυϊκός τόνος δεν είναι πάντα ο ίδιος σε ένα μυ, ούτε έχει την ίδια ένταση σε όλους τους μυς του σώματος. Για παράδειγμα, γενικά ο μυϊκός τόνος είναι μεγαλύτερος, ιδιαίτερα στους μυς των κάτω άκρων, όταν στεκόμαστε όρθιοι παρά όταν καθόμαστε, και είναι ακόμα ασθενέστερος όταν είμαστε ξαπλωμένοι.
Ο μυϊκός τόνος είναι ακόμα μικρότερος κατά τη διάρκεια του ύπνου. Εξάλλου, ο μυϊκός τόνος των εκτεινόντων μυών, δηλαδή εκείνων που κατά τη λειτουργία τους ανοίγουν τη γωνία μιας άρθρωσης, είναι μεγαλύτερος από τον μυϊκό τόνο των καμπτήρων μυών. Αυτό γίνεται, βέβαια, για να διευκολύνεται η όρθια στάση του σώματος, κατά την οποία οι εκτείνοντες μυς επενεργούν ενάντια στη βαρύτητα.
Ο μυϊκός τόνος είναι απαραίτητος γιατί, με τη συνεχή αυτή ισομετρική συστολή των μυών, οι διάφορες αρθρώσεις συγκρατούνται στη θέση τους. Πράγματι, η δύναμη η οποία εφαρμόζεται σε ορισμένες αρθρώσεις, μόνο από το μυϊκό τόνο είναι απίθανα μεγάλη. Έτσι, η κεφαλή του μηριαίου οστού πιέζεται μέσα στην κοτύλη της άρθρωσης, σε ένα άτομο που είναι ξαπλωμένο ανάσκελα, με δύναμη περίπου τρεις φορές μεγαλύτερη από το βάρος του σώματος.
Το φαινόμενο του μυϊκού τόνου το εκμεταλλεύεται ο οργανισμός μας και για την προφύλαξη από το κρύο. Πράγματι, σε ψυχρό εξωτερικό περιβάλλον, ο μυϊκός τόνος όλων σχεδόν των μυών του σώματος, αυξάνεται σε πολύ μεγάλο βαθμό, με συνέπεια οι συστολές των μυών να μην είναι πλέον ισομετρικές, αλλά τρομώδεις ισοτονικές, οπότε ο μυϊκός τόνος εκδηλώνεται σαν ρίγος. Η ωφέλεια προκύπτει σε αυτή την περίπτωση γιατί, με τον εξαναγκασμό σε συστολή όλων αυτών των μυών, αυξάνονται κατά πολύ οι καύσεις μέσα στους μυς, με συνέπεια την αύξηση της παραγομένης θερμότητας.
Η δύναμη που αναπτύσσεται κατά τη συστολή των μυών είναι πολύ μεγαλύτερη από όσο συνήθως νομίζεται. Αυτό συμβαίνει γιατί σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις, η δύναμη που αναπτύσσεται από τον μυ εφαρμόζεται σε μοχλοβραχίονα δύναμης πολύ μικρότερο από τον αντίστοιχο μοχλοβραχίονα της αντίστασης. Αυτό γίνεται κατανοητό αν σκεφτούμε τι γίνεται όταν κρατάμε, για παράδειγμα, πάνω στην παλάμη μας ένα βάρος πέντε κιλών, με το αντιβράχιο σε οριζόντια θέση, και σε γωνία 90 μοιρών με το βραχίονα. Με απλό υπολογισμό βρίσκεται ότι, σε αυτή τη περίπτωση, ο πρόσθιος βραχιόνιος μυς μαζί με τον δικέφαλο μυ, θα πρέπει να εξασκούν πάνω στο αντιβράχιο ελκτική δύναμη 35 κιλών.
Υπολογίζεται ότι οι μύες, στο σύνολό τους, σε ενήλικα άντρα, μπορούν να αναπτύξουν κατά τη διάρκεια ισχυρής ισομετρικής συστολής, συνολική δύναμη 22.000 κιλών, δηλαδή δύναμη 22 τόνων!
