هيدروستات عضلية

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
اللسان عبارة عن جهاز هيدروستاتيكي عضلي.

الهيكل الهيدروستاتيكي العضلي هو بنية بيولوجية موجودة في الحيوانات . يُستخدم لمعالجة الأشياء (بما في ذلك الطعام) أو لتحريك الكائن الحي، ويتكون أساسًا من عضلات دون وجود دعامة هيكلية . ويؤدي حركته الهيدروستاتيكية دون وجود سائل في حجرة منفصلة، ​​كما هو الحال في الهيكل الهيدروستاتيكي .

يعتمد الهيكل الهيدروستاتيكي العضلي، كالهيكل الهيدروستاتيكي، على حقيقة أن الماء غير قابل للانضغاط فعلياً عند الضغوط الفسيولوجية . وعلى عكس الهيكل الهيدروستاتيكي، حيث تحيط العضلات بتجويف مملوء بسائل، يتكون الهيكل الهيدروستاتيكي العضلي أساساً من نسيج عضلي. ولأن النسيج العضلي نفسه يتكون أساساً من الماء وهو أيضاً غير قابل للانضغاط فعلياً، فإن مبادئ مماثلة تنطبق عليه.

التشريح العضلي

صورة مقرّبة لخرطوم فيل آسيوي

تُوفّر العضلات القوة اللازمة لتحريك جهاز هيدروستاتيكي عضلي. ولأن العضلات لا تستطيع توليد القوة إلا بالانقباض والتقلص، فإن مجموعات العضلات المختلفة تعمل ضد بعضها البعض، حيث تسترخي إحدى المجموعات وتطول بينما تُوفّر المجموعة الأخرى القوة بالانقباض. تُسمى هذه المجموعات العضلية المتكاملة بالأزواج المتضادة .

تتجه ألياف العضلات في جهاز قياس القوة العضلية في ثلاثة اتجاهات: موازية للمحور الطولي، وعمودية على المحور الطولي، وملتفّة بشكل مائل حول المحور الطولي. [ 1 ] [ 2 ]

تترتب العضلات الموازية للمحور الطولي في حزم طولية. وكلما اتجهت هذه الحزم نحو المحيط، كلما أمكن القيام بحركات انحناء أكثر تعقيدًا. ويُلاحظ هذا التوزيع المحيطي في ألسنة رباعيات الأطراف ، وأذرع الأخطبوط ، ومجسات النوتيلوس ، وخراطيم الفيلة . أما الألسنة المُهيأة للبروز، فعادةً ما تحتوي على ألياف طولية مركزية الموقع. وتوجد هذه الألياف في ألسنة الثعابين ، والعديد من ألسنة السحالي ، وآكلات النمل من الثدييات .

قد تتخذ العضلات العمودية على المحور الطولي نمطًا عرضيًا أو دائريًا أو شعاعيًا. يتضمن الترتيب العرضي صفائح من الألياف العضلية تمتد عموديًا على المحور الطولي، وعادةً ما تتناوب بين الاتجاهين الأفقي والرأسي. يوجد هذا الترتيب في أذرع ومجسات الحبار والأخطبوط، وفي معظم ألسنة الثدييات. أما الترتيب الشعاعي، فيتضمن أليافًا تشع في جميع الاتجاهات من مركز العضو. يوجد هذا في مجسات النوتيلوس ذي الحجرات وفي خرطوم الفيل . بينما يتميز الترتيب الدائري بوجود حلقات من الألياف الانقباضية حول المحور الطولي. يوجد هذا في العديد من ألسنة الثدييات والسحالي، بالإضافة إلى مجسات الحبار.

توجد الألياف الحلزونية أو المائلة حول المحور الطولي بشكل عام في طبقتين مع اتجاهين متعاكسين وتلتف حول النواة المركزية للعضلات.

آلية التشغيل

في الهيكل العضلي الهيدروستاتيكي، تُولّد العضلات نفسها الحركة وتُوفّر الدعم الهيكلي لها. ويُمكنها توفير هذا الدعم لأنها تتكون أساسًا من "سائل" غير قابل للانضغاط، وبالتالي يكون حجمها ثابتًا. أهم سمة ميكانيكية حيوية للهيكل العضلي الهيدروستاتيكي هي ثبات حجمه. تتكون العضلات أساسًا من سائل مائي غير قابل للانضغاط تقريبًا عند الضغوط الفسيولوجية. في الهيكل العضلي الهيدروستاتيكي، أو أي بنية أخرى ذات حجم ثابت، سيؤدي انخفاض أحد الأبعاد إلى زيادة تعويضية في بُعد آخر على الأقل. [ 3 ] تعتمد آليات الاستطالة والانحناء والالتواء في الهياكل العضلية الهيدروستاتيكية على ثبات الحجم لإحداث تغييرات في الشكل في غياب ارتباطات هيكلية صلبة. [ 4 ] بما أن الهياكل العضلية الهيدروستاتيكية ذات حجم ثابت، فعندما يزداد القطر أو ينقص، يجب أن ينقص الطول أو يزداد تبعًا لذلك. عند النظر إلى أسطوانة، يكون الحجم: V = πr²l. عند اشتقاق نصف القطر بالنسبة للطول: dr/dl=-r/(2l). وبناءً على ذلك، إذا انخفض القطر بنسبة 25%، سيزداد الطول بنسبة 80% تقريبًا، مما قد يُنتج قوة كبيرة اعتمادًا على ما يحاول الحيوان فعله. [ 5 ]

الاستطالة والتقصير

أذرع ومخالب الحبار Abralia veranyi

يحدث استطالة الأعضاء في الأحواض المائية نتيجة انقباض العضلات المستعرضة أو الحلزونية. ونظرًا لثبات حجم هذه الأحواض، فإن هذه الانقباضات تُسبب استطالة العضلات الطولية. ويتناسب التغير في الطول طرديًا مع مربع النقص في القطر. [ 3 ] لذا، فإن انقباض العضلات العمودية على المحور الطولي يُسبب نقصًا في القطر، بينما يؤدي الحفاظ على حجم ثابت إلى استطالة العضو طوليًا. أما التقصير، فيحدث نتيجة انقباض العضلات الموازية للمحور الطولي، مما يؤدي إلى زيادة قطر العضو وتقصير طوله.

تحافظ العضلات المستخدمة في الإطالة والتقصير على الدعم من خلال مبدأ الحجم الثابت وعلاقاتها المتضادة. تُلاحظ هذه الآليات غالبًا في اصطياد الفرائس لدى ضفادع الأنف المجرف والحرباء ، وكذلك في لسان الإنسان والعديد من الأمثلة الأخرى. في بعض الضفادع، يمتد اللسان حتى 180% من طوله الطبيعي. [ 6 ] تُظهر الألسنة الخارجية نسب طول إلى عرض أعلى من الألسنة الداخلية، مما يسمح بزيادة أكبر في الطول (أكثر من 100% من الطول الطبيعي، مقارنةً بالألسنة الداخلية التي تبلغ الزيادة فيها حوالي 50% فقط من الطول الطبيعي). تتناسب أطوال الإطالة الأكبر عكسيًا مع القوة التي ينتجها العضو؛ فمع زيادة نسبة الطول إلى العرض، تزداد الإطالة بينما تقل القوة. [ 1 ] وقد ثبت أن الحبار يستخدم الإطالة الهيدروستاتيكية العضلية في اصطياد الفرائس والتغذية أيضًا. [ 7 ]

الانحناء

يمكن أن يحدث انحناء الهيكل الهيدروستاتيكي العضلي بطريقتين، تتطلب كلتاهما استخدام عضلات مضادة . [ 1 ] ينتج عن الانقباض الأحادي الجانب لعضلة طولية انحناء طفيف أو معدوم، ويؤدي إلى زيادة قطر الهيكل الهيدروستاتيكي العضلي نظرًا لمبدأ الحجم الثابت الذي يجب مراعاته. ولثني الهيكل الهيدروستاتيكي، يجب أن يترافق الانقباض الأحادي الجانب للعضلة الطولية مع نشاط انقباضي للعضلات المستعرضة أو الشعاعية أو الدائرية للحفاظ على قطر ثابت. كما يمكن أن يحدث انحناء الهيكل الهيدروستاتيكي العضلي عن طريق انقباض العضلات المستعرضة أو الشعاعية أو الدائرية، مما يقلل من القطر. وينتج الانحناء عن نشاط العضلات الطولية الذي يحافظ على طول ثابت على أحد جانبي الهيكل.

يُعدّ انحناء العضلات الهيدروستاتية ذا أهمية خاصة في ألسنة الحيوانات . توفر هذه الحركة الآلية التي تستخدمها الأفعى لضرب الهواء بلسانها لاستشعار محيطها، وهي مسؤولة أيضًا عن تعقيدات الكلام البشري . [ 2 ]

تصلب

يتم تحقيق تصلب الهيدروستات العضلي عن طريق مقاومة العضلات أو الأنسجة الضامة للهيدروستات للتغيرات في الأبعاد. [ 3 ]

التواء

الالتواء هو دوران الهيكل العضلي الهيدروستاتيكي حول محوره الطولي، وينتج عن ترتيب حلزوني أو مائل للعضلات [ 3 ] ذات اتجاهات مختلفة. يتطلب الالتواء عكس اتجاه عقارب الساعة انقباض حلزون يميني. أما انقباض الحلزون الأيسر فيؤدي إلى الالتواء مع اتجاه عقارب الساعة. ويؤدي الانقباض المتزامن لكلا الحلزونين الأيمن والأيسر إلى زيادة مقاومة قوى الالتواء. تقع مجموعات العضلات المائلة أو الحلزونية في الهياكل العضلية الهيدروستاتية على محيط الهيكل، محيطةً باللب الداخلي للعضلات، ويوفر هذا الموقع المحيطي عزمًا أكبر لتطبيق عزم الدوران مقارنةً بالموقع المركزي. يعتمد تأثير ألياف العضلات المرتبة حلزونيًا، والذي قد يُسهم أيضًا في تغيير طول الهيكل العضلي الهيدروستاتيكي، على زاوية الألياف - وهي الزاوية التي تُشكلها ألياف العضلات الحلزونية مع المحور الطولي للهيكل.

يبلغ طول الألياف الحلزونية أدنى قيمة له عندما تساوي زاوية الألياف 54°44′، ويبلغ أقصى طول له عندما تقترب زاوية الألياف من 0° و90°. [ 3 ] باختصار، هذا يعني أن الألياف العضلية المرتبة حلزونيًا بزاوية ألياف أكبر من 54°44′ تُولّد قوةً للالتواء والاستطالة، بينما تُولّد الألياف العضلية المرتبة حلزونيًا بزاوية ألياف أقل من 54°44′ قوةً للالتواء والتقصير. [ 8 ] يجب أن تزداد زاوية ألياف الطبقات العضلية المائلة أو الحلزونية أثناء التقصير، وأن تنخفض أثناء الاستطالة. إضافةً إلى توليد قوة الالتواء، تُولّد الطبقات العضلية المائلة قوةً للاستطالة، مما قد يُساعد العضلات المستعرضة في مقاومة الضغط الطولي.

أمثلة

خروف البحر الهندي الغربي

التطبيقات التكنولوجية

تعاون فريق من المهندسين وعلماء الأحياء لتطوير أذرع روبوتية قادرة على مناولة ومعالجة أجسام متنوعة الأحجام والكتل والأسطح والخواص الميكانيكية. تتميز هذه الأذرع الروبوتية بالعديد من المزايا مقارنةً بالأذرع الروبوتية السابقة التي لم تكن تعتمد على نظام هيدروستاتيكي عضلي. [ 13 ]

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 6 كير، دبليو إم؛ سميث، كيه كيه (1985). "الألسنة، والمجسات، والجذوع: الميكانيكا الحيوية للحركة في الحيوانات ذات العضلات المائية". المجلة الحيوانية لجمعية لينيان . 83 (4): 307-324 . doi : 10.1111/j.1096-3642.1985.tb01178.x .
  2. 1 2 سميث، كاثلين ك.؛ ويليام م. كير (يناير-فبراير 1989). "الجذوع والألسنة والمجسات: الحركة بهياكل عضلية". العالم الأمريكي . 77 (1): 28-35 .
  3. 1 2 3 4 5 كير، دبليو إم (1985). "عضلات أذرع ومجسات الحبار: أدلة فوق بنيوية على الاختلافات الوظيفية". مجلة علم التشكل . 185 (2): 223-239 . doi : 10.1002/jmor.1051850208 . PMID 30011972. S2CID 51631466 .  
  4. ↑ واينرايت، بي سي؛ بينيت، إيه إف (1992). " آلية بروز اللسان في الحرباء: الجزء الثاني. دور تغير الشكل في هيدروستات عضلي ". مجلة علم الأحياء التجريبي 168 : 23-40.
  5. ↑ ألكسندر، ر. ماكن. (2003). مبادئ حركة الحيوان. برينستون، نيوجيرسي: مطبعة جامعة برينستون.
  6. ↑ نيشيكاوا، ك.س.؛ كير، و.م.؛ سميث، ك.ك. (1999). " مورفولوجيا وميكانيكا حركة اللسان في ضفدع الأنف الخنزيري الأفريقي هيميسوس مارموراتوم : نموذج هيدروستاتيكي عضلي http://jeb.biologists.org/content/202/7/771.short ". مجلة علم الأحياء التجريبي 202 : 771-780.
  7. 1 2 كير، دبليو إم (1982) . "التشكل الوظيفي لعضلات أذرع ومجسات الحبار (Loliginidae)". مجلة علم التشكل . 172 (2): 179-192 . doi : 10.1002/jmor.1051720205 . PMID 30103569. S2CID 51980244 .  
  8. ↑ مايرز، جيه جيه؛ أورايلي، جيه سي؛ مونروي، جيه إيه؛ نيشيكاوا، كيه سي (2004). " آلية إخراج اللسان في ضفادع الميكروهيليد ". مجلة علم الأحياء التجريبي 207 : 21-31.
  9. ↑ برايس، ريبيكا (ديسمبر 2003). " عضلة العمود الفقري في بطنيات الأقدام الحديثة: ارتباط العضلة ووظيفة طيات العمود الفقري" . النشرة البيولوجية . 205 (3): 351-366 . doi : 10.2307/1543298 . JSTOR 1543298. PMID 14672989. S2CID 12277966 .   
  10. ↑ ماتزنر، هـ.؛ غوتفروند، ي.؛ هوخنر، ب. (2000). "الجهاز العصبي العضلي للذراع المرنة للأخطبوط: توصيف فسيولوجي". مجلة علم وظائف الأعصاب . 83 (3): 1315-1328 . doi : 10.1152/jn.2000.83.3.1315 . PMID 10712459. S2CID 14402766 .  
  11. ↑ يكوتيلي، ي.؛ سومبر، ج.؛ فلاش، ت .؛ هوخنر، ب. (2002). "كيف تتحرك بدون هيكل عظمي صلب؟ الأخطبوط لديه الإجابات". عالم الأحياء (لندن، إنجلترا) . 49 (6): 250-254 . PMID 12486300 . 
  12. ↑ مارشال، سي دي؛ كلارك، إل إيه؛ ريب، آر إل (1998). "الجهاز العضلي الهيدروستاتيكي لخروف البحر الفلوريدي ( Trichechus manatus latirostris ): نموذج مورفولوجي وظيفي لاستخدام الشعيرات حول الفم". علم الثدييات البحرية . 14 (2): 290-303 . doi : 10.1111/j.1748-7692.1998.tb00717.x .
  13. ↑ ووكر، آي دي؛ داوسون، دي إم؛ فلاش، تي ؛ غراسو، إف دبليو؛ هانلون، آر تي؛ هوشنر، بي؛ كير، دبليو إم؛ باجانو، سي سي؛ ران، سي دي؛ تشانغ، كيو إم (2005). " أذرع روبوتية متصلة مستوحاة من رأسيات الأرجل ". وقائع SPIE 5804 : 303-314.