有趣的肌肉

升龍

1780年，意大利科學(xué)家伽伐尼在做青蛙解剖實(shí)驗(yàn)時(shí)，拿著不同的金屬器械，無意中同時(shí)碰在了青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下。伽伐尼認(rèn)為，這種現(xiàn)象是因動(dòng)物軀體內(nèi)部有“生物電”而造成的。后來，意大利科學(xué)家伏特多次重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)伽伐尼的解釋是錯(cuò)誤的，他發(fā)現(xiàn)是青蛙肌肉中的液體讓金屬產(chǎn)生了電流。受此啟發(fā)，伏特于1799年把一塊鋅板和一塊銀板同時(shí)浸在鹽水里，讓連接兩塊金屬板的導(dǎo)線中產(chǎn)生了電流，這個(gè)裝置就是伏特電池。

電池的發(fā)明居然有肌肉的“功勞”，真是很有趣。其實(shí)，與肌肉相關(guān)的趣事不只是電池的發(fā)明……

肌肉“寒戰(zhàn)”贏諾貝爾獎(jiǎng)

1910年的一天，英國(guó)科學(xué)家希爾在打了一個(gè)寒戰(zhàn)之后，陡生疑問：天冷的時(shí)候，肌肉為什么要收縮抖動(dòng)？這個(gè)源于自身體驗(yàn)的疑問很快被希爾解開了謎底，肌肉在收縮抖動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生熱量，讓人體可以增熱御寒。

但是，希爾的探索并沒有中止。當(dāng)他發(fā)現(xiàn)肌肉既是“運(yùn)動(dòng)器官”，又是“產(chǎn)熱器官”的秘密后，新的疑問產(chǎn)生了：熱量既可以源于燃燒，又可以源于摩擦，為什么還會(huì)源于肌肉收縮？于是，希爾開始研究肌肉在收縮時(shí)產(chǎn)生熱量的奧秘。

從1910年開始，希爾就用一種名為“熱電偶檢流計(jì)”的裝置，探究肌肉在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生熱量的奧秘。這個(gè)看似簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)非常枯燥，它要求在1/10秒的短暫時(shí)間里，反復(fù)檢驗(yàn)肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)熱量的產(chǎn)生值和氧氣的消耗量。直到1920年，希爾終于獲得了有關(guān)肌肉產(chǎn)生熱量的各項(xiàng)精細(xì)數(shù)據(jù)，揭開了肌肉在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生熱量的謎底。

希爾歷時(shí)十年的發(fā)現(xiàn)，讓他獲得了1922年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，因?yàn)樗难芯砍晒於松砘瘜W(xué)的基礎(chǔ)。后人沿襲希爾的研究思路，發(fā)現(xiàn)生命體是一個(gè)復(fù)雜的“化學(xué)反應(yīng)堆”，控制著各種各樣的化學(xué)反應(yīng)，于是諸多有關(guān)生理活動(dòng)的秘密被人們從化學(xué)的角度一一揭開。

耐力基因造就“飛毛腿”

大多數(shù)人不喜歡長(zhǎng)跑，因?yàn)殚L(zhǎng)跑會(huì)讓人覺得很累，這說明多數(shù)人的肌肉耐力明顯“不達(dá)標(biāo)”。但馬拉松運(yùn)動(dòng)員卻能在兩個(gè)多小時(shí)里，跑完數(shù)十公里的路程。那么問題來了：同樣是人，肌肉耐力的差距咋這么大呢？

為了發(fā)現(xiàn)肌肉耐力的秘密，澳大利亞科學(xué)家開始尋找掌控肌肉耐力的特殊基因。經(jīng)過一番篩選，研究者發(fā)現(xiàn)，肌肉耐力與一種名為IL-15R α的基因有關(guān)。這種基因能幫助身體產(chǎn)生一種特殊的蛋白質(zhì)，而這種蛋白質(zhì)可以降低肌肉耐力。

科學(xué)家運(yùn)用逆向思維思考：既然IL-15Rα基因的作用是降低肌肉耐力，那么如果摘除這種基因，讓身體不再產(chǎn)生抑制肌肉耐力的蛋白質(zhì)，讓肌肉不知累，肌肉耐力就會(huì)大增。

科學(xué)家先拿小白鼠做實(shí)驗(yàn)。先讓身體里存在IL-15R α基因的小白鼠在轉(zhuǎn)籠里跑步，結(jié)果小白鼠在轉(zhuǎn)籠里連續(xù)跑上20分鐘就累得不輕，接下來就基本上跑不動(dòng)了。

緊接著，科學(xué)家采用激光灼燒的方法，破壞小白鼠體內(nèi)的IL-15Rα基因，再讓小白鼠在轉(zhuǎn)籠里跑步。結(jié)果缺失IL-15Rα基因的小白鼠不知疲倦地在轉(zhuǎn)籠里跑呀跑，即使連續(xù)跑上好幾個(gè)小時(shí)，也沒有表現(xiàn)出氣喘吁吁的樣子，小白鼠變成了肌肉耐力超強(qiáng)的“飛毛腿”。

IL-15Rα基因?qū)θ梭w肌肉的影響與小白鼠存在著相同的作用機(jī)制，澳大利亞科學(xué)家通過研究長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員的基因發(fā)現(xiàn)，這些長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)員身體內(nèi)的IL-15Rα基因發(fā)生了突變，對(duì)人體肌肉耐力的抑制作用大大降低了。

當(dāng)然，一個(gè)普通人在被摘除一些IL-15Rα基因后，即使不經(jīng)過艱苦訓(xùn)練，肌肉耐力也能變得強(qiáng)大起來，跑馬拉松是沒有問題的。

以后運(yùn)動(dòng)員參加比賽，除了要做藥檢以外，恐怕還要做基因檢測(cè)了！

“豬細(xì)胞”使人體肌肉再生

火蜥蜴是一種為了逃命而不惜“舍肉”的動(dòng)物。不過，丟了一塊肌肉的火蜥蜴在經(jīng)過一段時(shí)間后，那塊肌肉能重新長(zhǎng)出來。

讓人體擁有火蜥蜴那么神奇的肌肉再生功能是許多外科醫(yī)生的夢(mèng)想，因?yàn)樵S多人因遭遇意外而損失肌肉，例如車禍、戰(zhàn)爭(zhēng)、火災(zāi)、癌癥以及糖尿病末梢血管疾病等。因?yàn)槿梭w的肌肉不能再生，所以肌肉一旦出現(xiàn)損失，除了截肢外，幾乎沒有其他的治療手段。

美國(guó)匹茲堡大學(xué)的醫(yī)療研究小組決定開啟人體肌肉再生之門，讓損失的肌肉重新生長(zhǎng)出來。他們?cè)谪i膀胱細(xì)胞里提取了名為肌肉細(xì)胞外基質(zhì)的物質(zhì)，里面含有豬膀胱生長(zhǎng)因子蛋白。這種物質(zhì)看起來跟凝膠差不多，因此又被稱為“細(xì)胞膠水”。將細(xì)胞膠水注入人體肌肉組織內(nèi)，豬膀胱生長(zhǎng)因子蛋白質(zhì)就會(huì)觸發(fā)并引導(dǎo)患者自身的干細(xì)胞，進(jìn)入需要肌肉再生的指定區(qū)域，啟動(dòng)人體肌肉的再生和修復(fù)過程。經(jīng)過一段時(shí)間，人體缺失的肌肉就會(huì)在“豬細(xì)胞”的作用下生長(zhǎng)出來。這種方法不但可以恢復(fù)人體的肌肉組織，還可以恢復(fù)保證肌肉正常工作的肌腱和神經(jīng)。

在擁有這項(xiàng)技術(shù)后，匹茲堡大學(xué)的研究者為4名損失了肌肉的士兵進(jìn)行了手術(shù)，結(jié)果這些殘疾的士兵身上都長(zhǎng)出了新肌肉。掌握這項(xiàng)技術(shù)的外科醫(yī)生宣布：這項(xiàng)技術(shù)將成為外科醫(yī)生治療外傷的一種標(biāo)準(zhǔn)療法。

制造超級(jí)肌肉

當(dāng)下，人類依靠科技力量在“人造人”的道路上不斷探索，各種各樣的機(jī)器人不斷面世。遺憾的是，這些機(jī)器人與“人樣”相差太遠(yuǎn)。機(jī)器人沒有“人樣”，是因?yàn)樗鼈內(nèi)鄙偌∪饨M織的覆蓋。只要造出人造肌肉，機(jī)器人就會(huì)變成模樣逼真的“人造人”。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)科學(xué)家約瑟夫發(fā)現(xiàn)，通過電流刺激，可使高分子材料自動(dòng)伸縮和彎曲?；凇坝行┓墙饘俨牧夏茉陔娏鞯淖饔孟庐a(chǎn)生變形”的重要發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家踏上了制造人造肌肉的征程。

經(jīng)過幾十年的努力，人造肌肉越來越成熟，正在制造中的人造肌肉是這個(gè)樣子的：把管狀導(dǎo)電塑料集束成像肌肉一樣的復(fù)合體，在管內(nèi)注入特殊液體，導(dǎo)電性高的分子在溶液中釋放出離子，在電流的刺激下完成伸縮動(dòng)作。通過控制電流的強(qiáng)弱可以調(diào)整離子的數(shù)量，改變?nèi)嗽旒∪獾纳炜s性，使人造肌肉更加接近真實(shí)肌肉。目前，雖然人造肌肉跟真正的肌肉相比，還有一些差距，但人造肌肉的“力量”卻遠(yuǎn)超人體肌肉。一根直徑為0.25毫米的管狀導(dǎo)電塑料可承受20克的重量，集束而成的人造肌肉比人體肌肉強(qiáng)壯數(shù)十倍，可謂是超級(jí)肌肉。如果把超級(jí)肌肉裝到機(jī)器人身上，機(jī)器人將會(huì)變成“超人”。當(dāng)然，超級(jí)肌肉不但可以安裝到機(jī)器人身上，還可以安裝到汽車上。傳統(tǒng)汽車通常需要50～100個(gè)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置，可謂是復(fù)雜又費(fèi)工，如果這些裝置改用人造肌肉作為驅(qū)動(dòng)力，不但可以增強(qiáng)耐磨性，還可以提高汽車的功率。

不管在軍事領(lǐng)域，還是在商業(yè)制造領(lǐng)域，人造肌肉的應(yīng)用前景都十分廣闊。到時(shí)，機(jī)械產(chǎn)品既不需要齒輪，也不需要軸承了。人造肌肉將革新制造業(yè)模式，給我們的生活帶來翻天覆地的變化。

（劉名遠(yuǎn)摘自《意林文匯》2017年第3期）endprint