Hayvanlarda elastik mekanizmalar

Elastik mekanizmalar omurgalı hayvanların hareket etmesinde önemli bir yer taşır. Omurgalı hareketini kontrol eden kaslar, kasların içinde yer alan ve bağlayıcı doku olan tendonlar gibi yaylı dokularla birbirine ağlıdır. Yay;hoplama, koşma, yürüme ve metabolik enerji korunumu, kas enerjisi üretiminin azaltılması ve yükseltilmesi gibi çeşitli işlere mekanizma olabilir.
Beden koşarken, yürürken veya hoplarken, yayları bir enerji üretim yolu olarak kullanır, bu elastik mekanizmanın enerji üretim dinamikleri üzerinde ne kadar da büyük bir etkiye sahip olduğunu gösterir..
Yaya bir kuvvet uygulandığında, yay bükülür ve elastik gerilme enerjisi formunda enerji depolar ve kuvvet uygulamanın bitiminden sonra yay geri çekilir ve bununla beraber enerji de açığa çıkar. Elastik proteinler, yaya enerj kaybetmeden tersine bükülebilme yeteneği veren ve de küçük bir kuvvetle dahi olsa geniş gerilmelere bükülmesine olanak veren elastisite özelliklerini sağlar. Elastik proteinler ayrıyetten elastik gerilme enerjisi fonksiyonlarına yardımcı olan yüksek geri tepme ve de düşük sertliğe(gerginliğe) sahiptir.
Koşarken tendonlar kas aktivitesiniin metabolik oranını, kuvvet açığa çıkarmada aktif olan kasların hacmini düşürme yoluyla azaltmada görevlidir.
Kas aktivastonunun zamanlaması, tendon elastisitesinin mekanik ve enerjik olanaklarından yaralanmada oldukça önemlidir. Tendonları kullanarak yapılan güç azaltımı, kas-tendon sisteminin kasların enerji emilimi tendonların kullanımı ile sağlanan güç azaltımı kas-tendon sisteminin, kasların maksimum enerji absorbe etme kapasitesinin ötesinde enerji absorbe etmesine olanak sağlar. Güç amplifikasyon mekanizmaları çalışabilir durumdadır çünkü yay ve kaslar farklı iç güç limitlerine sahiptirler. İskelet sistemindeki kaslar kendi içlerindeki maksimum güç üretimi tarafından sınırlandırılabilir. Tendonların kullanımı ile sağlanan güç amplifikasyonu kaslara üretebilecekleri kapasiteden daha çok güç üretebilmelerine olanak sağlar. Tendonların mekanik fonksiyonların yapısal temelleri, güç üretimi sınırlandırılmasına konu değildir.
Enerji Korunumunda Elastik Mekanizma
Büyük hayvanlar üzerinde yapılan geçmiş deneysel çalışmalarda kaydedilene göre, aktif hareket sırasında memeli hayvanlar, bacaklarında bulunan elastik yapı vasıtasıyla koşması için gerekenden daha fazla enerji kazanmaktadır. Ölçümler, çeşitli hayvanların oksijen tüketimi tüketiim oranına bakılarak yapılmıştır. Yürüdüklerinde, koştuklarında ya da hopladıklarında, hayvanların yüksek hızlarda hareket için gerek duydukları metabolik enerjinin yarısından daha da fazla enerji kazancı sağladıkları açığa çıkmıştır.<ref name="McNeil">McNeil, R. A. (1984)
Buna verilebilecek örneklerden biri de kangurulardaki zıplama sistemidir. Düşük hızlarda zıplarken, kanguruların enerji kullanımı linear olarak yükselir fakat bunun yanı sıra yüksek hızlarda zıpladıklarında kanguruların, sanki daha düşük hızda hareket ediyormuşçasına daha karlı(enerji açısından) bir şekilde hareket ettiği gözlemlenir.
Kanguru gibi büyük memeliler ve de geyik ve ceylan gibi büyük toynaklıların anatomisi üzerinde yapılan derin çalışmalar, elastik mekanizmanın bu enerji korunumu için oldukça önemli olduğunu göstermektedir. Şimdiye kadar Anatomiksel(örneğin tendon boyutu), mekanik(örneğin kuvvet levha kayıtları) ve matematiksel hesaplamalar üzerinden yapılan dikkatli deneylerin kombinasyonları gösteriyor ki ; her aşamada yapılan işin önemli bir oranı, tendonların yay-benzeri hareketleri tarafından sağlanabilir.
Yüksek hız hareketleri sırasında hayvanların ayağı yer ile temas ettiğinde, tendon ya da bağ doku birbirine sıkıca preslenir, sıkıştırılmış bir yay gibi elastik enerji depolar. Ayağın yerden geri çekimi ile birlikte, sıkıştırılmış tendonların ve de bağ dokunun üzerindeki basınç serbest bırakılır ve bu yay benzeri yapı tarafından oluşturulan elastik geri tepme, hayvanın yürümesine olanak veren bir ilave kuvvet sağlar. Kanguruların zıplaması ve de zıplamada gerekli olan kuvvet üzerinden yapılan basit hesaplamalar, elastik gerilim enerjisi depolama sisteminin zıplamak için gerekli olan metabolik enerjisnin yüzde yirmiden yüzde otuza kadarlık bir oranını nasıl koruduğunu gösterir.
Kinetik ve yerçekimi potansiyel enerjisindekideki dalgalanma ile oksijen tüketimi üzerinde yapılan hesaplamalar elastik korunumunda yüksek hızla en az yüzde elli dörtlük bir değer gösterir.
Göz önünde bulundurulmalıdır ki, metabolik yapının faydaları böcek gibi küçük organizmalara kıyasla büyük hayvanlarda çok daha belirgindir. Küçük hayvanlara kıyasla bütün hayvanlar hareketleri sırasında tendonları ve bağ dokuları üzerine daha fazla kuvvet uygulayabilirler bundan dolayı metabolik yapının faydaları büyük hayvanlarda daha belirgindir.
Güç Azaltımında Elastik Mekanizma
Alışılmamış kontraksiyonlarda tendonlar, güç azaltıcısı konumunda görev yapabilir. Tendonlar, kas-tendon sisteminin enerji depolamasına olanak veren güç azaltımını ortaya koyar. Bu oran kasın maksimum enerji kapasitesini aşar.
Karşılaştırıldığında tendonların güç amplifikasyonu, ilgili kasların kapasitesini aşabilecek şekilde daha fazla güç üretimine izin verir. Bu elastik mekanizma, kası uzatarak aşağıdaki indirgemelere öncülük edebilir:
uç değer güç girişi, hız ve güç uzatımı. Kas hasarı bu faktörlerle ilişkilendirilmektedir. Bununla birlikte bu enerjinin kaslar tarafından absorbe edilmeden önce tendonlar arasında gidip gelme durumu hasara karşı koruyucu bir mekanizma sağlamaya örnek olarak gösterilmektedir. Zamanla birlikte elastik enerjinin büyük birikimleriigeri çekilme zamanlamasında negatif etkiler doğurabilir. Bu güç azaltımı ile sonuçlanır.
Kaslar mekanik gücü üretirken ve absorbe ederken, tendonlar mekanik enerjinin yitiminde bütünleyici bir role sahiptir. Bu durum ivme azaltımı gibi aktiviteler için oldukça gereklidir.(Atladıktan sonra yere inme veya bir yokuştan aşağı doğru koşma gibi)
R. I Griffiths izole kas-tendon hazırlanması üzerine bazı karşıt-deneyler yürüttü. Bu deneylerin amacı kas-tendon yapısını uzatırken, kasları izometrik tutmaya çalışmaktı. Kas-tendon birimlerine uygulanan hızlı gerdirmeler sayesinde bu amaca ulaşıldı. Deneyi yapan kişiler kasların aktif bir şekilde uzatıldığında hasar görmeye yatkın olduğunu ve bunun mekanik bir tampon görevi görürmüşçesine davrandığı fikrini ortaya koyarak, bu fenomeni açıkladılar. In vivo deneylerinde, elastik mekanizmanın sarkomeri aşan kas-iskelet sistemine koruma sağladığı gözlemlendi.
Benzer olarak, tendonlar kasları dinamik uzatmalardan izole etmeye yatkın değillerdir. Kas uzatıldığında tendonlar kaslara etki eder. Kas liflerinin aktif uzanımı enerji kaybı ve birikimi ile sonuçlanır. Kısa bir süreliğine de olsa gerilmiş elastik yapılarda depolananan enerjinin salınımına rağmen, tam bir net kazanım vardır. Bu, kas liflerinin güç üretimi ve de beden tarafından ya da kas-tendon birimleriyle beraber bireysel beden bölmeleri tarafından belirlenmiş enerji tüketiminde etkili olduğunu göstermektedir.
Güç Amplifikatörü olarak Elastik Mekanizma
Tendonlar, bağ dokuları ve iskelet sistemindeki moleküler yapı güç amplifikatörü gibi davranabilir çünkü enerjiyi, büyük bir oranda depolarlar ve hızlı bir şekle salarlar. Bu amplifikasyon süreci olağandır çünkü yay-benzeri tendonlar, kasların enzim süreçleri tarafından sınırlanması gibi sınırlandırılmamışlardır.
Amplifikasyon süreci kasların durmadan kasılmasıyla başlar ve tendonun içinde elastik gerilme enerjisi depolar. Enerjinin tamamen depolanması ile birlikte, tendon bir kasın yapabileceğinden daha kısa bir sürede bu enerjiyi açığa çıkarır. Aslında tendon bir kasın yaptığı iş oranının biraz daha altında enerji üretmektedir. Ama güç yapılan işin zamana oranı olduğu için, kısa süreler gücü büyük oranda arttırır.
Bu olay birçok omurgalı davranışı üzerinde gözlemlenmiştir;bunlardan en belirgin olanı zıplama hareketidir. Kangurular, Afrika lemuruları, kuşlar ve çeşitli antilop türleri üzerinde gözlemlenene göre zıplama bu sisteme dayanmaktadır çünkü, güç üretmeye, beden yerle bağlantısını kaybettiğinde, organizmanın kuvvet üretimine devam etmesi için hiçbir olanak yoktur. Bu mekanizmadan kaynaklanan azımsanamayacak miktardaki ivme arttırımı zıplayan pirelerde, ivmelenen hindilerde ve de atların koşmasında gözlemlenmiştir.
Besleme mekanizması da iskelet sistemindeki yay-benzeri güç amplifikatörlerinden yararlanır. Kara kurbağalarının alt çene kemiğini aşağı çeken kas, mancınık benzeri dil hareketini ortaya çıkarmak için bu mekanizmayı kullanır. Daha çarpıcı olarak bukalemunlar ve bazı kertenkeler tarafından tecrube edilen balistik dil fırlatımları, rapor edilen en hızlı kaslardaki kütleye özgü gücün çıkışı ile kıyaslandığında beş kereden daha fazladır(?)