Interaksi Otot dan Tulang: Tempat Bertemunya Fisika dan Biologi

Otot dan tulang merupakan satu kesatuan yang tidak bisa berjalan sendiri ketika berkerja. Interaksi antara keduaya tidak hanya bilateral tetapi mengikuti hubungan multilateral atau bahkan organisme, yang melibatkan metabolisme dan sistem saraf.

blank

Jika berbicara mengenai fisika tak akan ada habis-habisnya dikupas. Mengapa? Karena, fisika mempelajari hal mengenai gejala alam mulai dari yang berukuran sangat besar sampai hal yang tak kasat mata. Fisika sebagai cabang sains yang fundamental, menjadi dasar berbagai ilmu pengetahuan dan teknologi. Hal ini akan membentuk disiplin ilmu baru, salah satunya jika fisika bertemu dengan biologi namanya biofisika. Interaksi antara otot dan tulang adalah tempat kedua disiplin ilmu ini bertemu.

Dari mana otot dan tulang berasal

Otot dan tulang adalah dua jenis jaringan yang berasal dari lapisan mesodermal dalam embrio, dan keduanya bekerja bersama-sama di dalam tubuh manusia untuk membentuk suatu sistem yang dikenal sebagai muskuloskeletal. Sistem ini, yang melibatkan otot, tulang, dan persendian, berfungsi sebagai kerangka tubuh yang memungkinkan pergerakan dan aktivitas organisme.

blank
Lapisan mesodermal pada embrio berusia 24 hari yang menjadi cikal bakal tulang dan otot

Otot, yang terdiri dari serat otot, bertanggung jawab untuk melakukan kontraksi dan relaksasi, yang menghasilkan gerakan. Otot bekerja sama dengan tulang, yang menyediakan kerangka atau struktur pendukung bagi tubuh. Persendian, tempat di mana dua tulang bertemu, memungkinkan gerakan sendi, seperti fleksi, ekstensi, dan rotasi.

Kerjasama antara otot, tulang, dan persendian ini sangat penting untuk memfasilitasi pergerakan yang diperlukan oleh organisme. Sistem saraf pusat, yang terdiri dari otak dan sumsum tulang belakang, berperan dalam mengoordinasikan aktivitas otot. Selain itu, jaringan saraf dan sambungan neuromuskuler membantu menyampaikan sinyal impuls saraf dari sistem saraf pusat ke otot, sehingga mengatur kontraksi dan relaksasi otot dengan tepat.

Sistem muskuloskeletal ini juga memiliki kemampuan adaptasi yang sangat fleksibel. Hal ini memungkinkan tubuh untuk menyesuaikan diri terhadap variasi kekuatan fisik yang timbul dari berbagai faktor, termasuk pengaruh gravitasi dan kondisi lingkungan. Adaptasi ini melibatkan interaksi antara otot dan tulang, yang tidak hanya bersifat bilateral, tetapi juga terjadi dalam hubungan multilateral, bahkan melibatkan seluruh organisme.

Interaksi antara otot dan tulang

Interaksi antara otot dan tulang bukanlah sekadar kerjasama fisik, tetapi juga melibatkan aspek metabolik dan sistem saraf. Sistem metabolisme tubuh bekerja sama dengan otot dan tulang untuk menyediakan energi yang diperlukan selama aktivitas fisik. Selain itu, sinyal saraf yang kompleks mengatur respons tubuh terhadap perubahan lingkungan dan situasi tertentu.

Dengan demikian, dapat dijelaskan bahwa otot dan tulang tidak dapat berfungsi secara mandiri. Otot dan tulang membentuk suatu kesatuan yang kompleks dan saling tergantung, bekerja bersama-sama untuk mendukung pergerakan dan aktivitas organisme dengan adaptasi yang fleksibel terhadap kondisi eksternal.

Dalam bidang patologi dan penuaan, penumpukan kerusakan pada sel dan jaringan dapat mengubah keseimbangan antara kemampuan adaptasi dan regenerasi, yang pada akhirnya dapat menyebabkan timbulnya penyakit dan kondisi degeneratif. Interaksi timbal balik antara otot dan tulang, merupakan tempat di mana aspek fisik dan proses biokimia serta biologi sel, bekerja bersama untuk menyesuaikan diri sesuai dengan perubahan lingkungan yang dinamis dan terus-menerus.

Otot dan tulang berkomunikasi melalui kekuatan fisik dan melepaskan substansi seperti osteokin dan miokin. Gaya fisik ini berasal dari berbagai faktor, termasuk pengaruh gravitasi, aktivitas motorik, latihan, dan penggunaan alat bantu eksternal. Selain komunikasi melalui kekuatan fisik atau mekanosensing, hubungan otot dan tulang juga melibatkan sistem humoral, yang merupakan salah satu cara klasik bagi keduanya untuk berinteraksi. Sistem ini melibatkan organ tubuh lain seperti sistem saraf pusat, metabolisme, dan diyakini melibatkan seluruh organisme.

Pemodelan Ulang sebagai Respon terhadap Stimulus

Interaksi antara otot dan tulang ini bertujuan untuk menyediakan mekanisme adaptasi dan regenerasi dalam menghadapi tantangan lingkungan fisik. Kedua jenis jaringan ini dapat merasakan tegangan mekanis, mentransduksi sinyal biokimia sebagai respons, dan saling mempengaruhi arsitektur jaringan masing-masing untuk menjaga keseimbangan antara kekuatan otot dan ketahanan terhadap patah tulang. Penelitian yang intens sedang berlangsung untuk menggali mekanisme molekuler di balik proses ini, mengubah paradigma dari pemahaman fisika menjadi pandangan yang lebih dalam dalam ranah biokimia dan biologi sel.

blank
Mekanisme mechanotransduction

Tegangan fisik memiliki peran yang sangat penting dalam mengatur biologi sel, di mana perubahan fisik dapat diubah menjadi berbagai sinyal biokimia yang pada akhirnya memicu proses pemodelan atau pemodelan ulang. Hasil dari transformasi ini adalah mencapai suatu keadaan homeostasis baru di mana kondisi fisik tetap stabil. Jika terjadi penurunan input fisik, seperti aktivitas motorik yang berkurang, ini dapat mengakibatkan atrofi otot dan kehilangan kepadatan tulang, yang umumnya dikenal sebagai tulang keropos. Dalam konteks interaksi otot dan tulang, “pemodelan” atau “pemodelan ulang” merujuk pada proses di mana sel-sel dan jaringan dalam tubuh mengalami perubahan struktural atau fungsional sebagai respons terhadap tegangan fisik atau stimulus lainnya. Pemodelan adaptif ini bertujuan untuk mencapai kondisi yang lebih sesuai atau optimal dalam menghadapi perubahan lingkungan atau kondisi tubuh tertentu.

  1. Pemodelan (Remodeling): Hal ini mencakup perubahan dalam struktur atau komposisi jaringan tanpa perubahan total dalam jumlah sel. Contohnya adalah perubahan dalam kepadatan tulang atau distribusi massa otot. Pemodelan dapat terjadi sebagai respons terhadap beban fisik yang diterima oleh tulang atau otot selama aktivitas fisik atau dalam situasi penuaan.
  2. Pemodelan Ulang Adaptif (Adaptive Remodeling): Hal ini mengacu pada perubahan yang lebih aktif dan direncanakan dalam respons terhadap stimulus. Pemodelan ulang adaptif melibatkan perubahan fungsional dan struktural yang dirancang untuk meningkatkan efisiensi dan daya tahan sel-sel atau jaringan terhadap kondisi tertentu. Misalnya, dalam konteks tulang, pemodelan ulang adaptif dapat mencakup peningkatan kepadatan tulang sebagai respons terhadap beban fisik yang meningkat.

Dalam kedua kasus, pemodelan atau pemodelan ulang terjadi sebagai strategi tubuh untuk beradaptasi dengan perubahan lingkungan atau kondisi internal. Dalam konteks penuaan, pemodelan ulang adaptif dianggap penting karena dapat membantu menunda proses degenerasi dan mempertahankan fungsi optimal pada tingkat seluler dan jaringan.

Pemodelan ulang adaptif yang terjadi secara berkelanjutan tampaknya memiliki peran kunci dalam menunda degenerasi yang terkait dengan penuaan. Saat tubuh mengalami proses penuaan, terjadi perubahan kondisi yang mencakup penurunan aktivitas fisik, dan pemodelan ulang adaptif menjadi kunci untuk menjaga keseimbangan sistem muskuloskeletal. Proses ini melibatkan serangkaian mekanisme molekuler yang kompleks, yang dapat memodulasi respons seluler terhadap perubahan fisik dan lingkungan.

Seiring bertambahnya usia, kondisi seperti atrofi otot dan tulang keropos dapat menjadi lebih menonjol. Namun, pemahaman tentang mekanisme molekuler yang mendasari proses ini membuka pintu untuk pengembangan strategi pencegahan dan intervensi yang lebih terarah di masa depan. Dengan fokus pada pemodelan ulang adaptif, akan dimungkinkan untuk merancang pendekatan yang lebih efektif untuk mempertahankan kesehatan muskuloskeletal dan mengurangi dampak degeneratif yang terkait dengan penuaan.

Referensi:

  1. Herrmann, M., Engelke, K., Ebert, R., Müller-Deubert, S., Rudert, M., Ziouti, F., … & Jakob, F. (2020). Interactions between muscle and bone—where physics meets biology. Biomolecules, 10(3), 432.

Tinggalkan Komentar

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *