В главе 8 на примере черепа мы уже разбирали, что жесткость и податливость элементов биологической структуры не предопределены твердостью и мягкостью биологических материалов, из которых она состоит. Жесткость и податливость — качественные динамические характеристики отклика системы на внешние силы и нагрузки. Для моделирования динамического взаимодействия и градиентов жесткости и податливости достаточно даже одноуровневой тенсегрити-модели (1 частота), поскольку уже она обеспечивает нелинейность отклика. Разумеется, двухуровневая тенсегрити-модель (вторая частота по Фуллеру, см. главу 2) еще более информативна. Притяжение и отталкивание Применяя понятия гетерархической структуры к живому организму, мы накрываем целый ряд масштабов от метров (10 -1 ) до нанометров (10 -9 ). Если на уровне метров, сантиметров, миллиметров термины сжатия и натяжения легко визуализируются как механические действия, а значит, применимость тенсегрити-интерпретации достаточно очевидна, то на уровне микрометров и особенно нанометров для сохранения наглядности тенсегрити-подхода необходим важный переход. И Снельсон, и Фуллер описали тенсегрити как систему непрерывного натяжения и прерывистого сжатия, где есть четкое различие между силами; однако эти термины обычно применяют к относительно крупным масштабам. Тем не менее и в малом масштабе микрометров (10 -6 м) тенсегрити-сущность самостабилизирующейся динамической дуальности остается неизменной (это взаимоприближение и взаимоотдаление элементов под действием запертых сил), хотя более привычно эта динамика описывается знакомыми из химии понятиями притяжения (динамическое сжатие/эквивалент троса) и отталкивания (динамическое натяжение/эквивалент распорки) молекул. Аналогично тенсегрити-подход подходит и для интерпретации сверхмалых масштабов нанометров (10 -9 м), на которых атомы взаимодействуют, образуя молекулы, хотя на этом уровне тросы и распорки уже невидимы (Edwards et al., 2012; Reilly & Ingber, 2018). Очевидно, что при рассмотрении молекул на наноуровне также целесообразно использовать привычные термины «притяжение» и «отталкивание». Несмотря на невидимость, динамический принцип самопроизвольной сборки межатомных конфигураций в самостабилизирующиеся состояния сохраняется благодаря силам взаимодействия данного сверхмалого масштаба: • силы Ван-дер-Ваальса, которые могут как притягивать, так и отталкивать в зависимости от локальных условий (первый уровень); • электростатические силы, которые могут как притягивать, так и отталкивать (второй уровень); • водородные связи, которые притягивают, но гибки в пространстве (третий уровень); • ковалентные связи, которые притягивают, но удерживают на определенном расстоянии друг от друга (четвертый уровень); • эффект стерического отталкивания, когда конкретная пространственная конфигурация удерживает атомы на определенном расстоянии друг от друга (пятый уровень).
Таким образом, мы видим, что тенсегрити-интерпретация как принцип динамического поведения структур распространяется внутри биологических систем на все масштабы вплоть до сверхмалых. Тяни и толкай В параграфе «Натяжение и сжатие» мы уже поднимали вопрос о том, что в рамках тенсегрити-подхода эти динамические роли не являются неотъемлемо закрепленными за конкретным анатомическим элементом, например за мышцей или костью. Именно поэтому распространенное понимание биотенсегрити: «мышцы — тросы», «кости — распорки» является глубоким заблуждением. Мы уже не раз говорили о том, что в биологии упрощения — это не просто неточности, а полноценные ошибки! Это заблуждение легко опровергается уже при чуть более внимательном рассмотрении процессов мышечного сокращения. Очевидно, что мышечное сокращение помимо уменьшения длины мышцы также приводит к одновременному увеличению ее «ширины» (площади поперечного сечения). Таким образом, при мышечном сокращении происходят два действия одновременно: оно выталкивает наружу и натягивает окружающую эту мышцу фасцию. Поэтому при учете фасциальных оболочек как менее податливых одна и та же активная мышца одновременно действует и как аксиально натянутый трос и как сжатая перпендикулярно этому распорка! (Происходящие при этом изменения углов взаимоориентации волокон были уже проиллюстрированы на рис. 6.9.) После этой иллюстрации мы можем перейти к более детальному рассмотрению возможных вариантов динамических ролей, которых на самом деле намного больше. Для этого нам потребуется расшифровать тонкости перехода между внешними и внутренними силами. Ключевым заблуждением в этом случае является отождествление понятий «тянуть-толкать» с «натяжением-сжатием». Это заблуждение, склейка смыслов не учитывает того, что понятия «тянуть-толкать» относятся к внешним силам, в то время как «натяжение-сжатие» — это характеристики внутренних сил реакций на внешние «тяни-толкай» силы.