Снижение действия внешних напряжений на внутреннюю структуру за счет максимального распределения нагрузки, вплоть до вырождения деформации, позволяет увеличить диапазон полного предотвращения так называемой усталости материала для биологических структур и материалов.

Живые организмы могут предотвращать разрушительные последствия потенциальных внутренних сдвиговых напряжений благодаря своей гетерархической модульной природе. Такая морфология и архитектурная организация позволяют внешним напряжениям рассеиваться через распределение по всей структуре и обезвреживаться на более малых (микро и нано) масштабах, обеспечивая устойчивость к воздействию внешних сил и предотвращение разрушения тканей (Levin, 1982, 2002) (рис. 9.6).

Приведем наглядный пример такого рассеивания нагрузки через переходы масштаба вплоть до микро— и наноуровня.

Микротрубочки внутри цитоскелета, оказавшись под сжатием, изменяют свою форму. При наблюдении извне создается впечатление, что они сильно изгибаются и даже перегибаются. Однако это впечатление ошибочно основано на проецировании привычных восприятий в том, как ведут себя при изгибании обычные материалы. Действительно, для обычного материала при такой же концентрации нагрузки произошел бы перегиб, ведущий к необратимой деформации и коллапсу стенок. На самом же деле микротрубочки, несмотря на изменения внешней формы, внутренне остаются полностью стабильными, поскольку они подвешены к натянутой сети промежуточных филаментов (Mehrbod & Mofrad, 2011).

Этот пример также хорошо иллюстрирует важность учета фактора механической глубины и фактической бесконечности возможностей распределения нагрузок через ветвление на микро— и наноуровни в структурном анализе живых организмов. В инженерно-механических системах глубина конечна и не обладает эмерджентными свойствами динамической самоадаптации, поэтому единственным доступным решением является упрочнение материала в силу лимитированных возможностей «заглубления» и «рассредоточения» нагрузки по огромным площадям. Напомним хорошо известный факт — суммарная площадь коллагеновых волокон, то есть фасции, составляет порядка 1 000 000 кв. м, что создает фактически бесконечные возможности для нейтрализации и распределения нагрузок!

Рис. 9.6. (A) Тенсегрити-модель первой частоты с распорками в форме жестких изогнутых стоек (под углом 90° друг к другу) изогнется и разрушится, если натяжение возрастет выше определенного предела (см. рис. 9.5A). (B) В отличие от этого аналогичная тенсегрити-структура, но с распорками, тоже смоделированными по принципу тенсегрити гетерархии (вторая частота), не имеет внутренних сдвиговых напряжений и легко адаптируется к нагрузке. (© Рори Джеймс)

Рис. 9.7. Изогнутая тенсегрити-цепочка первой частоты состоит из девяти элементов: т-икосаэдров второй частоты, иллюстрирующих разложение кривизны первого порядка в прямые линии на меньшем масштабе и более низком гетерархическом уровне. (© Рори Джеймс)

Другой пример противодействия потенциальным изгибающим моментам сил и внутренним напряжениям — длинные кости. В длинных костях такое противодействие и нейтрализация создаются благодаря их трабекулярной архитектуре (Reznikov et al., 2016); механизму перераспределения нагрузок между коллагеном и гидроксиапатитом, который эффективно перенаправляет энергию деформации, защищая кость от микротрещин (Gupta et al., 2006); а также благодаря окружающему их сбалансированному фоновому тонусному натяжению мышц (Sverdlova & Witzel, 2010).

Главный принцип, который позволяет проиллюстрировать эти биологические примеры, заключается в том, что биологические кривые не являются сплошными и непрерывными, а состоят из их разложения в множество векторов силы, действующих по путям кратчайших взаимодействий внутри гетерархического комплекса ЗКЦ, который при этом в своей совокупности образует форму кривых в большем масштабе (рис. 9.7); но чтобы действительно прочувствовать важность и эффективность такого распределения сил и тех биологических возможностей, которые открывает столь эффективная нейтрализация потенциально разрушительных воздействий, нам нужно еще раз взглянуть на эту базовую геометрию.