На самом глубоком структурном (субстратном) масштабе природы взаимодействие между силами притяжения и отталкивания заставляет атомы самопроизвольно объединяться в наиболее стабильные и энергоэффективные конфигурации.

Синергетические платоновы формы и ИВМ показывают, как эти принципы энергоэффективной структуры могут быть реализованы для структур большего размера и масштаба.

Реализацию этого в природе хорошо видно из магнитной тенсегрити-модели, которую мы подготовили для этой книги (например, рис 3.10). В этой модели магнитные связи между сферами (металлическими шариками) и стержнями являются репрезентацией взаимодействия обеих сил, одновременно как сжатия, так и растяжения. Аналогичным образом, например, кристаллы минералов также можно рассматривать как тенсегрити-конфигурации с очень жесткими связями, где плотность упаковки сдвинута в сторону максимума.[4]

Подобные тенсегрити-модели наглядно показывают, как из структурной гетерархии в природе могут возникать различные новые тенсегрити-геометроформы, значительно увеличивающие архитектурное разнообразие и эволюционный потенциал более сложных биологических тканей. Идею того, что биомолекулярный уровень, обладающий разнообразием гибких и динамических форм, хорошо моделируется тенсегрити-конфигурацией, высказывают многие авторы, исходя из универсальности самоорганизации.

На молекулы влияют те же правила самоорганизации, и именно благодаря их гибкости и разнообразию в них легче распознать тенсигрити-конфигурации (Liedl et al., 2010; Edwards et al., 2012; Reilly & Ingber, 2018).

Биотенсегрити-подход основан на гипотезе, что те же структурно-организационные правила, которые управляют самосборкой простых геометрических форм (кристаллов и молекул), будут также влиять и на формирование более сложных биологических систем (Denton et al., 2003).

При этом использование традиционных методов инструментального наблюдения для того, чтобы проследить за взаимодействием всех этих сил внутри реальных биологических организмов, практически невозможно. Именно поэтому даже простые тенсегрити-модели типа «тросы-распорки» так важны. Они позволяют проводить важные аналогии между нелинейной, но наглядной динамикой структур тенсегрити, с динамическим поведением живых тканей и организмов в биологии, скрытым от непосредственного наблюдения.

Модель т-икосаэдра представляет собой репрезентацию внутренней диаграммы сил и является скрытыми «пространственными стропилами» с направленным внутрь икосаэдром. В качестве конечного элемента самоподобной гетерархической структурной системы и тенсегрити-геометроформы, которая может изменить себя с минимальными усилиями и остается полностью стабильной во всем.

Не нужно пытаться увидеть внутри тела икосаэдр в буквальном смысле — это именно диаграмма сил в форме икосаэдра, а не конкретный анатомический субстрат, но т-икосаэдр отражает карту внутреннего всенаправленного баланса сил (пространственной изотропии) (Fuller, 1975, 724.30), и некоторые из его многочисленных характеристик показаны в Приложении 3.1. Поскольку т-икосаэдр-структура также может комбинировать, вкладывать, взаимодействовать с другими модулями, создавая еще более сложные системы, С. Левин рассматривал т-икосаэдр как архетипическую модель биологической структуры (Levin & Martin, 2012).

Для биологии такая модель, основанная на внутреннем силовом всенаправленном икосаэдре, интересна тем, что позволяет объяснить сочетание преемственной внутренней самоустойчивости в сочетании с гибкостью и подвижностью, то есть именно тех механических свойств, которые уникально присущи биологическим организмам, но при этом никак не вытекают из классической механики.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.1: Некоторые характеристики модели биотенсегрити

баланс натяжения и сжатия

геодезическая геометрия

плотная упаковка

минимальная энергия

внутреннее натяжение (самонапряжение)

баланс сил

всенаправленное распределение сил

интеграция всех частей

минимизация расхода материала

высокое соотношение прочности и веса

гетерархическая организация

вложенность внутренних модулей и подсистем синергии

сетевое близко— и дальнодействие

передача информации

кинематика закрытых цепей (закрытые кинематические цепи)

динамическая стабильность

эмерджентные динамические свойства

нелинейная динамика

ауксетическое поведение

колебания и резонанс

фазовые переходы в биологическом субстрате

Жесткая или податливая?

На этом этапе следует отметить, что существует два типа тенсегрити-моделирования в материале: тенсегрити-модели, сделанные из очень жестких (нерастяжимых) тросов, и тенсегрити-воплощения с податливыми эластичными тросами. Каждая из этих моделей ценна по-своему и демонстрирует различные характеристики, значимые с точки зрения биотенсегрити-подхода.

В практике тенсегрити-моделирования наиболее распространены тенсегрити-конструкции с эластичными податливыми тросами, которые можно изогнуть практически в любую форму. Они интересны тем, что их отклик под нагрузкой и их подвижность словно имитируют движения человеческого тела, и именно поэтому они так популярны особенно среди практикующих специалистов в физиотерапии, реабилитации и персональном тренинге, ортопедии, мануальной терапии.

В то же время многие из скрытых свойств тенсегрити-структур, приведенных в приложении 3.1, очень важны для понимания скрытой динамики отклика биологических тканей.

Но в моделях с податливыми тросами эти свойства не видны. Для демонстрации скрытых свойств нужны именно жесткие тенсегрити-модели, пока что менее известные широкой аудитории. Именно жесткие т-модели гораздо более важны для понимания фундаментальных принципов динамического поведения структур в биологии, например ауксетической реакции, ключевой в отклике тканей на внешнее механическое воздействие. Даже несмотря на то, что построение основанных на жестких тросах гетерархических моделей, способных имитировать геометрию отклика биологических тканей под механической нагрузкой, технически является более сложной задачей, читатель должен знать, что в контексте биотенсегрити они приобретают более глубокий смысл.

По своей природе живые ткани гетерархические, и при движении или деформации их внутренние структуры постоянно реорганизуются и меняют фазовые состояния (от податливой текучести до жесткой твердости).

Эта структурная адаптация к нагрузке подобна поведению косяка рыб или колонии муравьев, которая реорганизуется и трансформируется в зависимости от сопротивления среды, поскольку каждый ее индивид выполняет свою задачу по отношению к общему целому.

Человеческое тело представляет собой чрезвычайно сложную и динамичную синергетическую систему, и нам нужны более содержательные модели, чем просто прикладывание друг к другу набора разрозненных анатомических органов и частей из учебника.

Рис. 3.11. Модели тенсегрити предоставляют иной подход к пониманию функциональной анатомии. Воспроизводится с любезного разрешения © T. Flemons, 2006. (Flemons, 2007; 2012)

Но, с другой стороны, новое понимание должно быть достаточно простым и доступным практикующим специалистам. Что толку в самой совершенной математической или вычислительной модели, если ей нельзя воспользоваться в повседневной практике помощи людям? Биотенсегрити представляет из себя сочетание win-win — это возможность глубокого понимания и многоуровневого моделирования, соединенная с компактностью базовой идеи и возможностью непосредственно ощутить тенсегрити-отклик напрямую.

В следующих главах приведены некоторые примеры того, как простые модели могут поменять наше представление о человеческом теле и его динамике благодаря биотенсегрити-подходу (рис. 3.11). Каждая из моделей по-своему подчеркивает те или иные моменты, объясняя, почему их так много.

Биотенсегрити привлекательна тем, что она основана на очень простых и понятных физических первоосновах: стремлению к энергетическому минимализму, стремлению к плотности упаковки биологического субстрата, стремление к кратчайшему действию (геодезическая).

В этом ее отличие от академического подхода к биологической сложности и нелинейности, наполненного нагромождениями абстракциями и тяжелыми вычислениями, бесконечно далекими от терапевтической практики.

В биотенсегрити из простых физических первооснов постепенно выводится все остальное, поступательно увеличивается сложность, но без потери наглядности и практичности. Очевидно, что биотенсегрити в своей основе стоит на тех же самых фундаментальных физических постулатах о принципе наименьшего действия и стремлении систем к энергетическим минимализмам/оптимизмам, что и классическая физика (Levin, 2006).

Но в отличие от биомеханики биотенсегрити сразу концентрируется на внутренней сложности систем, однако при этом сохраняет простоту изложения и моделирования, делая этот уровень науки доступным практикующим специалистам.