Часть проблемы с применимостью классической механики к биологии состоит в том, что ее так называемые законы, то есть правила вычислений и типовые зависимости, были обнаружены в ходе экспериментов на неживой природе с относительно простыми и однородными внутренними структурами.
Однако живые ткани представляют собой мультимасштабные многокомпонентные композитные материалы, где каждая анатомическая часть — это сложный модуль, состоящий из более мелких модулей, вложенных в его сложную гетерархическую организацию, которые простираются вплоть до молекулярного уровня, и их физиологические взаимодействия в большей степени подчиняются относительно новой физике мягкой материи, нежели чем стандартной инженерии (Hirst, 2013) (см. главу 10).
Главный вывод, который читателю предлагается сделать из этой тяжеловесной фразы, заключается в том, чтобы прочувствовать масштаб разницы и возрастания сложности между реальными биологическими структурами и простыми объектами классических экспериментов теоретической механики. Такая сложность является источником парадоксов, непредставимых в классической механике.
К примеру, и жесткие кости, и податливые сухожилия могут накапливать большое количество энергии подобно пружине, поскольку способны вести себя как мягкая материя.
Другим парадоксом является то, что ткани, находящиеся под сильным натяжением, могут при этом оставаться гибкими, упругими и полностью внутренне стабильными. Иначе говоря, биологические структуры, которым классические законы механики предсказывают полный разрыв и деструкцию, остаются неповрежденными без видимых сверхусилий (Levin, 2006, с. 76).
После прочтения последних абзацев у читателя может сложиться впечатление, что автор дошел в своей критике существующего положения дел в биомеханике до того, что подвергает сомнению классические законы теоретической механики. Разумеется, это не так.
Проблема стандартной современной биомеханики заключается не в самих классических законах механики (которые сами по себе проверены временем и опытом в правильной области применения к неживой природе), а в том, как они используются применительно к биологии.
Хорошей иллюстрацией будет пример того, как за последние годы эволюционировало понимание применимости классических законов термодинамики, энергообмена и тепловой смерти к биологии.
С одной стороны, биология, безусловно, не отменяет фундаментальности законов термодинамики в целом, глобально, на уровне Вселенной. Однако современная биофизика начинает все больше акцентировать то, что биология представляет собой особый случай, в котором потоковые системы могут работать как бы наперекор законам термодинамики при условии наличия доступа к дополнительному источнику свободной энергии. Понятно, что работа наперекор этим общим законам не может быть вечной. Такое противостояние временное и локальное в контексте Вселенной, но это и есть жизнь как энергетически эмерджентный феномен.
Имея такой прецедент в эволюции термодинамических представлений о биологии, происходящий на наших глазах в биофизике, приходится признать, что биомеханика как наука существенно отстала.
Да, жизнь локальна, да, жизнь временна (преходяща и транзиентна), да, жизнь потоковая, да, жизнь требует источника энергии, но именно это и есть жизнь! Если убрать любой из этих сущностных признаков, жизнь исчезает. Логично предположить, что и биомеханика как наука должна изучать и выделять то, как механика жизни противостоит механике неживого, как она из нее выделяется (Ebeling, 2005; Bejan, 2016) (см. главу 12). Как механика живого эмерджирует из неживого. Как ни удивительно, в механике пока что нет такого исключения для био, которое уже появилось для био в термодинамике. Нет сомнений, что этот следующий шаг неизбежен.
Но, к сожалению, пока что стандартная вузовская и академическая наука о биомеханике занята попытками вписать эмерджентную глагольную нелинейность биологических систем и поведений в узкие рамки уравнений классической механики.
Безусловно, именно теоретическая механика стала основой создания окружающей нас рукотворной цивилизации. Благодаря выросшей из нее инженерии и технологиям мы имеем сегодня беспрецедентный уровень материальных благ и комфорта.
Тем не менее, признавая огромную значимость классической механики для человеческой цивилизации, необходимо помнить, что ее применимость ограничена. Она заключается в первую очередь в способности описать отношения между объектами неживой природы и теми силами, которые действуют на них в трехмерном евклидовом пространстве. Однако можно уже считать доказанным, что биология выходит далеко за пределы геометрии Евклида (Lighthill, 1986; McFadden, 2013).
Отец геометрии Евклид, греческий математик, живший примерно в 300-е гг. до н. э.
Разработанные им основания геометрии были настолько логически проработаны и в то же время интуитивно правильны и самоочевидны, что любая выводимая из них теорема считалась абсолютным отражением неизменной реальности.
По факту евклидова геометрия оставалась практически неоспоримой до конца XIX века, когда новые идеи и теории начали раскрывать иной взгляд на геометрию и пространство (см. главы 9, 10 и 12). Тем не менее даже сегодня классическая геометрия Евклида — это основа нашего повседневного опыта и первичного научного представления о мире, который преподается в школах (Fuller, 1975, 203.04).
Таким образом, совершенно неудивительно, что имеющаяся наука о биомеханике сформировалась на пересечении классической механики и стандартной геометрии Евклида. По-другому, просто быть не могло. Тем не менее именно такой подход заводит науку о биомеханике в тупик (Levin, 2002; Noble, 2017).