Одной из особенностей тенсегрити-модели является то, что компрессия прерывистая, т. е. она не передается непосредственно между распорками (костями), находящимися в океане цельно-замкнутого натяжения.
Напомним, что в качестве примера, важного для понимания тенсегрити-модели и ценности для анализа структурных взаимодействий, в главе 6 мы рассматривали т-модели как модульные спирали/ пружины со сложной внутренней структурой в отличие от типовых непрерывных пружин, которые внутренне просты.
Самым базовым вариантом сопоставления тенсегрити-модели и анатомии является упрощенная костно-суставная миофасциальная схема в области синовиального сустава. В ней кости принимаются за компрессионные распорки, а мягкотканевой комплекс (связочно-капсульно-сухожильно-мышечный) рассматривается как струнная система сферически-кольцевого самонатяжения вокруг суставного соединения.
Даже эта самая упрощенная тенсегрити-модель на удивление хорошо согласуется с анатомической реальностью. Исследования коленного и других суставов показали, что in vivo взаимокомпрессия между нормальными суставными поверхностями либо очень незначительна, либо вовсе отсутствует, даже при попытках столкнуть соседние кости друг с другом, прилагая дополнительное усилие (Terayama et al., 1980; Levin, 1981; Hakkak et al, 2015)!
Как мы уже отмечали раньше, в своей обширной клинической практике заведующего ортопедического отделения крупного госпиталя С. Левин многократно наблюдал, что в здоровых суставах суставная щель, наличие просвета между костями сохраняется даже под нагрузкой. Но на этом его эмпирические исследования не закончились. Как настоящий ученый, С. Левин решил поставить эксперимент на самом себе, когда выяснилось, что его собственные колени потребовали небольшой артроскопической чистки. Он воспользовался этой возможностью, чтобы проверить некоторые из этих идей на самом себе. Поскольку операция проводилась под местной анестезией, у С. Левина была возможность не только оставаться в полном сознании и наблюдать за процедурой в реальном времени, но и провести дополнительные эксперименты вместе с оперирующим хирургом.
Левин хотел проверить принцип сесамовидной плавающей кости непосредственно на себе. К счастью, эти эксперименты не несли дополнительных рисков, а только лишь увеличивали длительность операции.
Левин провел несколько динамических экспериментов: сначала он имитировал весовую нагрузку на коленный сустав путем активного напряжения четырехглавой мышцы и сгибанием/разгибанием стопы. Когда эти активные действия не привели к уменьшению суставной щели в колене, С Левин пошел дальше и попросил хирурга навалиться на его вытянутую ногу по продольной оси, имитируя осевую нагрузку на колено в вертикальном положении. С Левин при этом наблюдал за суставной щелью в своем колене на экране монитора. Как он и предполагал, даже стокилограммовый хирург не смог приблизить суставные поверхности друг к другу. Что удалось заметить, так это то, что расстояние в 1–3 мм между пателлофеморальным и мениско-бедренным сочленениями оставалось неизменным при всех сочетаниях нагрузок (Levin & Madden, 2005) (рис. 7.9).
Рис. 7.9. Вид спереди на левый коленный сустав, показывающий сохранение суставной щели как неизменное расстояние между бедренной костью и менисками без нагрузки (A) и под нагрузкой (B). Обратите внимание на артроскопический инструмент, вставленный в суставную щель между бедренной костью и медиальным мениском (вверху слева). (Воспроизводится с любезного разрешения Стивена М. Левина, 2005)
Из этих наблюдений и экспериментов С. Левина следует важный вывод о том, что поскольку между костями даже в предположительно сжатом до предела суставе все равно остается просвет, то с очевидностью в нем происходит нечто, весьма отличающееся от того, что утверждает стандартная модель механики движения.
Перенесемся в 1970-е годы, в момент, когда д-р С. Левин еще не сформулировал объяснительную гипотезу биотенсегрити о механизмах работы суставов. Необходимость новой гипотезы была связана с честным признанием накопившихся фактов о живой механике мягких тканей вокруг коленного сустава — их работа как бы приподнимала бедренную кость вверх, в воздух, у вертикально стоящего человека. И главное, что при этом не наблюдалось никаких явных рычагов! Как только мы имеем научную честность и смелость признать, что рычажная модель биомеханики неприменима даже к относительно простому коленному суставу, не говоря уже о таких анатомических комплексах, как позвоночник, то, нравится нам или нет, мы вынуждены и обязаны рассматривать другие модели и гипотезы.
С нашей точки зрения, наилучшим и, по сути, единственно возможным объяснением для этих наблюдений является система гетерархической биотенсегрити. В дополнении необходимо отметить, что, в то время как С. Левин проводил свои эксперименты на коленных суставах, в литературе есть и другие данные, полученные под нагрузкой на других суставных поверхностях in vivo. При этом, хотя рядом авторов и наблюдалось существенное сдавление и сближение костей, но при внимательном анализе оказывалось, что это во многом было связано как со значительной толщиной датчиков, вставляемых между костями, так и с самой операцией (патологией), которая изначально привела к необходимости оперативного вмешательства (Scarr & Harrison, 2016).
Периодически в качестве дополнительного аргумента, поддерживающего идею о прямой передаче сил посредством непосредственного костного контакта, предлагается включать в рассмотрение мениски как амортизаторы, которые позволяют распределять нагрузку от кости к кости по большей площади.
Однако при более пристальном анализе способность менисков выступать в качестве мощных амортизаторов вызывает большие сомнения из-за хрупкости самого биологического материала, из которого они сделаны (Andrews et al., 2011). Стоит также напомнить, что мягкие ткани уже сами по себе являются сложными структурами (рис. 3.8) и их поведение под нагрузкой в большей степени соответствует новой физике мягкой материи (Hirst, 2013), нежели чем классической механике.
Тенсегрити-модель предлагает намного более реалистичное объяснение работы коленного сустава, полностью отказываясь от рассмотрения прямой, последовательной, непрерывной взаимокомпрессии как суставных поверхностей, так и менисков в качестве механизма передачи сил. Как мы уже говорили, непрерывная компрессионная модель передачи сил имеет неразрешимые фундаментальные проблемы — неизбежное возникновение локальных разрушительных гиперконцентраций в динамике рывковых и пиковых нагрузок, а также непредсказуемость поведения мягкого биологического материала.
Поэтому тенсегрити-интерпретация, в основе которой лежит фокус на первичности механизма натяжения, а не прямой непрерывной компрессии, представляется намного более адекватной.
В тенсегрити-интерпретации именно множественные сети перекрестных спиралей, находящихся в кольцевом самонатяжении, поддерживают стабильность суставов и выступают в роли струн (тросов) тенсегрити, удерживая кости, как тенсегрити-островки, на расстоянии друг от друга, раскрывая суставную щель.
Но одновременно с этим действием верно и обратное: уже кости, как модульные компрессионные тенсегрити-распорки, позволяют накапливать интенсивность натяжения в закольцованной системе тенсегрити-струн. То есть наличие модульных компрессионных тенсегрити-островков, позволяет системе накапливать суммарную натяжную мощность, намного превышающую ту, которую могла бы иметь чистая натяжная система без ее дополнительного усиления компрессионными элементами. В этом смысле, если кольцевое натяжение раскрывает суставную щель, то именно наличие модульных компрессионных распорок (костей) позволяет удерживать ее раскрытой изнутри даже при значительных внешних нагрузках.
Именно такое объяснение сохраняющейся полости суставной щели между костями под нагрузкой представляется математически наиболее точным и информативным (Flemons, 2012) (рис. 6.7).
Как мы видим, тенсегрити-моделирование колена как частного случая, позволяющего понять истинную динамику синовиальных суставов, приводит к точно таким же выводам, что тенсегрити-моделирование позвоночника.
Мы уже говорили про главное парадоксальное (с точки зрения стандартной наборной механики) свойство тенсегрити — то, что противоположно направленные силы при их объединении в натяжное кольцо взаимоумножаются (!!!), а не взаимонейтрализуются, как в нормальной механике, где противоположно направленные силы равной величины обращаются в ноль — в статику!
Физические основы стандартной механики основаны на математическом кодировании явлений, наблюдаемых в неживой природе, через призму инженерного, рукотворного эксперимента. В случае зданий, инженерных конструкций и механизмов мы действительно имеем дело с непрерывной компрессией, к которой добавляются натяжные компоненты.
Вспомним описание тенсегрити, данное К. Снельсоном, — «океан натяжения, в котором плавают острова компрессии».
Если применить аналогичную словесную формулу к стандартной механике неживого, то в своей основе она имеет обратную модель: океан компрессии, в котором плавают острова натяжения.
Поскольку все наше образование и научная картина мира стоят именно на этой стандартной модели, то неудивительно, что тенсегрити-интерпретация выглядит парадоксальной для специалистов научных и инженерных профессий.
Итак, мы видим, что тенсегрити-интерпретация механики живого и стандартная биомеханика оперируют тем же набором базовых внутренних сил — компрессии и натяжения. Однако взгляд на их роль ровно противоположный.
Тенсегрити фокусируется на непрерывности натяжения, а стандартная биомеханика пытается найти в живом привычную непрерывность компрессии, импортируя ее из формул расчета неживого.
Тенсегрити исходит из модульности вспомогательных компрессионных элементов (прерывистости), стандартная биомеханика рассматривает натяжные элементы как вспомогательные и прерывистые.
Казалось бы, перед нами проблема вида «курица или яйцо», где ответ не является объективным, а зависит исключительно от системы убеждений.
Однако при более внимательном рассмотрении тенсегрити-интерпретация одерживает немедленную победу в применении к механике живого!
Дело в том, что тенсегрити — это именно океан натяжения, в который врастают острова компрессии (и приводят к росту океана, из которого не выливается). А вот стандартная механика описывает усыхающий ручей компрессии, требующий постоянной внешней подпитки, жизнь в котором поддерживается островками натяжений.
//Непрерывная компрессия распространяется по узкому руслу — по линиям осей, а не кольцу, поэтому всего лишь ручей, а даже не река, и уж тем более не океан. Противоположно направленные силы вырождаются в статику (взаимоуничтожаются) — отсутствие динамики, а значит, жизни ручей высыхает и постоянно требует новой подпитки. Для интеграции динамики нужны вспомогательные модули натяжения — островки поддержания жизни.//
В тенсегрити новые взаимодействия питают океан натяжений, создавая в нем новые эмерджентные коллективные паттерны и поведения. Силы не взаимонейтрализуются, а взаимоумножаются, питая динамику жизни и создавая потенциал роста!
На первый взгляд, утверждение об отсутствии прямого контакта между суставными поверхностями под нагрузкой противоречит их способности к скольжению друг относительно друга при угловых движениях.
Поэтому на вопросе взаимоскольжения суставных поверхностей и совместимости этого факта с тенсегрити-интерпретацией стоит остановиться подробнее. Начнем с анализа суставного взаимодействия на примере посмертных анатомических экспериментов.
В этом случае мы сталкиваемся с двумя ключевыми проблемами, высвечивающими те сложности, которые возникали бы при прямой, непрерывной передаче компрессионной нагрузки от кости к кости.
Во-первых, это связано с тем, что поверхности синовиальных суставов неконгруэнтны (не совпадают по форме), поэтому даже с учетом наличия хрящевых прослоек между ними площадь контакта этих поверхностей сильно зависит от угла положения сустава, что создает неравномерность нагрузок.
Во-вторых, такая неравномерность ведет к появлению резких, непредсказуемых пиковых и разрушительных нагрузок. Хотя in vivo циклическая нагрузка во время движения стимулирует дополнительную активность хондроцитов и смазывание хряща, которое значительно снижает пиковое давление на поверхности. Но этого все равно недостаточно для полного выравнивания неравномерностей и предотвращения непредсказуемых срывов и скачков локального увеличения компрессии в локальных точках суставной поверхности.
Поэтому наиболее логичной представляется гипотеза о том, что с точки зрения механической компрессии нормальный суставной хрящ функционирует как не более чем защитная концевая подушка, а не как носитель основной нагрузки по передаче значительных сил, которые распределяются по всему диапазону околосуставных мягких тканей в режиме натяжного сустава.
То есть в целом как распределение нагрузки, так и поддержание пространства между суставами и регуляция давления на суставные поверхности контролируется не сопротивлением материала хряща, а совместной синергетической самонапряженной организацией мышц и соединительных тканей в области сустава, раскрывающей суставную щель. Поэтому роль хряща заключается в обеспечении скольжения, а не сопротивлении нагрузки.
Суммируя вышесказанное, мы видим, что в контексте биологии способность поверхностей суставов скользить друг относительно друга без передачи значительных компрессионных сил полностью совместима с тенсегрити-интерпретацией (Fuller, 1975, 715.00; Levin, 2002).