Текст книги "Знание-сила, 2002 №09 (903)"

Автор книги: Автор Неизвестен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 12 страниц)

Архитектура жизни, или структура нас

Жизнь – это наилучший пример сложности в действии. Развитие любого организма, будь то бактерия или бабуин, представляет собой невероятно сложную последовательность взаимодействий огромного множества участников.

Например, молекулы – наши с вами мельчайшие составляющие – обладают способностью к катализу химических реакций, а значит, собственным поведением.

А когда они объединены в какое-то целое, будь то клетка или ткань, то поведение многократно усложняется. Так, у клетки появляется способность к движению, изменению формы и росту. Однако, даже понимая принцип работы компонентов целого (будь то двигатель внутреннего сгорания или клетка). мы не всегда можем объяснить, как это целое функционирует. Другими словами, определение и описание молекулярной головоломки-паззла даст мало чего, если до конца не известны правила сборки. Словом, инструкция где?

Что такое тенсегрити?

Природа использует одни и те же правила игры, это доказывает повторяемость у микро– и макроскопических существ определенных структур (моделей, выкроек, назовите, как хотите): пентагоны, спирали, шестигранники, триангулы. Причем эти структуры возникают как в симметричных (кристаллы), так и в неупорядоченных (белки) веществах. Более того, часто живое маскируется под нежить: так, из строительных кирпичиков-атомов углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора состоят и органические, и неорганические системы. Различие лишь в их расположении в трехмерном пространстве.

Этот феномен объединения компонентов в большие устойчивые структуры с новыми возможностями, которыми не обладают сами компоненты, известен как самосборка. Например, крупные молекулы в теле человека само-собираются в клеточные структуры, известные как органеллы, которые, в свою очередь, само-собираются в клетки, клетки – в ткани, ткани – в органы. Наше тело в результате представляет собой иерархическую систему из звеньев-подсистем. Как же мы так изумительно хорошо собраны?

Несмотря на довольно могучий опыт исследований, ученые все еще мало знают о тех силах, которые побуждают атомы к самосборке в молекулы. Даже какие группы молекул объединяются вместе, формируя клетки и ткани, и то не слишком понятно. Но за два последних десятилетия было открыто занимательное, если не сказать интригующее, свойство самосборки. Во всем многообразии природных систем, таких как атом углерода, белки, вирусы, клетки, ткани и даже человеческий организм, существует один фундаментальный способ построения, носящий название «тенсегрити». Если напрямую перевести слово «tensegrity» с английского, получится что-то вроде «напряженности стойкости», что звучит по-русски неуклюже, поэтому будем дальше следовать хорошей отечественной традиции называть вещи их заграничными именами. Термин «тенсегрити» означает, что система стабильна за счет баланса в ее структуре сил сжатия-растяжения. (Есть еще одно значение этого слова, которое, пожалуй, более на слуху: последователи Карлоса Кастанеды утверждают, что тенсегрити – это магические пассы магов древней Мексики. Это забавное совпадение: тенсегрити-структуры, как вы увидите дальше, имеют весьма магический вид.)

Фундаментальность открытия тенсегрити в том, что оно имеет приложение в самых различных областях. Ученые говорят, что вездесущесть тенсегрити в природных системах такова, что, возможно, мы сможем по-новому взглянуть на эволюцию.

Сфера зернышка пыльцы,построенного в соответствии с принципами «тенсегрити»

Палка, палка, огуречик… Вот и вышел человечек!

Начнем с истории. Время – середина 1970-х годов, место – Йельский университет, личность – Дональд Ингбер. Студент всерьез интересовался биологией клетки, а еще скульптурой. Именно последняя навела Ингбера на мысль, что внешний вид живых существ – следствие некой заложенной природой изначальной архитектуры, если хотите – плана, в меньшей степени объясняется химическим строением. Молекулы и клетки, из которых сформированы наши ткани, рассуждал он, находятся в постоянном движении, они перемещаются, возвращаются обратно, снова шевелятся. Это нужно им для сохранения общей структуры – того, что мы называем телом. Такова жизнь.

Тенсегрити – многокомпонентные системы – механически устойчивы не потому, что каждый из компонентов прочен, а потому, что все они в совокупности, в системе находятся в состоянии устойчивого равновесия, что дает большую устойчивость к стрессу извне. Вот веник. Сломать его в собранном виде трудно, а отдельные прутья из него ломаются легко. Веник туг может служить не лучшим, но все же примером тенсегрити-системы.

Ингбер выделил два типа тенсегрити-структур. Первый – это геодезические купола, фундаментальная основа, созданная из прочных распорок, каждая из которых испытывает сжатие или растяжение. Распорки, соединяясь, образуют триангулы, пентагоны или гексагоны, и каждая распорка ориентирована таким образом, чтобы удерживать каждый соединительный узел в фиксированном положении, тем самым гарантируя устойчивость всей их сложной системы.

Шея жирафы – наглядный пример эффективности взаимодействия костей и мускулов в живом организме.

Устойчивость тенсегрити-структур второго типа (их изобрел скульптор Кеннет Снельсон) осуществляется за счет так называемого предварительного напряжения. В его изящных работах сочетаются структуры, перманентно испытывающие только растяжение, и структуры, подвергающиеся только напряжению сжатия. Даже перед применением внешней силы к подобному тенсегрити-изделию оно уже натянуто в одном и сжато в другом месте, то есть «предварительно напряжено». Приложив давление, получим внутри системы противоборствующие силы: ее прочные, сжатые компоненты будут растягивать гибкие, растянутые, в то время как те – сжимать первых. Вот и равновесная система!

Медаль, однако, со свойственной ею подлостью имеет оборотную сторону. Нужно, чтобы натяжение между составляющими этой системы сохранялось длительное время. Исследователь Ричард Бакминстер Фуллер предложил рецепт для устойчивого положения сводов: «постоянное растяжение плюс местное сжатие». Фуллер разработал знаменитую пространственную конструкцию «геодезического купола» (полусферы, собранной из тетраэдров), которая стала одной из крупнейших конструктивных новаций двадцатого века.

Итак, и в скульптурах Снельсона, и в куполах Фуллера находящиеся под давлением элементы постройки расположены максимально близко друг по отношению к другу и находятся в состоянии упругого равновесия. Поэтому самые крепкие и прочные здания получаются при использовании тенсегрити-структур, и это, заметим, при одинаковом количестве стройматериалов.

Одна из скульптур Кеннета Снельсона

От скелета – к цитоскелету!

А что может дать эта тенсегрити человеку-то? – спросите вы. Оказывается, принципы тенсегрити приложимы к человеческому телу на любом уровне, возьмем ли мы клетку или орган. На макроскопическом уровне 206 человеческих костей противостоят зловредной силе тяжести и удерживаются в вертикальном положении благодаря силе мускулов, сухожилий и связок, то есть растяжимых элементов. Иначе говоря, тенсегрити-структура внутри нас: кости – прочные распорки, мускулы, сухожилия и связки – упругие элементы. На микроскопическом уровне оказывается, что наши белки и другие важные молекулы также подчиняются законам тенсегрити.

А теперь возьмемся за промежуточный уровень – клеточный. В 1970-е годы биологи представляли клетку как скопление гелеподобной протоплазмы, окружённое мембраной, – представьте себе, скажем, воздушный шарик, наполненный патокой. Было известно, что мембрана, или цитоскелет состоит из трех типов белковых полимеров: микроволокон, промежуточных волокон и микротрубочек. Но какова роль последних в регулировании формы клетки, оставалось загадкой. Непонятно было также, почему изолированные клетки на различных поверхностях, или субстратах ведут себя по-разному.

Впрочем, то, что клетки расплющиваются и «размазываются», если поместить их на ровное стекло, было известно давно. А Альберт Харрис из университета Северной Каролины еще в 1980 году показал, что если клетки посадить на тонкую упругую резину, то они сокращаются и приобретают сферическую форму, а их сокращение вызывает сморщивание резины. Уже упоминавшийся ранее доктор Ингбер предположил тогда, что если взглянуть на клетку как на тенсегрити-систему, то такое ее «поведение» вполне объяснимо.

С «тенсегрити точки зрения» клетка есть совокупность структур, которые в свою очередь образованы сплетением бесчисленных волокон.

Клетка – достаточно прочная вещь (конечно, в той же степени, в которой могут быть прочными дорогие колготки). Ее цитоскелет, то есть дословно «клеточный скелет», состоит из паутины микроволокон, которая создает центростремительное напряжение внутри клетки. Цитоскелету противостоит целый арсенал средств: внеклеточный матрикс, микротрубочки и крупные пучки поперечно связанных микроволокон. Но и цитоскелет не прост: в нем есть промежуточные волокна – «великие интеграторы», связующие между собой сжимающие микроволокна, микротрубочки, поверхностную клеточную мембрану и ядро клетки. Промежуточные волокна также создают растяжку между клетками и различными компонентами ткани. Эта функция необходима для деления клеток, особенно когда ткань должна затянуть свежую рану. В этой экстремальной ситуации стремительно размножающиеся клетки в ткани ведут жестокую борьбу за место, стремясь с помощью вышеописанных структур принять наиболее выгодную сферическую форму. В результате формируется нормальная ткань. И это благодаря тенсегрити!

Понимание этих процессов может привести к новым подходам влечении рака и заживлении ран, а может быть, и к созданию искусственной ткани. Ведь что такое ткань? Совокупность клеток и межклеточного матрикса, выполняющего роль цемента. Поиск и исследование тенсегрити-структур на уровне тканей были проведены Ингбером и его американскими коллегами – Вангом и Стаменовичем. Исследователи обнаружили, что применение стресса, более сильного, чем молекулярное притяжение, к клеточной поверхности органов чувств, участвующих в обмене веществ, никак не влияет на «внутреннюю жизнь» клеток.

Это открытие заставляет по-новому увидеть реакцию клеток на стимул извне.

Купол Фуллера

Внутренние элементы клетки, создающие напряжение, которое поддерживает целостность клетки

Главное, чтобы костюмчик сидел!

Хотя изменения в структуре ДНК порождают биологическое разнообразие, гены – всего лишь продукт эволюции, а не ее движущая сила. Геодезические сооружения, наподобие тех, что есть у вирусов, ферментов и клеток, мирно существовали в неорганическом мире у кристаллов и минералов, когда генов еще и не существовало.

Вот немного измышлений о началах живого. Раньше ученые говорили о возникновении жизни в древнем океане. Сейчас многие высказываются в пользу появления живого в глине. Любопытно, но факт: микроструктура глины – решетка атомов, упорядоченных в восьми– и четырехгранные структуры… Так-так, а вам это ничего смутно не напоминает? Как насчет… Да-да-да, тенсегрити-структур? Поскольку эти октаэдры и тетраэдры упакованы неплотно (микроструктура пористая), они могут двигаться одни относительно других. Отсюда пластичность глины, что, видимо, дает ей возможность катализа химических реакций. Скорее всего, давным-давно, во глубине миллионолетий, на поверхности глинистого минерала образовались первые строительные кирпичики органической жизни… Шло время, самосборка делала свое дело, образовывались предвестники клеточных органелл, а за ними и первая живая клетка. Потом по цепочке: ткань, орган, организм. Кстати, развитие эмбриона из яйцеклетки – тот же процесс.

Возникает вопрос: каким образом из неорганических компонентов образуются органические вещества? Или вот есть, например, натрий, взрывоопасный металл, и хлор, ядовитый газ. А вместе они образуют безобидный хлорид натрия, или поваренную соль. Все дело, оказывается, в способе образования структуры.

Если уж на то пошло, любое вещество, а по-философски – материя, есть предмет определенного пространственного напряжения безотносительно к ее расположению или размерам. Тенсегрити – наиболее экономичный и действенный способ постройки на молекулярном, макроскопическом и промежуточных уровнях. Тенсегрити-структуры были отобраны в ходе эволюции из-за их эргономичности: минимум материалов плюс высокая механическая прочность.

Шестигранная форма пчелиных сот оказалась очень прочной конструкцией, к тому же ячеистое поэтапное строительство весьма рационально. Початок кукурузы – идеальная форма для многоэтажного здания. Необычно прочную форму раковин некоторых моллюсков также используют при строительстве зданий.

«Ребристость», характерная для многих раковин, взять, например, черноморских гребешков, придает таким зданиям дополнительную прочность.

Александр Зайцев.

Чудеса пустыни

Значительная часть суши покрыта пустынями– Их мир враждебен человеку, но он бесконечно грандиозен. пустыня – это окаменевшее море, это свободная, но грозная стихия. пока еще она мало понята человеком. Нам нужно приглядеться к этой бескрайней дали, занесенной песком, чтобы обнаружить там чудеса.

Симфония песка

Временами в пустыне раздается странная музыка: ревут трубы, бьют барабаны, гудит орган, звучно плещут аплодисменты. Иногда в этот оркестр вмешиваются посторонние звуки: кажется, будто грохочут пушки или вздрагивает гром. Что это? Обман чувств? Нет. Море песка творит музыку. как искусный композитор.

Исследователи из США и Италии Ник Ланкастер и Франко Нори выяснили, что эти звуки рождаются по законам физики. Если в пустыне началась буря, песчинки приходят в движение: они сталкиваются, цепляются. трутся. Их соударения отзываются неслышным эхом. Однако миллионы соударений разрывают тишь; они складываются в какофонию, в которой мы угадываем трубы, барабаны, а то и пушки.

Пустыня начинает «петь», когда угол наклона барханов превышает 34 градуса. Тогда песчаные горы становятся зыбкими, приходят в движение. Мелодия песчинок пугающе нарастает. Пустыня словно предупреждает путников, что ее волны вот-вот захлестнут и поглотят их с головой. Так, в зимней степи завывает буран, а в море ревет шторм. От этих «утробных мелодий Земли» становится не по себе.

Опасная магия фата-морганы

«Вода, наконец, вода!» -задыхаясь от жажды, путник тянет руку. Падая, скатываясь по бархану, упрямо ползет вперед. Серебристое озеро манит. До него еще можно добрести, но это лишь мираж, фата-моргана. На отчаянную попытку добежать до края видения тратятся последние силы. Человек, как подкошенный, падает, и теперь последние видения для него рисует лишь бред или предсмертный сон.

В старину появление миража многие считали волшебством – кознями злых демонов, завладевших безлюдной далью пустыни. Наука объясняет появление миража простым преломлением лучей. Близ поверхности земли воздух сильно прогревается. Если горизонт заслоняют пальмы или скалы, то они отражают свет, а слой прогретого воздуха преломляет световые лучи. Коэффициент преломления – почти такой же, как у воды. Стоит посмотреть вдаль, и нам кажется, что пальмы растут на берегу озера.

По мнению американского исследователя Элисона Фрезера, знаменитая библейская сцена – исход евреев из Египта по водам Красного моря – объясняется не чем иным, как миражом. Когда толпы евреев двинулись вдаль, египтяне увидели, что возле горизонта расстилается серебристая полоса воды. Вот уже первые ряды уходивших поравнялись с берегом, вошли в воду, двинулись дальше, но море не губило их. Вершилось чудо Господне! Счастливый фатум… Прошли «сыны Израилевы среди моря по суше».

Пустыня в цвету

Авантюристы XIX века, заселяя Дикий Запад, сделали мрачное открытие. В Калифорнии они нашли Долину смерти. Так окрестили котловину, окруженную горами и лежащую на 86 метров ниже уровня моря. В летние дни температура здесь поднималась до 57 градусов тепла. В 1849 году отряд золотоискателей, забредший сюда, погиб от жажды. Что еще могло ждать их в этой долине? Только смерть?

Нет! Еше море цветов, если бы они зашли сюда в другое время. В Долине смерти годами не бывает дождя. Когда же разразится ливень, пустыня преображается за одну ночь, покрываясь травами и цветами. В пустыне Атакама на севере Чили после внезапного дождя обнаруживали даже растения, которые считались вымершими. Семена растений, попавшие в пустынный грунт, впадают в спячку, но как только туда проникает влага, из семян проклевываются ростки. У пустынных растений крупные, пышные цветки – иначе нельзя: невзрачные цветы могут не заметить и не опылить насекомые. Тогда растение отцветет напрасно, не проронив семена в песок, где они, быть может, хранились бы вечно.

Растения, пьюшие туман

Уже само имя растения – вельвичия ми раб и лис («удивительная») – выдает, что без чуда туг не обошлось. В самом деле, это одно из самых загадочных растений на свете. Оно напоминает карликовое деревце и растет в пустыне Намиб, едва ли не самом засушливом районе планеты. В год здесь выпадает всего 10 миллиметров осадков. Однако она все же находит влагу, а ее кожистые листья, достигающие двухметровой длины, отражают солнечный свет. В жару листья сворачиваются, защищая себя от высыхания. Корневище же в поисках воды расползается по обширной территории, занимая площадь в 50 квадратных метров и уходя в глубину иа 5 метров.

Но, самое главное, растение научилось «пить» пелену тумана, а он здесь нередок. Туман образуется, когда холодные воды Бенгальского течения, зародившегося в Антарктике, достигают берегов Африки и поднимаются наверх. Клубы тумана разлетаются в глубь пустыни Намиб на 120 километров (!). Их и ловит вельвичия. На обеих сторонах ее листьев множество микроскопических устьиц. Во время тумана они раскрываются, и влага затекает в них. Когда туман проходит, устьица захлопываются. Растение продолжает жить, а живет оно, по оценке ученых, до двух тысяч лет.

Муравей выходит на охоту

Пустынный муравей, Cataglyphis bombycina, выходит на охоту в самое жаркое время суток. От прикосновений к песку, раскалившемуся до 54 градусов, он испекся бы заживо, если бы не его длиннющие ноги. Они удерживают тельце муравья в нескольких миллиметрах от песка, где заметно холоднее. Однако, бегая по песчинкам, муравей «скользит по лезвию бритвы»: если песок прогреется сильнее, он тоже умрет от жары. Впрочем, попятной дороги муравью нет: если он вздумает выбраться наружу в более прохладные утренние или вечерние сумерки, его наверняка настигнет заклятый враг: пустынная ящерица Acanthodactylusdumerri. Ученые полагают, что именно спасаясь от нее, муравьи стали вести непривычный здесь для других существ дневной образ жизни.

Крокодилы плывут по песку

Вот уж кого в пустыне не ждали! Однако такие встречи возможны. На востоке республики Чад – страны, лежащей в Сахаре, – среди песчаного моря ученые отыскали следы крокодила. Вскоре нашелся и его биотоп: крутые каньоны с пресноводными озерцами, затерянными среди глинистых плато.

Когда-то, двенадцать тысяч лет назад, во время последнего ледникового периода здесь была пышная растительность. Отсюда можно было добраться до Нильской долины. Вот крокодилы и стали «заложниками географии». Они поселились в прохладных ложбинах плато Эннеди.

В здешнем замкнутом мирке они заметно изменились. Если нильские крокодилы достигают шести метров в длину, то их пустынные сородичи не превышают двух. Ведь в озерцах плато Эннеди температура воды в среднем на девять градусов ниже, чем в Ниле. Выбор пиши довольно скуден. Сегодня популяция местных крокодилов насчитывает всего 60 животных. Однако ученые уверены, что в ближайшее время она сохранится, ведь здесь встречаются и молодые особи.

Море под Сахарой

«Бахр-бела-ма», «море без песка» – так с незапамятных времен арабы называют Сахару. Однако под ее волнистой рябью скрывается подлинное чудо. Посреди республики Чад, к востоку от нагорья Тибести, лежит, например, Унианга-Кебир – озеро площадью 20 квадратных километров. В принципе, оно давно уже должно было исчезнуть. Как показывают расчеты, уровень озера каждый год из-за испарения воды должен был понижаться на семь метров. Однако вода в озере не убывает: оно подпитывается из громадного подземного «моря», лежащего под Сахарой.

Французский гидролог Жюстин Саворнин открыл это море еще восемьдесят лет назад. «Море Саворнина» – так назвали его, могло бы осчастливить всех жителей Сахары и превратить их унылую родину в один цветущий оазис. С точки зрения геологов, Сахара состоит из одиннадцати громадных бассейнов глубиной до пяти километров, но бассейны эти присыпаны сверху песком. На протяжении миллионов лет под толщей песка скапливались громадные запасы пресной воды. Всего их здесь -150 тысяч кубических километров. Если бы это море разлилось, к примеру, в Германии, то вся страна скрылась бы под водой, превратившись в море глубиной до шестисот метров.

Ливия и Египет уже используют подземные запасы воды для орошения полей и садов. Однако геологи предупреждают, что при хищнической ее добыче уровень грунтовых вод резко снизится. Впрочем, не все разделяют этот скепсис, ведь на склонах гор, лежащих к югу от Сахары, регулярно выпадают дожди. Отсюда струйки дождевой воды стекают в «море Саворнина».