Конкурс «био/мол/текст»-2012

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2012 в номинации «Своя работа».

---

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific.

If a DNA—RNA genetic code programs roses the design of roses, elephants and bees, we will have to ask ourselves what intellect designed the DNA—RNA code as well as atoms and molecules which implement the coded programs.
R. Buckminster Fuller

Что такое «бионический»?

Био́ника (от др.-греч. βιον — живущее) — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы. Бионика (в том числе биомимикрия и биомиметика) занимается поиском и испытаниями изобретений живого мира для реализации инновационных технологий. С помощью современных знаний о строении живого вещества появилась возможность изменить всю структуру современного производства. Однако заимствование биологических знаний и воплощение их в современных технологиях бионики не является прямым копированием; это скорее независимый творческий поиск оптимальных решений, вдохновленный алгоритмами природы.

Био-тек (в противопоставление хай-теку), или архитектурная бионика, — название современного течения «нео-органической» архитектуры, где выразительность конструкций достигается заимствованием и производством биоморфных форм с использованием компьютера. Элементы бионики обрели жизнь в зданиях немецкого экспрессионизма 1920-х годов. Наибольший интерес представляет Стеклянный павильон, построенный Бруно Таутом (рис. 1).

Постройка представляла собой прозрачную конструкцию с сетчатым куполом из цветного стекла. Она воплотила утопические фантазии писателя-экспрессиониста П. Шеербарта, автора книги «Стеклянная архитектура». «Я изобрел растущие дома, а вернее, домостроительные растения. Теперь нам больше не придется строить из мертвых стройматериалов, можно строить из живых», — так говорил один из героев Шеербарта.

В современной архитектуре стиля хай-тек часто используются конструкции с криволинейными очертаниями. Один из основных способов создания нелинейной и параметрической архитектуры — использование структур на основе сетчатых оболочек. Основоположник этого вида конструкций — В.Г. Шухов (рис. 1).

В советском художественном авангарде 1920-х годов наравне с конструктивизмом и супрематизмом возникает направление органиков во главе с М. Матюшиным. И если в начале XX века читатель мог только удивляться истории о гигантском вьюне, на стебле которого вырастают не цветы, а готовые дома, то уже в 60-е годы архитекторы всерьез занялись созданием архитектуры, имитирующей органические формы. В архитектуре появились природные направления — метаболизм, органика, бионика.

Современный цифровой био-тек и параметризм находится в процессе становления, и пока его исследовательская составляющая преобладает над практической. Основная проблема архитектурной бионики — это противостояние консервативной прямоугольной планировки и конструктивной схемы зданий и биоморфных криволинейных форм и оболочек. «И потому смело возле готического строения ставьте греческое», — писал Н. Гоголь. Но так получается только в высокоразвитых странах, а в основном в традиционной кубометрической среде био-тек выглядит чужеродно и даже вызывает враждебную реакцию. Достойное техническое и экономическое решение этого противоречия — одна из основных задач биопараметризма и данной статьи.

Патенты природы

«Изобретая» живое вещество, природа создала необходимую оболочку для него. В процессе эволюции материалы живого приспосабливались к изменениям окружающей среды и приобретали все более прочные формы, способные к большим обратимым перемещениям и деформациям. Этого требовал характер роста и воспроизведения организмов. Это свойство широко используется в живой природе, а среди творений рук человека его можно встретить разве что в одежде.

Природа очень неохотно использует жесткие материалы, неспособные к деформации. Скелет, работающий на сжатие, составляет лишь небольшую часть тела; бóльшая его часть — работающие на растяжение мягкие и упруго-гибкие ткани. Таким способом природа экономит энергию и материалы для строительства жизни. Именно эти упругие ткани снижают нагрузку от движений на хрупкий (хотя и жесткий) скелет. Чтобы использовать этот принцип и в искусственных конструкциях, необходим плодотворный обмен идеями между инженерами и биологами.

В мире имеются две школы проектирования конструкций. Это восточная школа гибкости и европейская школа жесткости. У китайцев есть поговорка «лучше согнуться, чем сломаться». А приверженцы традиционной европейской школы жестких конструкций создают мир, в котором страшные последствия землетрясений и наводнений стали нормой.

Условие обеспечения жесткости и максимальной устойчивости при этом требует в сотни раз бóльших материальных и энергетических затрат, чем если бы все они были созданы упругими и способными к деформации. Жесткость — это не всегда прочность, но зато это всегда значительное увеличение веса и стоимости конструкций. Для достижения больших обратимых деформаций требуется много надежных и простых шарнирных узлов. Проблема заключается в том, что производство этих узлов и коннекторов — непростая технологическая задача. С целью ее решения инженерам и технологам необходимо обратиться к живой природе и молекулярным исследованиям биологов. Как вещество создает узлы и шарниры в мире молекул и микроорганизмов? Природа не получила традиционного инженерного образования и поэтому с легкостью и без потерь создает шарнирные узлы и мягкие ткани любой формы. Биологические мягкие ткани способны к обратимой упругой деформации при нагрузках в 1000 раз бóльших, чем те, на которые рассчитаны конструкции, созданные инженерами-людьми.

...Будет ли способен ли дом будущего, подобно одежде, капле воды или живой клетке, менять свою форму? Интересным образцом для топологического моделирования упруго-гибкой структуры такого дома-капли может послужить молекула ДНК.

ДНК как прообраз структурного элемента сложных конструкций

ДНК представляет собой упруго-гибкую нить, способную скручиваться в тугую спираль хромосом. В последние годы ученые активно работают над технологиями получения трехмерных структур на основе спирали ДНК. В перспективе они могут быть использованы для создания электронных устройств и новых лекарств (или средств их доставки). Из цепочек ДНК, используя технологию ДНК-оригами, уже созданы решётки, коробочки с крышкой, вазы и даже сосуды каплевидной формы [1–4].

Самое сложное и самое интересное в создании этих наноструктур — узлы соединений. Это могут быть «липкие концы» на отрезках ДНК или комплементарные связи между нуклеотидами по длине цепочки ДНК. У человека в гаплоидном геноме (в единичном наборе хромосом) 3 млрд. пар нуклеотидов, общая длина которых составляет 1,7 м (из одной клетки!). Для того, чтобы ДНК могла поместиться в ядре, она плотно скручена, и свернуться ей помогают белки — гистоны. Если взяться за концы верёвки и начать скручивать их в разные стороны, она станет короче, и на ней образуются «супервитки». Так же может быть суперскручена и ДНК. Упакованная при помощи гистонов ДНК имеет вид бусин, называемых нуклеосомами (200 пар нуклеотидов на каждую, причем 146 пар накручиваются на гистоны, а остальные 54 — «висят» в виде линкерных фрагментов). Это первый уровень компактизации ДНК. В хромосомах ДНК свернута еще несколько раз для того, чтобы образовались еще более компактные структуры. Например, в макромире, этот принцип иллюстрирует патент спиральной структуры в виде механизма упруго-гибкого механизма тенсегрити из разворачивающейся пружины для стрелы антенны спутников. Вероятно, чем выше степень скрученности молекулы, тем выше ее способность противостоять разрушающим нагрузкам одновременно с увеличением количества информации в минимальном объеме. По своей форме нуклеосома обычно представляет собой плоский цилиндр диаметром 11 нм и высотой 6 нм. ДНК закручивается вокруг нуклеосомы, делая почти два витка (рис. 2).

Автор предлагает использовать эту форму (ДНК—нуклеосома) для создания сетчатых оболочек макроскопических размеров (например, из проволоки). Спиральная технология сборки оболочки заключается в наложении упруго-гибких элементов в параллельных плоскостях и связывании их по длине и на концах. Фиксация объема такой оболочки происходит с помощью колец по длине и на концах оболочки; поверхность оболочки состоит их ячеек в форме полигонов.

Этот подход можно использовать для создания оболочек и в наномире, уже не из проволоки, а из молекул биополимера. Размер подобной оболочки на основе ДНК составит всего около 20 нанометров. Такие оболочки могут стать основой для изготовления или доставки новых лекарств, электронных и оптических систем,для создания сетчатых имплантатов, шунтов, стентов и биодеградируемых структур, или каркасов для выращивания тканей. Другой возможный материал для нано-оболочек — микротрубочки, представляющие собой полые цилиндры диаметром 25 нм. Длина их может быть от нескольких микрометров до нескольких миллиметров.

Нано и макро

Алгоритмы спиральной технологии универсальны для любого масштаба. Она с успехом может использоваться как для постройки наноустройств, так и при производстве оболочек зданий и средств передвижения. Можно представить себе, что благодаря спиральной технологии производства оболочек можно будет «вязать одежду» для зданий и материалы для их строительства с использованием индивидуальных алгоритмов, несущих отпечаток индивидуальности их владельцев.

Спиральная технология

Такие технологии, как сварка и сверление, в будущем должны уступить место спиральной технологии гибки. С помощью такой технологии люди смогут «без посредников» производить дома-оболочки любых форм и размеров. Внедрение спиральной технологии позволит экономить материальные ресурсы и в кратчайшие сроки осваивать новые территории. Однако это пока, конечно, только мечты.

А сегодня любой желающий сможет заказать себе и своим детям бионический конструктор. С его помощью можно собрать у себя дома светодиодный светильник для домашних растений в виде любого из двух сотен видов многогранников (полиэдров) или сделать себе светящийся кокон для сохранения тепла и юрту для путешествий.

Каркас сетчатой оболочки

Сетчатый каркас оболочки при такой шарнирной сборке может складываться как по длине, так и по ширине. Кинематическая оболочка способна к обратимой деформации и может быть как несущей конструкцией нового здания, так и служить новой «одеждой» для старых зданий. Чтобы придать каркасу стабильную форму, используются складные кольца на поясах. Таким образом ячейки сети каркаса приобретают геометрически неизменяемую на время эксплуатации треугольную форму.

Благодаря шарнирным связям и изменяемой геометрии ячеек, каркас дома может «замирать» на некоторое время и вновь «оживать» перед разборкой или утилизацией. Все элементы каркаса взаимозаменяемы и могут использоваться многократно. В результате каркас, образованный с помощью спиральной технологии гибки, получается в 20 раз легче традиционного, и при этом его невозможно сломать. Он, подобно пространственной пружине, отвечает на разрушительные нагрузки упругим и обратимым изменением формы. Если владельцу дома-оболочки потребуется увеличить жилое пространство, то это очень просто сделать: новые оболочки могут приращиваться к старой гиперболическими участками с минимальными поверхностями.

Если в ДНК последовательность нуклеотидов служит генетическим кодом, то в макромире последовательность винтовых соединений элементов каркаса дома служит для определения параметров и формы здания. С помощью компьютерной программы можно в течение часа рассчитать оптимальную форму и свойства каркаса с учетом индивидуальных предпочтений. Все поверхности могут быть «запрограммированы» на определенный ответ и требуемую степенью упругости.

Создание предметного дизайна, навеянного топологией молекул жизни, позволяет решать сложные задачи по моделированию универсальных оболочек. В отличие от аналогов (конструкторов Байрона, Дрейнинга, Колтуна, Меккано и др.), конструктор Эльпюль имеет более простые и равнопрочные шарнирные узлы соединения. Стержни бионического конструктора напоминают белки типа коллагена. Они образуют силовые ячейки, заполненные эластичными панелями с малым модулем Юнга. Шарниры или связи между петлями образуются с помощью винтов с гайками. На стержнях имеются трубчатые насадки, аналогичные микротрубочкам в живой клетке. Они служат для увеличения прочности и устойчивости упруго-гибких стержней. С помощью такого конструктора можно быстро и просто моделировать любые сложные поверхности с ячейками-полигонами любых форм: треугольными, пентагональными, ромбическими, гексагональными и Вороного.

В отличие от существующих конструкторов молекул и молекулярной скульптуры [5], [6], автор статьи предлагает использовать упруго-гибкие стержневые элементы с петлями на концах и по длине, а для фиксации и увеличения прочности стержневых элементов — стержневые и трубчатые элементы (рис. 7).

Для демонстрации этой работы изготовлен набор-конструктор из проволоки, алюминиевых трубок и винтов с гайками. Для оптимизации работы с бионическим конструктором предлагается программа по трехмерной молекулярной графике, написанная на языке Java. При тестировании бионического конструктора преподаватели учебных заведений отмечают, что подобные модели и конструкторы чрезвычайно полезны в обучении. Они развивают моторику и позволяют «думать руками». Если студент сможет подержать в руках модель многогранника или оболочки живого организма, он сможет «почувствовать», как это работает.

Каплевидные оболочки для жизни или Эльпюль формы

Для архитекторов и будущих градостроителей полезно знать, что каждый организм (и город, и здание в том числе) живет благодаря обмену веществ, он — открытая система. Потоки молекул и энергии текут в нем подобно ручьям. На пути преодоления энтропии оболочка-капля или клетка живого организма изначально имеют структуру и форму поверхности, способную к обмену с внешней средой. В невесомости форма капли — это сфера.

В условиях тяготения и на границе двух сред капля деформируется и сочетает в себе участки с разной кривизной. Для краткости, автором предложено такую форму называть эльпюль, где «эль» обозначает поверхность вращения с гиперболической кривизной, через которую происходит обмен веществ, а «пюль» — поверхность с положительной кривизной, способную запасать вещество и энергию (рис. 8).

И пусть пространство Лобачевского летит с знамен ночного Невского.
...Пусть Лобачевского кривые украсят города.

Как оно выглядит, это пространство Лобачевского? Криволинейное пространство Лобачевского — это гиперболоид, воронка, окно, вход и выход. Сумма углов треугольника на поверхности такого пространства меньше 180°. Все, что находится в гиперболическом участке пространства, перемещается. Это пространство потока энергии. Примером может служить черная дыра или воронка жидкости. А вот пространство Римана — это сфера или эллипсоид (рис. 9). Сумма углов треугольника на эллиптической поверхности больше 180°. В гармоничном сочетании оба эти пространства образуют «эльпюль» — т.е., каплевидную форму.

Впервые исследование математических закономерностей сетчатых поверхностей провел П.Л. Чебышев в работе «О кройке одежды» (сообщение в Association franchise par l’avancement des sciences от 28 августа 1878 г.). «Принимая участие в прениях на Конгрессе в Клермон-Ферране в связи сообщением, сделанным Эдуардом Люка о применении математического анализа к тканям, я коснулся другого вопроса о тканях, решение которого при помощи математики может представить известный интерес, а именно, кройки материй при изготовлении одежды или вообще оболочек каких бы то ни было тел», — написал он.

Чебышев установил математические принципы формообразования криволинейных поверхностей из плоских тканевых развёрток с четырехугольными ячейками, наглядно продемонстрировав, что поверхность шара может быть полностью покрыта двумя изначально плоскими выкройками.

А у Владимира Вернадского в итоговой статье «О состояниях физического пространства» есть такое определение биосферы: «Биосфера представляет собой земную оболочку, в которой в состояниях пространства евклидовой геометрии костных тел (кристаллов) включены дисперсным образом бесчисленные мелкие римановы (эллиптические) пространства живого вещества. Связь между ними поддерживается непрерывным биогенным током атомов (через гиперболические участки пространства Лобачевского)». К гиперболическим участкам могут относиться все виды связей, переходов и взаимодействий с внешней средой.

Симбиоз старого и нового

Товарищ Травкин из старой данелиевской комедии «Тридцать три» сказал: «Старое не должно зачеркивать новое, а новое не должно зачеркивать старое». Эта гениальное руководство к действию для преображения старых городов и предметов с помощью бионического конструктора (рис. 10).

Сегодня у людей имеется широчайший выбор технологий и материалов для создания искусственных сред обитания. Непреодолимой проблемой остается непреодолимое желание строить традиционные здания, неспособные к изменению формы и основанные на старых схемах жизнеобеспечения.

Нормы и правила, созданные в середине прошлого века, запрещают строить здания с деформацией поверхности более чем на несколько миллиметров. Это здорово тормозит исследования и внедрение бионических конструкций. Если бы человек никогда раньше не отходил от этого правила, мы и не увидели бы полета вертолета и дельтаплана. Конструкторы были вынуждены пойти на преступление и допустить большой изгиб лопастей вертолета: если бы лопасти были изготовлены по тогдашним нормам, вертолет никогда бы не взлетел — эти жесткие лопасти сломались бы при первом же испытании.

Конструкции оболочек будущего — это уже не жесткие одинаковые коробки и проуны, это растущие и отвечающие на нагрузки и условия среды упруго-гибкие морфогенетические системы. Именно в таких, аналогичных живому организму бионических структурах и оболочках, способных на большие обратимые деформации, предстоит жить и находить свою радость будущему человечеству.

Литература

1. Wenyan Liu, Hong Zhong, Risheng Wang, Nadrian C. Seeman. (2011). Crystalline Two-Dimensional DNA-Origami Arrays. Angew. Chem. Int. Ed.. 50, 264-267;
2. H. Dietz, S. M. Douglas, W. M. Shih. (2009). Folding DNA into Twisted and Curved Nanoscale Shapes. Science. 325, 725-730;
3. Ebbe S. Andersen, Mingdong Dong, Morten M. Nielsen, Kasper Jahn, Ramesh Subramani, et. al.. (2009). Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid. Nature. 459, 73-76;
4. Попов Л. (2009). Замки шкатулок из ДНК отпираются генетическими ключами. Membrana;
5. На заре молекулярной графики;
6. Изваяние невидимого.