Архитектурная бионика

152

Архитектурная бионика и каким образом эти клетки обрезуют микроскопические во­ локна. Таким обрезом, ход резвития структуры этих волокон известен на уровне всех порядков величин, начиная от микро ­ молекул и кончая видимыми невооруженным глазом и ося ­ заемыми тяжами, игреющими в организме растения роль опор ­ ных ткеней" [ 14]. Исследования разнообразных групп водорослей, от которых произошли высшие растения (Крегер, 1960; Престон, 1962), показали, что в них встречаются раз ­ личные типы микрофибрилл. "Создается впечатление, — пишет Фрей-Висслинг — что при ­ рода экспериментировала с разнообразными типами полисаха ­ ридов до тех пор, пока отбор не показал, наконец, что именно гибкие цепи целлюлозы могут служить наилучшим материалом для укрепления клеточных оболочек в борьбе растений за пере ­ ход к наземному обрезу жизни". Данные анализируемого материала свидетельствуют о том, что целлюлоза является основным структурным компонентом клеточных оболочек, содержание кото ­ рой от начала "строительства" оболочек к их заверше ­ нию возрастает с 1/3 до 2/3. Вследствие неодинакового содержания целлюлозы клеточные оболочки обнаруживают различную степень пластичности (свойства изменять форму и размеры при действии нагрузки и сохранять остаточную деформацию после снятия нагрузки) и упругости (способности восстанавливать первоначальные формы и размеры после деформации и прочности) . В процессе формирования клеточные оболочки под ­ вергаются вторичным превращениям, включая хими ­ ческие и физические изменения клеточных оболочек. В частности, для механической (опорной) ткани особое значение имеет процесс одревеснения, приводя ­ щий к накоплению в клеточной оболочке особого ком ­ понента — лигнина. Структура клеточной оболочки, достигающей своих окончательных размеров, приобретает устойчивость, когда оболочка инкрустируется лигнином. В дополне ­ ние к прочности на растяжение, которую придают обо ­ лочке целлюлозные микрофибриллы, она приобретает значительную прочность на сжатие. Важное филогенетическое значение имеет тот факт, что лигнин впервые возник в природе при переходе растений от водного образа жизни к наземному, когда требования, предъявляемые к опорной системе расти ­ тельного организма, увеличились. Отложение лигнина происходит в срединной плас ­ тинке, первичной и вторичной оболочках. Содержание его достигает максимума в первичной оболочке, после чего снижается, падая до минимума уже в наружной части вторичной оболочки (Ланге, 1954). Это объясня ­ ется тем, что первичная оболочка, более бедная целлю ­ лозой, требует для приобретения твердости гораздо большего количества лигнина, чем вторичная оболочка с характерным для нее высоким процентом спирально расположенных целлюлозных микрофибрилл [14]. Установлено, что процесс одревеснения клеточных оболочек зависит от внешних нагрузок, испытываемых стеблем. Так, в ткани, находящейся в растянутом состоянии, лигнина откладывается меньше, и часть клеток вообще не одревесневает. Напротив, в сжатой части стебля процесс лигнификации значительно уси ­ ливается. Итак, можно сделать вывод, что "строительство" клеточной оболочки, взаимоотношения ее составных компонентов основаны на механическом принципе, способствующем созданию уникальных конструктив ­ ных элементов природы. При этом солидарная связь структурных элементов клеточной оболочки обеспечи ­ вает конструктивную совместимость различных по фи ­ зико-механическим свойствам компонентов. Это особенно ясно прослеживается в процессе одре­ веснения, когда пространство между микрофибрилла ­ ми заполняется лигнином и образуется структура, которую можно сравнить с железобетоном. При этом

микрофибриллы соответствуют арматуре, а лигнин — бетону [ 14]. Но в отличие от железобетона (где бетон разрывается при относительном удлинении в 0,01% и поэтому высокие механические свойства металла ис ­ пользуются в малой степени) , сопротивляемость "лиг ­ нина-бетона" деформациям велика — он разрушается не ранее того, как разрываются тяжи арматуры — мик ­ рофибриллы. Поэтому механические свойства арматуры растительного материала используются полностью. В современных конструкциях стальные армирующие стержни высокой прочности не составляют солидарный компонент обычного железобетона из-за несовмести ­ мости этих двух материалов в рестянутых зонах сече ­ ния; чрезмерно ломкий при растяжении бетон не может выдержать даже десятой части деформаций, которые дает высокосортная сталь. Исследования структурных композиций клеточной оболочки, выявление на анатомическом уровне физико- химических свойств отдельных слоев оболочки, свой ­ ства основного вещества или матрикса, в который по ­ гружены армирующие нити (микрофибриллы) и их взаимосвязь, представляют полезные данные, которые могут быть использованы при создании конструкцион ­ ных материалов. Таким образом, первое, что может способствовать эффективному развитию пространственных высотных современных сооружений, — это применение для их несущих систем новых строительных материалов, по ­ добных по физико-механическим свойствам материалам каркасов растений. При задаваемой прочности повыша ­ ется показатель пластичности материала, снижается, насколько, возможно, удельный вес и тд. Представляет ­ ся, что такая задача технологам строительных мате ­ риалов по плечу. Уже создаются различные материалы с заранее заданными параметрами их механических свойств. И, несомненно, что эталоном при создании но ­ вых конструктивных материалов могут быть расти ­ тельные ткани с их превосходными механическими свойствами. Второе, особое значение может приобрести исполь ­ зование следующих принципов: солидарной работы структурных компонентов на всех уровнях структурной организации, где связи меж ­ ду элементами — прямыми исполнителями функции устойчивости биологической структуры — обеспечивают высокую надежность всей системы; армирование, которое осуществляется как в слоях оболочек, где различная степень концентрации целлю ­ лозных нитей, способствуя сочетанию пластических свойств первичной и упругих свойств вторичной обо ­ лочки, создает природный композит, так и общего це ­ лесообразного армирования структуры несущими тка ­ нями путем постепенного заложения и дифференци ­ ровки "арматуры" и "заполнения" в процессе роста и формирования тканей; "сопротивляемости по форме", обеспечивающей ми ­ нимальную затрату "строительного материала"; структурного построения, где дифференциация функ ­ ций материала, участвующего в формообразовании "организма", происходит на основе дальнейшего уг ­ лубления единства работы всех частей и такого много ­ образия внутренних связей, когда повышение "конст ­ руктивной" сложности почти не снижает, а то и увели ­ чивает надежность, приводит к наиболее рациональному распределению материала в пространстве. Формообразование многоярусных структур на основе материалов, подобных по своим физико-механическим свойствам природным, позволило бы создавать верти ­ кальные пространственные композищии с принципи ­ ально новыми тектоническими характеристиками, так как они основываются на совершенно ином, не привыч ­ ном для традиционных материалов сочетании свойств.