Oživlé tenzegrity

V létě 1992 jsem dostal pohled z Holandska „Létající tyče v parku Otterloo“. Kromě pozdravu byla v textu jen poznámka: „Tenhle tenzegrit by se Ti mohl líbit. Je to pěkná ptákovina.“ Při podrobnějším prozkoumání takových objektů zjistíte, že tyče vlastně nelétají (obrázek). Napětím kabelů, které spojují konce tyčí podle důmyslného plánu, jsou drženy v přesných polohách, aniž se navzájem dotýkají. Název tenzegrit (tensional integrity) prý zavedl americký sochař Keneth Snelson, který tyto konstrukce vytvářel v sedmdesátých letech. K autorství se však hlásí i Buckminster Fuller, další tvůrce tenzegritů. Do rodiny tenzegritů patří i slavné Fullerovy dómy, které jsou tvořeny více či méně pružnými tyčemi spojenými do trojúhelníků, pětiúhelníků nebo šestiúhelníků (obrázek). Opakováním těchto prvků vznikají roviny, které po mírném zkroucení mohou vytvářet kupole a jiné architektonické útvary, vyznačující se vzdušností, pevností a nebývalou lehkostí. Na konstrukci tenzegritů se spotřebuje poměrně malé množství materiálu. Jejich mechanická stabilita je určena architektonickou výstavbou, vnitřním napětím (předpětím) a pochopitelně pevností a pružností použitých stavebních materiálů.

Tenzegrity zkonstruované člověkem

O řadě zajímavých vlastností tenzegritů jsem se od té doby mnohokrát přesvědčil osobně, a to při pokusech o jejich konstrukci. Stabilní trojrozměrný tenzegrit lze vytvořit nejméně ze tří rovných tyčí či dvou luků, anebo z jedné zkroucené tyče, do které je vnitřní napětí vloženo např. vzájemným spojením a přitažením konců (obrázek). Nejprimitivnějším rovinným tenzegritem je luk, bývají však i tenzegrity mnohem komplikovanější (druhý obrázek pod článkem). Snížení stability lze u tenzegritů dosáhnout velmi snadno. Buď se počet stabilizujících kabelových spojení sníží, nebo se zvýší pružnost kabelů či tyčí, anebo se sníží napětí kabelů. Předpětí a architektura tenzegritu rozhodují také o jeho odpovědi na působení vnějších sil. Když jsem pověsil tenzegrit na strom do místa, kde foukal ostrý vítr, zjistil jsem, že nejen fontány, ale i tenzegrity „zpívají“. Vydávají jemné tóny o charakteristických frekvencích, které jsou určeny zejména délkami, napětím a materiálem kabelů. Tenzegrity se prostě chovají jako strunné hudební nástroje bez ozvučnice.

Zatímco většina staveb odvozuje svou stabilitu od kontinuálního stlačení gravitační silou, tenzegrity jsou obvykle poměrně lehké konstrukce, které zpevňuje napětí kabelů spojujících tyče, na jejichž pevnosti se tříští úsilí tahů a tlaků, rozložených rovnoměrně po celém těle tenzegritu. Vliv vnitřního pnutí u tenzegritů převládá nad vlivem gravitace. Tenzegrit lze otočit vzhůru nohama a s jeho tvarem se vlastně nic nestane. Lokální tlak vložený zvenčí se rozloží po celé struktuře, takže nakonec netrpí přetížením jediné místo. Navíc platí, že tlakový impulz se z jednoho místa tenzegritu bleskově roznese do všech jeho „koutů“. Lze si představit, že tenzegrity mohou být vnitřně hierarchické. Uvnitř většího tenzegritu se může nacházet menší, pro nějž je vnější tenzegrit prostředím, na které více či méně reaguje podle toho, jak je k němu připoután. Je pochopitelné, že na pružnosti kabelů a tyčí závisí deformace tvaru, která vznikne působením vnější nebo vnitřní síly.

Tenzegrity a architektura živých organizmů

Již v sedmdesátých letech někteří přírodovědci začali odezírat v přírodě tvary, které jim připomínaly tenzegrity známé z výstav. Podobnost mezi Fullerovými dómy, hranami ikosaedrických krystalů, virovými kapsidami a strukturními vzorci chemických sloučenin, fullerenů, je naprosto zjevná (obrázek). Fullereny jsou vlastně také artefakty, které se v přírodě vyskytují jen velmi vzácně. Objevili jsme je tam teprve poté, co se nám je podařilo vyrobit v laboratoři, a dodnes není příliš jasné, za jakých podmínek vůbec mohly samovolně vzniknout. Méně zjevný je tenzegritový charakter architektury živých těl. 206 našich kostí je drženo svaly, různými úpony, blánami a chrupavkami v polohách, které určují charakteristický dynamický tvar našich těl a zabraňují, aby se naše tělesná schránka zhroutila působením gravitační síly. „Dokonce i hmyz, který má vnější kostru, nebo rostliny používají podobné mechanizmy pro strukturní stabilizaci,“ říká největší propagátor tenzegritové výstavby buněk a tkání D. E. Ingber z Harvardovy lékařské fakulty v Bostonu. Ty tam jsou doby, kdy jsme si buňky představovali jako váčky obalené membránou. Současný stav poznání ukazuje, že tvar buňky je vymezen „lešením“ (cytoskeletem), které je navázáno úchyty jak na vnější, tak na jadernou membránu a vyznačuje se vnitřním pnutím (viz Vesmír 65, 678, 1986/12 a Vesmír 79, 438, 2000/8). Alespoň některé z úchytů propojují cytoskelet s obdobnou trámčinou vně buňky a v jádře (s extracelulární a jadernou matrix – viz Vesmír 75, 429, 1996/8). Těla mnohobuněčných organizmů jsou tudíž tvarována tenzegrity hierarchicky uspořádanými.

Kandidáty na tenzegritové kabely v buňce jsou stažlivé mikrofilamenty (obrázek), vznikající zejména z molekul aktinu. Roli cytoplazmatických tyčí hrají mikrotubuly, vznikající orientovanou polymerací tubulinů, a velké svazky vzájemně propojených mikrofilamentů. Třetí složka cytoskeletu, intermediární filamenty, propojuje mikrofilamenty, mikrotubuly a buněčné membrány navzájem. Jde o jakési distanční dráty, které kromě toho udržují jádro ve správné poloze uvnitř buňky.

Hierarchické uspořádání tenzegritů demonstroval např. A. Maniotis z Harvardovy lékařské fakulty, který prokázal, že lokální tah na povrchové adhezní receptory deformuje souběžně cytoskelet i nukleární matrix. Jedna z nejlepších ilustrací vztahu mezi mechanickým ovládáním tvaru buněk a biochemickou, respektive biologickou odpovědí buňky byla založena na metodě, která umožňuje pomocí ostrůvků adhezivní extracelulární matrix na teflonové podložce ovládat tvar buněk kultivovaných na tomto povrchu. R. Singhavi a jeho spolupracovníci (z téže fakulty) ukázali, že jednoduchá modifikace tvaru, vyvolaná zvenčí působením síly na membránová zakotvení cytoskeletu, přepíná mezi různými genetickými programy. Zploštění buněk vyvolávalo obvykle dělení, zaokrouhlené buňky spíše aktivovaly programovanou smrt, zatímco buňky intermediálního tvaru většinou diferencovaly způsobem charakteristickým pro tkáň, ze které pocházely.

Obrovský pokrok přinesl vývoj přístroje, který umožnil ovládat vnějším magnetickým polem magnetické částice, specificky navázané např. na integrinové kotvy cytoskeletu v cytoplazmatické membráně. Kroucení částicemi vyvolalo změnu napětí mikrotubulinových vláken a celkové ztuhnutí nebo relaxaci buňky, respektive celé tkáně. Buňky reagovaly podobně jako odpovídající tenzegritové modely. Navíc bylo potvrzeno, že přenos mechanických stimulů do buňky může regulovat biochemickou odpověď buňky na vnější mechanické podněty, a to specificky podle toho, jak a kudy byl podnět přenesen. Tyto výsledky jsou důležité např. pro pochopení růstu svalů v odpověď na jejich napínání nebo směrového růstu rostlinných kořenů určeného působením gravitační síly.

Na modelu, např. hlístice Caenorhabditis elegans, byl použit genetický přístup pro mapování přenosu mechanického signálu, který má kaskádový charakter. Začíná např. fyzickým dotykem a končí změnou pohybu této hlístice. Tímto způsobem byly identifikovány geny kódující molekuly, které se na přenosu mechanického signálu a jeho případné transformaci na signál biochemický podílejí. Ukázalo se, že přenosu se účastní komponenty tlakově citlivých iontových kanálů, molekuly extracelulární matrix, molekuly vytvářející cytoskelet a molekuly vytvářející více či méně specifické membránové úchyty a transmembránové receptory, konektory mezi extracelulární matrix a cytoskeletem. Dalším důležitým poučením je zjištění, že prostřednictvím integrinů mohou být aktivovány různé signální molekuly a růstové faktory asociované s cytoskeletem. Mechanický tlak tak může nakonec vyústit v biochemickou reakci, např. specifickou fosforylaci. Tenzegritové sítě mohou tudíž sloužit cílenému specifickému přenosu signálů předepsanými směry. Tak trochu to připomíná přenosy kabelovou televizí, zatímco přenos chemickými působky, které difundují, připomíná spíše televizi bezdrátovou, která je založena na specifické recepci naladěním příjmu na určitou vlnovou délku. Obě tyto strategie mají své výhody i nevýhody, a není tedy divu, že v živých systémech existují souběžně.

Dosavadní tenzegritové modely, respektive umělecké artefakty, které se skládají z nepružných kabelů a pevných tyčí, jsou velmi primitivním „odvarem“ oživlých tenzegritů, které jsou složeny ze stažlivých kabelů a tyčí více či méně pružných. Ty vytvářejí mnohem komplikovanější sítě, po nichž se navíc jako po dálnicích směrovaně přepravují různé molekuly na místa konečného určení (viz Vesmír 75, 309, 1996/6). Svou možností lokálně růst, nebo naopak zanikat jsou oživlé tenzegrity nesrovnatelně mnohotvárnější, proměnlivější a komplikovanější než jejich okouzlující, lež primitivní příbuzní – umělecké artefakty.

Tenzegrity vytvořené umělci inspirovaly vědce k pochopení architektury živých organizmů a oživlé tenzegrity se zase stávají nevyčerpatelnou studnicí inspirace pro výtvarníky a architekty.