i

Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

O důležitosti tahání za provázky

Mechanika tenzegritů se potkává s molekulárními pochody v živých buňkách
 |  4. 12. 2017
 |  Vesmír 96, 726, 2017/12

Tenzegrity – pružné konstrukce z tyčí a lan – známe z architektury i z výtvarných děl. Struktury, v nichž se uplatňují obdobné konstrukční principy, nacházíme i v živých buňkách. Matematické modelování vlastností tenzegritů se může stát zajímavým nástrojem biologického výzkumu.

Věnováno Vladimíru Vondrejsovi k 80. narozeninám.

Už víc než 1200 let stojí v japonské Naře pagoda Hórjúdži, pětipatrová věž postavená prý bez jediné kovové součásti z dřevěných trámů a těžkých glazovaných keramických tašek, snad nejstarší dochovaná dřevěná stavba světa (obr. 1). Kolem se přehnaly bouře (ne jen tak ledajaké – oblast dostává každoročně od Filipín pravidelný příděl tajfunů) a války, a hlavně řada zemětřesení, v Japonsku tak častých. Pagoda – a mnoho jí podobných – ale vydržela. Konstrukce japonských pagod totiž, na rozdíl od moderních železobetonových staveb, ale i od tradičních čínských kamenných věží, které stavbu pagod inspirovaly, umožňuje, aby na působení proměnlivých sil z okolí reagovaly pružně. Jednotlivá patra pagody jsou propojena kloubově, takže se celá věž může vlnit jako had, nebo spíš jako živý strom. Těžké taškové střechy a masivní centrální sloup (u Hórjúdži ještě zakotvený v zemi, ale u některých pozdějších pagod postavený na povrchu nebo dokonce jen ukotvený ke konstrukci nad zemí) působí vzájemně jako protizávaží. Pružnost sloupu může pohlcovat nárazy jednotlivých pater jako tlumič. [1] Odolnosti je zde dosaženo nikoli (pouhou) pevností použitých stavebních materiálů, ale kombinací pevnosti a pružnosti dřeva, propracovaného zacházení s gravitací a napětí ohebných kloubových spojů. Pagoda v jistém smyslu „drží pohromadě vnitřním napětím“.

Ještě překvapivější odolnosti konstrukcí lze dosáhnout, pokud k pružnému skloubení pevných součástí přibude další konstrukční princip – napětí lana, které dokáže udržet pohromadě třeba ráhnoví plachetnice, lanový most nebo úchvatné výtvarné objekty (nejen) Kennetha Snelsona (obr. 2, 3). Pro takové struktury, zpravidla mimořádně pružné a odolné, zavedl Richard Buckminster Fuller termín „tenzegrity“. [2, 3] Je jim zpravidla vlastní to, že postrčení či zatahání za některý konec soustavy sice celou strukturu rozkomíhá, ale ta se velice snadno a zpravidla i rychle vrátí do původní podoby (obr. 4).

Tenzegrity v živých tělech

Princip tenzegritů není jen záležitostí lidských výtvorů. Pozorujeme-li elegantní a obratné pohyby ptáka (představme si třeba straku) nebo veverky, nutně se začne vtírat otázka, zda se v mechanice kostí, šlach a svalů neuplatňují principy podobné těm, které využívají lidští konstruktéři. Současní biomechanici i fyzikové ostatně upozorňují, že matematické modelování fyzikálních vlastností tenzegritů, které se v posledních desetiletích stalo zavedenou disciplínou, by mohlo poskytnout zajímavé nástroje pro lepší porozumění nejen tomu, jak těla živočichů i rostlin mechanicky fungují, ale i tomu, jak organismy vnímají gravitaci nebo mechanické namáhání. [4–6] Konkrétních publikovaných modelů zatím není mnoho a zaměřují se většinou spíše na dění uvnitř jednotlivých buněk než na vyšší celky – tkáně, pletiva a orgány.

Lezoucí buňku živočišné tkáňové kultury si můžeme představit jako tenzegrit, jehož mechanické vlastnosti určuje povrchový (kortikální) cytoskelet popisovaný jako soustava pevných tyčí (mikrotubulů) propojených ohebnými kabely aktinových mikrofilament, které mohou být v některých případech i smrštitelné činností myosinu (obr. 5, 8). Tato soustava je obklopená membránou, jejíž napětí (a případná roztažitelnost) také ovlivňuje chování celého systému. Na základě takové představy již byly vypracovány i kvantitativní teoretické modely, v některých případech i ověřené experimentálním měřením.

U rostlin je situace poněkud složitější a dobře ukazuje, jak relativní je „pevnost“ a „flexibilita“, protože i mikrotubuly, v porovnání s aktinem obvykle pokládané za rigidní, se jeví jako ohebné oproti zesítěným svazkům celulózy v buněčné stěně. Buňka jako by žila uvnitř jakési klece, kterou si sama kolem sebe vybudovala (obr. 9).1) To ovšem značně komplikuje případný teoretický popis. Není proto divu, že v rostlinné biologii zůstávají tenzegrity zatím „jen“ inspirující metaforou pro kvalitativní vysvětlení některých pozorování, a na kvantitativní modely si ještě zřejmě budeme muset nějakou dobu počkat.

„Tenzegrity“ mimo čas a prostor

 Zatím byla řeč o „tenzegritním“ chování buněčného kortexu – tenké, cytoskeletem bohaté vrstvičky cytoplazmy těsně pod plazmatickou membránou. Ale cytoskelet prostupuje celou buňku a v poslední době se čím dál tím přesvědčivěji ukazuje, že zejména aktinová mikrofilamenta nejen obklopují buněčné jádro a určují jeho tvar (to se už ví dávno), ale vstupují i do jádra samotného a významně ovlivňují genovou expresi. [7] Jádro, chromatin a jednotlivé geny se tedy stávají součástí tenzegritní struktury vyššího řádu – doslova stačí na buňku zatlačit nebo se jí „jen“ dotknout a může to vést k zásadní přestavbě cytoskeletu (obr. 6), a případně až k přeprogramování genové exprese. [8, 9]

Otvírá se zde zajímavá otázka, která nepochybně už dnes je tématem řady výzkumných projektů – totiž jak buňka pozná, že dotek, tah či tlak už stojí za odpověď, a jak je zajištěno, aby se nevyčerpávala neustálým reagováním na nahodilé, často banální podněty. Třeba by i zde mohly jednou pomoci teoretické modely na bázi tenzegritů. Vlastností těchto struktur je přece mimořádná pružnost a z ní pramenící odolnost vůči „náhodným šťouchancům“.

Tenzegrity se ale – přinejmenším jako neodolatelně přitažlivá vizuální metafora – v souvislosti s genovou expresí připomínají i jinak. Dokážeme už poměrně rychle (a levně) určit sekvence celých genomů, změřit v jediném experimentu míru exprese až desítek tisíc genů a zjistit (za jistých značně zjednodušených experimentálních podmínek) míru schopnosti mnoha set proteinů vázat se navzájem. Dokonce umíme za pomoci výpočetní techniky z veřejně dostupných dat a literárních zdrojů vydolovat téměř vše, co kdy bylo o daném genu či kombinaci genů napsáno.2) Biologie 21. století je neoddělitelně spojena s produkcí, ba nadprodukcí přesložitých map sítí vztahů a souvislostí, které někteří napůl posměšně, ale výstižně označují jako chuchvalce čili „hairballs“ (obr. 10). Při pohledu zpovzdálí ale přinejmenším některé z nich spíš než chundel chlupů připomínají naše staré známé tenzegrity (obr. 9).

Víme, že buněčné regulační sítě mohou reagovat na „postrčení“ či „zatahání“ zvenčí sice někdy i dramaticky, ale buňka má jasný, evolučně samozřejmý zájem vrátit se velice rychle do původního stavu a velice často se jí to povede. Nepřipomíná nám to něco? A pokud ano, je to opravdu jen náhodná vnější shoda?

Postskriptum

 Centrální sloup pagody Hórjúdži je vytesán ze dřeva cypřiše, který podle některých analýz letokruhů vyrostl v 6. století našeho letopočtu a jehož kmen tedy zřejmě byl už součástí starší stavby. Bez buněčných tenzegritů a složitých sítí genových regulací by tento cypřiš nebyl nikdy vyrostl.

Poznámky

1) Za metaforu rostlinné buňky jakožto živáčka v kleci („bug in a cage“) vděčím F. Baluškovi.

2) Doslova „vydolovat“– anglicky se těmto metodám říká „data mining“.

Literatura

[1] Anonym: Why pagodas don’t fall down. The Economist Newspaper, 18. 12. 1997.

[2] Vondrejs V.: Oživlé tenzegrity. Vesmír 80, 615, 2001/11.

[3] Vondrejs V.: Tensegrity ve vědě, technice a umění. http://www.sciart-cz.eu/essays.html (staženo 12. 9. 2017).

[4] Ingber D. E. et al.: Tensegrity, cellular biophysics, and the mechanics of living systems. Rep. Prog. Phys. 77, 46603, 2014. (DOI: 10.1088/0034-4885/77/4/046603)

[5] Hernández-Hernández V. et al.: Mechanical forces as information: an integrated approach to plant and animal development. Front. Plant Sci. 5, 265, 2014.

[6] Schilder R. J.: (How) do animals know how much they weigh? J. Exp. Biol. 219, 1275, 2016.

[7] Virtanen J. A., Vartiainen M. K.: Diverse functions for different forms of nuclear actin. Curr. Opin. Cell Biol. 46, 33, 2017.

[8] Shao X. et al.: Mechanical stimulation induces formin-dependent assembly of a perinuclear actin rim. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, E2595, 2015.

[9] Martins R. P. et al.: Mechanical regulation of nuclear structure and function. Annu. Rev. Biomed. Eng. 14, 431, 2012.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Molekulární biologie

O autorovi

Fatima Cvrčková

Doc. RNDr. Fatima Cvrčková, Dr. rer. nat., Dr., (*1966) vystudovala molekulární biologii a genetiku na Přírodovědecké fakultě UK, kde získala první experimentální zkušenosti v laboratoři Vladimíra Vondrejse, a genetiku na univerzitě ve Vídni. V současnosti se na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy zabývá buněčnou a molekulární biologií rostlin.
Cvrčková Fatima

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné