Конструкции, или почему не ломаются вещи - Гордон Джеймс Эдвард. Страница 30

Деформации, которые без вреда для себя и по многу раз могут испытыватьсуществующие в настоящее время живые мембраны, довольно значительны, но,как правило, лежат в пределах 50-100%. Для обычных же технических материаловпредельные деформации, не представляющие опасности в эксплуатации, какправило, имеют величину менее 0,1%. Таким образом, биологические тканидолжны вести себя упругим образом при деформациях, примерно в 1000 разбольших, чем те, которые испытывают обычные конструкционные материалы.

Этот гигантский скачок величин деформации опрокидывает многие традиционныепредвзятые представления инженера об упругости и о поведении конструкций.Вполне очевидно, что упругие деформации такой величины не могут обеспечитьтвердые тела кристаллического или стеклообразного строения - минералы,металлы или другие твердые вещества. Поэтому естественно, по крайней мередля ученого-материаловеда, предположить, что живые клетки могли возникнутьв виде капелек, удерживаемых силами поверхностного натяжения. Однако доуверенности в том, что дело обстояло именно таким образом, нам очень далеко- на самом деле все могло происходить совсем иначе, или, во всяком случае,гораздо сложнее. Что несомненно, так это то обстоятельство, что упругоеповедение мягких тканей животных напоминает поведение поверхности жидкости,и поэтому, вероятно, его можно описать, основываясь на анализе последнего.

Поверхностное натяжение

Если мы увеличиваем площадь поверхности жидкости, то тем самым мы увеличиваемчисло молекул, имеющихся на ее поверхности. Эти дополнительные молекулы моглипопасть на поверхность только из внутренних областей жидкости, и чтобы ихвытащить оттуда, требуется совершить работу против сил, стремящихся удержать ихвнутри жидкости; можно показать, что эти силы достаточно велики. По этойпричине создание новой поверхности требует затрат энергии, и поверхностьоказывается натянутой, причем натянутой вполне реальнымисилами [49]. Это проще всего наблюдать накапельках воды или ртути, где силы поверхностного натяжения заставляют капелькупринимать более или менее сферическую форму, несмотря на действие сил тяжести.

Когда капля свисает из отверстия крана, вес воды в капле уравновешиваетсясилами поверхностного натяжения. Это лежит в основе простого школьногоэксперимента, в котором определяют поверхностное натяжение воды и другихжидкостей, подсчитывая число упавших капелек и находя их общий вес.

Хотя натяжение на поверхности жидкости столь же реально, как напряжениев струне или в любом другом твердом теле, оно отличается от упругого, илигуковского, напряжения по крайней мере в трех важных пунктах:

1) сила поверхностного натяжения не зависит от величины деформации,а является постоянной, как бы сильно ни увеличивалась площадь поверхности;

2) в отличие от ситуации в твердом теле поверхность жидкости можно увеличивать,по существу, до бесконечности и создавать сколь угодно большие деформациибез разрушения;

3) сила поверхностного натяжения в каком-либо поперечном сечении жидкостине зависит от площади этого поперечного сечения, а зависит только от длиныконтура поверхности в этом сечении.

Поверхностное натяжение имеет точно ту же величину и в случае глубокойванны или толстого слоя жидкости, и в случае мелкой ванны или тонкого слояжидкости. Капли жидкости в воздухе вряд ли можно себе представить как биологическийобъект: они существуют, лишь пока не упадут на землю, но капельки однойжидкости, взвешенные внутри другой, могут существовать бесконечно долго,и они играют большую роль в биологии и в технике. Системы такого рода называютсяэмульсиями. Известными примерами эмульсий служат молоко, смазочные материалыи многие виды красок.

Капельки имеют в общем сферическую форму, и в то время как объем сферыпропорционален кубу ее радиуса, площадь поверхности сферы пропорциональнаквадрату радиуса. Отсюда следует, что, если бы две одинаковые капелькиобъединились и образовали капельку вдвое большего объема, это привело бык заметному уменьшению общей площади поверхности содержащейся в них жидкостии, следовательно, к уменьшению поверхностной энергии. Это уменьшение энергиипобуждает капельки в эмульсии сливаться друг с другом, а всю систему -разделяться на две однородные жидкости.

Если мы хотим, чтобы капельки не сливались и существовали раздельно,мы должны сделать так, чтобы они отталкивались друг от друга. Это называется"стабилизацией эмульсии", и этот процесс довольно сложен. Одним из стабилизирующихфакторов служит электрический заряд, создаваемый на поверхности капель,для чего эмульсии подвергаются воздействию электролитов, таких, как кислотыи щелочи. Если стабилизация выполнена надлежащим образом, то, чтобы заставитькапли слиться друг с другом, требуется произвести значительную работу,несмотря на выигрыш в поверхностной энергии. Именно поэтому так трудновзбивать сливки при приготовлении масла - Природе довольно хорошо удаетсясоздавать стабилизированные эмульсии.

О поверхностном натяжении в роли оболочки, мембраны или контейнера дляочень маленьких округлых живых веществ, хотя оно и имеет в этом плане некоторыесерьезные недостатки, можно было бы сказать многое. Следует отметить, чтотакая оболочка очень легко растягивается и в то же время обладает свойством"самозалечиваемости". С другой стороны, она очень упрощает задачу размножения,поскольку, если капелька увеличивает свои размеры, она может поделитьсянадвое и превратиться в две капельки.

Поведение существующих в природе мягких тканей

Насколько мне известно, в наше время практически нет клеток, стенкикоторых созданы просто механизмом поверхностного натяжения. Однако с механическойточки зрения стенки многих реально существующих клеток ведут себя довольноблизко к тому, как вели бы себя подобные стенки. Одна из трудностей, которыемогли бы возникнуть, если бы использовалось просто поверхностное натяжение,состоит в том, что сила поверхностного натяжения постоянна, - ее нельзяувеличить, сделав оболочку толще, и это накладывает ограничение на наибольшиеразмеры "контейнеров", построенных по такой схеме.

Однако Природа вполне способна создавать материалы, которые имеют свойстваповерхностного натяжения, так сказать, "по всей их толщине". Испытываянекоторое смущение, приведу все же в качестве примера следующий многимзнакомый факт. Когда зубной врач просит сплюнуть в его ванночку, струйкаслюны иногда бесконечно растягивается и практически не разрывается. Молекулярныймеханизм такого поведения остается совершенно непонятным, а в терминахнапряжения и деформации это поведение выглядит примерно так, как показанона рис. 48.

Рис. 48. Кривые деформирования стали, кости и слюны.

Большинство тканей животных не так растяжимы, как слюна, но вплоть допятидесятипроцентных деформаций очень многие из них обнаруживают аналогичноеповедение. Более или менее похожим образом мочевой пузырь у молодых людейможет растягиваться до деформаций примерно 100%, а у собак - 200%. Какупоминалось в гл. 2, мой коллега д-р Юлиан Винцент недавно показал, что,в то время как мягкая кожица самца саранчи и молодой самки саранчи могутпереносить деформации приблизительно до 100%, мягкая кожица беременнойсамки саранчи может растягиваться до неправдоподобно большой величины -до деформаций 1200% и после этого не теряет способности полностью возвращатьсяк своему первоначальному состоянию.

Хотя зависимость напряжения от деформации для большинства пленок и другихмягких тканей и не выражается строго горизонтальной прямой, она часто приближаетсяк ней, во всяком случае вплоть до деформаций около 50%. Представляетсяинтересным выяснить, каковы следствия такой зависимости. Действительно,любая конструкция из подобных материалов должна с необходимостью напоминатьнечто состоящее из пленок жидкости, на которые действует поверхностноенатяжение. Принимая ванну, вы без труда можете понаблюдать за поведениемтаких пленок - мыльных пузырей.