 |
Основное вещество оболочек представляет собой мягкую пластическую массу (лигин, суберин и др.), укрепленную фибриллами. Высокие механические свойства клеточных оболочек объясняются присутствием в них волокнистых структур (микрофибрилл), состоящих из высокомолекулярного вещества целлюлозы. Микромолекулы целлюлозных цепей, по данным ряда исследований, соединялись между собой и образовывали более сложные морфологические единицы (макрофибриллы) .
ГАХН. ЦГАЛИ,
Домогацкий В.И. Материалы заседания 941, оп. 2, ед. хр.З.
Процесс "строительства" волокон из целлюлозы описан Фрей-Висслингом (1963) : "Мы знаем, каким образом расположены кольца глюкозы в цепной молекуле целлюлозы, как целлюлозные цепи складываются в цепную решетку, как образуются элементарные микрофибриллы, видимые в электронный микроскоп, как они соединяются между собой, превращаясь в макрофибриллы, и как, в конечном итоге, из них образуются макрофибриллы, видимые в световой микроскоп. Дальше мы уясняем себе, как из таких микрофибрилл строятся клетки, имеющие структуру волокон.
и каким образом эти клетки образуют микроскопические волокна. Таким образом, ход развития структуры этих волокон известен на уровне всех порядков величин, начиная от микромолекул и кончая видимыми невооруженным глазом и осязаемыми тяжами, играющими в организме растения роль опорных тканей" [ 14].
Исследования разнообразных групп водорослей, от которых произошли высшие растения (Крегер, 1960; Престон, 1962), показали, что в них встречаются различные типы микрофибрилл.
"Создается впечатление, — пишет Фрей-Вмсслинг — что природа экспериментировала с разнообразными типами полисахаридов 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 переход к наземному образу жизни".
Данные анализируемого материала свидетельствуют о том, что целлюлоза является основным структурным компонентом клеточных оболочек, содержание которой от начала "строительства" оболочек к их завершению 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 подвергаются вторичным превращениям, включая химические и физические изменения клеточных оболочек.
В частности, для механической (опорной) ткани особое значение имеет процесс одревеснения, приводящий к накоплению в клеточной оболочке особого компонента — лигнина.
Структура клеточной оболочки, достигающей своих окончательных размеров, приобретает устойчивость, когда оболочка инкрустируется лигнином. В дополнение к прочности на растяжение, которую придают оболочке 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, иногда требования, предъявляемые к опорной системе растительного организма, увеличились.
Отложение лигнина происходит в срединной пластинке, 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 объясняется тем, что первичная оболочка, более бедная целлюлозой, 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 усиливается.
Итак, можно сделать вывод, что "строительство" клеточной оболочки, взаимоотношения ее составных компонентов основаны на механическом принципе, способствующем созданию уникальных конструктивных элементов природы. При этом солидарная связь структурных элементов клеточной оболочки обеспечивает конструктивную совместимость различных по физико-механическим свойствам компонентов.
Это особенно ясно прослеживается в процессе одревеснения, когда пространство между микрофибриллами 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 используются в малой степени), сопротивляемость "лигнина-бетона" деформациям велика — он разрушается не ранее того, как разрываются тяжи арматуры — микрофибриллы. Поэтому механические свойства арматуры растительного материала используются полностью.
В современных конструкциях стальные армирующие стержни высокой прочности не составляют солидарный компонент обычного железобетона из-за несовместимости этих двух материалов в растянутых зонах сечения; 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, свойства основного вещества или матрикса, в который погружены армирующие нити (микрофибриллы) и их взаимосвязь, представляют полезные данные, которые могут быть использованы при создании конструкционных материалов.
Таким образом, первое, что может способствовать эффективному развитию пространственных высотных современных сооружений, — это применение для их несущих систем новых строительных материалов, подобных по физико-механическим свойствам материалам каркасов растений. При задаваемой прочности повышается показатель пластичности материала, снижается, насколько возможно, удельный вес и т.д. Представляется, что такая задача технологам строительных материалов по плечу. Уже создаются различные материалы с заранее заданными параметрами их механических свойств. И, несомненно, что эталоном при создании новых конструктивных материалов могут быть растительные ткани с их превосходными механическими свойствами.
Второе, особое значение может приобрести использование следующих принципов:
солидарной работы структурных компонентов на всех уровнях структурной организации, где связи между элементами — прямыми исполнителями функции устойчивости биологической структуры —обеспечивают высокую надежность всей системы;
армирование, которое осуществляется как в слоях оболочек, где различная степень концентрации целлюлозных нитей, способствуя сочетанию пластических свойств первичной и упругих свойств вторичной оболочки, создает природный композит, так и общего целесообразного армирования структуры несущими тканями путем постепенного заложения и дифференци-ровки "арматуры" и "заполнения" в процессе роста и формирования тканей;
"сопротивляемости по форме", обеспечивающей минимальную затрату "строительного материала";
структурного построения, где дифференциация функций материала, участвующего в формообразовании "организма", происходит на основе дальнейшего углубления единства работы всех частей и такого многообразия внутренних связей, когда повышение "конструктивной" сложности почти не снижает, а то и увеличивает 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 вертикальные пространственные композищии с принципиально новыми тектоническими характеристиками, так как они основываются на совершенно ином, непривычном для традиционных материалов сочетании свойств.
Упругогибкие свойства стебельчатых структур и возможности использования принципов их построения в архитектуре. Вертикальные структуры живой природы, в частности стебли злаков, представляют собой несущие пространственные многоярусные структуры, которые формируются по принципу вертикального зонирования — изменения функции и формы по вертикали, структурно членятся узлами на ряд междоузлий, имеют высокий коэффициент стройности, веретенообразную форму;, отвечающую трехмерности пространства [151.
Бионический подход при анализе биологических объектов, в том числе необходимость изучения живых организмов с системных позиций, позволяет нам трактовать стебель как целесообразно действующую систему, которая в силу специфики конструктивно-тектонического построения форм выступает как информационная модель для создания принципиально новых пространственных систем, имеющих в природе соответствующий функциональный аналог.
|
.
страницы: |
рaдизайн
© 2005 
, ссылайтесь... 
