Szkielet
Szkielet ludzki jest produktem trwającej miliony lat ewolucji. Można uznać, że to konstrukcja całkiem dobra, choć trudno nazwać ją doskonałą. Wiedzą o tym dobrze wszyscy, którzy doświadczyli problemów z kręgosłupem czy stawami. Niemniej spełnia ona swoje wielorakie funkcje. Umożliwia zachowanie postawy pionowej, chodzenie, noszenie ciężarów, a żebra chronią przed urazami delikatne narządy wewnętrzne. Układ kostny człowieka składa się z kości zbudowanych głównie z twardych substancji nieorganicznych oraz z organicznej tkanki chrzęstnej, która pozwala na ruchomość zespołów połączonych kości. Dzięki takiej konstrukcji możemy chodzić, chwytać, klękać czy się schylać. Dodatkowo w stawach mamy też więzadła, czyli pasma tkanki łącznej wzmacniające te połączenia kości, które cały czas pracują. Tkanka łączna jest też materiałem budulcowym szkieletu serca (tak, tam też jest szkielet!), powstałego ze względnie twardych struktur otaczających otwory serca (ujście aorty, pnia płucnego oraz przedsionkowo-komorowe). Właśnie do tego szkieletu przyczepione są zastawki.
Szkielety organizmów żywych stały się inspiracją dla konstruktorów. No cóż, warto naśladować naturę, aby uzyskać pożądane rezultaty. Zanim jednak powstał szkielet człowieka, musiały minąć miliony lat. Gdy formowało się życie, szkielety istniały już na poziomie komórkowym. Mowa tutaj o cytoszkielecie, czyli sieci białek rozlokowanych wewnątrz komórki eukariotycznej. Tego typu struktura ma nadawać kształt komórkom, ale też utrzymywać na miejscu elementy w ich wnętrzu. Cytoszkielet nie jest sztywny, jego kształt może się zmieniać.
Struktury szkieletowe spotkamy też u roślin. Ich komórki mają wyraźnie wyodrębnioną ścianę – w organizmach jednokomórkowych pełni ona funkcję szkieletu zewnętrznego. Z chemicznego punktu widzenia tworzą ją wielocukry, np. celuloza. Dzięki takiej budowie rośliny mogą osiągać imponujące rozmiary – wystarczy wspomnieć sekwoje sięgające niemal 100 m wysokości. Szacuje się, że najpopularniejsza z sekwoi, nosząca nazwę Generał Sherman, waży ok. 1200 t.
Ale też znacznie mniejsze elementy roślin mają budowę szkieletową. Jeśli przyjrzymy się liściom, dostrzeżemy charakterystyczne użyłkowanie. Żyłki, zwane czasem nerwami, pełnią przede wszystkim funkcję transportową, ale także stają się rusztowaniem, na którym rozciąga się blaszka liścia. Jesienią, gdy liście opadają, to właśnie żyłki są ostatnim elementem, który się rozłoży.
Czasami delikatne szkielety roślinne przybierają bardzo efektowny wygląd. Tutaj przykładem może być miechunka rozdęta, której owoce otoczone są cynobrowym kielichem, przypominającym chińskie lampiony. Zimą kielich usycha, a na łodydze pozostaje po nim misterny szkielecik otaczający czerwony owoc.
Szkielety u zwierząt
Zanim w organizmach zwierząt zaczęły odgrywać istotną rolę szkielety chrzęstne oraz kostne, natura radziła sobie z potrzebą usztywnienia konstrukcji, wykorzystując czystą fizykę. Do dziś wiele gatunków prostych organizmów, głównie wodnych, posiada tzw. szkielet hydrostatyczny. Trzeba przyznać, że jest to struktura wyjątkowo prosta, a zarazem bardzo uniwersalna. Cylindryczne parzydełka ukwiałów mogą poruszać się w dowolny sposób, wykorzystując właśnie zmiany ciśnienia płynu w rurkowej części centralnej. Podobny wewnętrzny hydroszkielet występuje u stułbi, która w zależności od potrzeb potrafi kontrolować sztywność organizmu. Niektóre proste zwierzęta lądowe także mogą żyć dzięki wykształceniu hydroszkieletu – typowym przykładem są tu pierścienice takie jak dżdżownica. W tym przypadku najistotniejszą funkcją tego nietypowego szkieletu jest umożliwienie poruszania się dzięki lokalnym zmianom ciśnienia. Warto przy okazji wspomnieć, że elementy hydroszkieletu występują także u człowieka i spełniają bardzo ważne funkcje. Mowa tutaj o penisie i łechtaczce. Występujące w ich budowie ciała jamiste to właśnie prosty hydroszkielet. W momencie podniecenia rozszerzają się i wypełniają krwią, powodując usztywnienie, czyli erekcję.
Wróćmy jednak do ewolucji szkieletu. Gdy na drodze ewolucji zwierzęta lądowe stawały się coraz większe, szkielety hydrostatyczne przestały wystarczać. Konstrukcja organizmu wymagała czegoś mocniejszego i twardszego. Tak właśnie powstały egzoszkielety, czyli twarde struktury otaczające miękkie części organizmu. Pełnią one dwie funkcje – obronną oraz ruchową. Tę pierwszą dostrzeżemy bez problemu, oglądając muszle niektórych mięczaków – ślimaków i małży. Bardzo efektowny egzoszkielet występuje u pławikonika (konika morskiego). Funkcję obronną pełni też karapaks, czyli pancerz u żółwi (mających też typowy dla kręgowców endoszkielet). Z kolei funkcję ruchową egzoszkieletu można zaobserwować u stawonogów, u których połączone płytki są miejscem zaczepienia mięśni umożliwiających zwierzętom właśnie poruszanie się.
W dalszym etapie ewolucji, kilkaset milionów lat temu, powstały szkielety wewnętrzne, czyli endoszkielety, początkowo wyłącznie z tkanki chrzęstnej. Po raz pierwszy pojawiły się u głowonogów. Typowym przykładem zwierząt chrzęstnoszkieletowych są bardzo stare gatunki ryb, np. rekiny. Stopniowo jednak dość miękka tkanka chrzęstna przestała wystarczać. I wtedy wyewoluowały szkielety kostne. Tkanka kostna jest zdecydowanie twardsza niż chrzęstna. Wynika to z obecności w niej substancji mineralnych, takich jak hydroksyapatyt (hydroksyfosforan wapnia). To on stanowi mocne rusztowanie, odpowiedzialne za wyjątkowo dużą wytrzymałość mechaniczną kości. Trzeba jednak pamiętać, że nawet w organizmach o szkieletach kostnych ważną rolę odgrywa tkanka chrzęstna. U człowieka jest ona elementem krtani, nagłośni, trąbki słuchowej oraz małżowiny usznej.
Szkielet w technice
Może narażę się inżynierom czy technologom, ale tak naprawdę bardzo często wytwory ludzkiej wyobraźni są tylko mniej lub bardziej udanymi kopiami tego, co stworzyła natura. Tak właśnie jest także w przypadku szkieletów. Od czasu, gdy człowiek zaczął coś budować, starał się wzmacniać swoje konstrukcje materiałami, które pozwalały na usztywnienie. Ba, czasami szkielet stawał się sam w sobie konstrukcją. Klasycznym przykładem może tu być wieża Eiffla. Została ona zbudowana na Wystawę Światową w 1889 r. z ok. 10 tys. t kutej stali. Podobne elementy szkieletowe spotkamy też w konstrukcjach wielu mostów stalowych, a nawet Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). Najczęściej jednak wytrzymały szkielet jest połączony z innymi materiałami. Tak dzieje się w przypadku ścian szkieletowych, gdzie podstawowym elementem jest drewno. W zależności od tego, czym została wypełniona przestrzeń pomiędzy elementami szkieletu, rozróżniamy ściany szachulcowe (uzupełnione głównie gliną ze słomą, trzciną, trocinami lub innymi materiałami odpadowymi) oraz mur pruski. W przypadku tego drugiego ściana wykonywana jest z cegieł, co zapewnia jej wysoką trwałość. Odpowiednie wyeksponowanie drewnianego szkieletu powoduje, że konstrukcje te są po prostu piękne, szczególnie gdy drewno zostało wcześniej dobrze zaimpregnowane i ma ładną ciemnobrązową barwę.
Żeliwo lub stal były wykorzystywane jako elementy szkieletów budowlanych przez wiele lat. W połowie XIX w. do tego celu zaczęto stosować też żelbet. Jest to bardzo wytrzymały i dość tani materiał kompozytowy, składający się z betonu, wewnątrz którego mamy strukturę z prętów stalowych. Tworzenie konstrukcji żelbetowych można obserwować na wielu budowach. Szkielet stalowy wzmacnia kruchy beton, a całość może przenosić olbrzymie naprężenia. Można więc tworzyć m.in. projekty wielopiętrowe. Ciekawym przykładem budowli wykonanej ze szkieletowego żelbetu jest Muzeum Księcia Filipa w Walencji, które zaprojektowano tak, aby samo przypominało szkielet wieloryba.
Ale szkielety to nie tylko budowle lądowe. Od bardzo dawna stosuje się je w szkutnictwie oraz budownictwie okrętowym. W większości konstrukcji spotkamy takie elementy jak kil (stępka), wzdłużniki, wręgi, stewa czy pawęż. To właśnie one nadają kadłubowi jednostki określony kształt i wytrzymałość. Po zbudowaniu trwałego szkieletu całość pokrywa się poszyciem, które może być wykonane z drewna, metalu albo tworzyw sztucznych.
Jak więc widać, szkielety są wszędzie. Znajdziemy je też np. w dywanach, gdzie taką rolę odgrywa osnowa, którą następnie przeplata się wątkiem. Także współczesne opony zbudowane są na szkielecie, który stanowią osnowa oraz opasanie.
dr n. chem. Mirosław Dworniczak