Джеффри Уэст - Масштаб. Универсальные законы роста, инноваций, устойчивости и темпов жизни организмов, городов, экономических систем и компаний

Метаболизм – это огонь жизни … а пища – топливо жизни . Ни нейроны нашего мозга, ни молекулы наших генов не могли бы работать без получения метаболической энергии, извлеченной из пищи, которую мы едим. Без метаболической энергии мы не смогли бы ни ходить, ни думать, ни даже спать. Она дает организмам энергию, необходимую для выживания, роста и воспроизводства, а также для отдельных процессов – например, кровообращения, сокращения мышц или нервной деятельности.

Уровень метаболизма – это фундаментальный биологический параметр, задающий скорость почти всех жизненных процессов организма, от биохимических реакций, идущих внутри его клеток, до времени, необходимого для достижения зрелости, от скорости поглощения лесом углекислого газа до скорости разложения палой листвы. Как мы уже говорили в первой главе, уровень основного обмена среднего человека составляет всего около 90 ватт, что соответствует мощности обычной лампочки накаливания и эквивалентно ежедневному потреблению приблизительно 2000 пищевых калорий.

Мы, как и все живые существа, развились в процессе естественного отбора, взаимодействуя с другими существами и приспосабливаясь к ним, будь то бактерии и вирусы, муравьи и жуки, змеи и пауки, кошки и собаки, травы и деревья или все остальные элементы неизменно неблагоприятной и постоянно развивающейся среды. Все мы развивались вместе в условиях бесконечной многомерной взаимозависимости контактов, конфликтов и адаптаций. Поэтому у каждого организма, каждого органа и каждой подсистемы, каждого типа клеток и каждого генома есть своя уникальная история развития в своей собственной, постоянно меняющейся экологической нише. Принцип естественного отбора, независимо предложенный Чарльзом Дарвином и Альфредом Расселом Уоллесом, является ключом к теории эволюции и происхождению видов. Естественный отбор, или «выживание наиболее приспособленных», есть постепенный процесс, который закрепляет в популяции успешные варианты некоторых наследуемых черт или характеристик путем преимущественного воспроизводства организмов, развивших такую черту во взаимодействии со своей средой. Как говорил Уоллес, разброс вариантов достаточно широк для того, чтобы «всегда находился материал, на который естественный отбор мог бы воздействовать в некотором потенциально выгодном направлении». Дарвин выразил ту же мысль более лаконично: «любое небольшое изменение, если оно полезно, сохраняется».

Каждый вид выходит из этого плавильного котла со своим собственным набором физиологических черт и характеристик, отражающим его уникальный путь через процесс эволюции, что приводит к необычайному многообразию всего спектра живых существ, от бактерий до китов. Итак, за миллионы лет эволюционных починок и приспособлений, игры в выживание наиболее приспособленных, человек научился ходить на двух ногах, приобрел рост порядка полутора-двух метров, продолжительность жизни около сотни лет, сердце, сокращающееся около шестидесяти раз в минуту и производящее систолическое давление порядка 100 мм ртутного столба, около восьми часов в сутки сна, аорту длиной около 45 см, клетки печени, содержащие порядка пятисот митохондрий каждая, и уровень метаболизма около 90 ватт.

Получилось ли все это исключительно случайным и произвольным образом, в результате миллионов мельчайших событий нашей долгой истории, зафиксированных, по меньшей мере пока что, процессом естественного отбора? Или же существует некий порядок, некая скрытая система, отражающая работу других механизмов?

Он существует, и его объяснение возвращает нас к теме масштабирования.

Нам необходимо для жизни около 2000 пищевых калорий в сутки. Сколько пищи и энергии нужно другим животным? Как обстоит дело с кошками и собаками, мышами и слонами? Или, если уж на то пошло, с рыбами, птицами, насекомыми и деревьями? Я уже задавал эти вопросы в начале книги, когда подчеркивал, что в противоположность наивным представлениям о естественном отборе, несмотря на чрезвычайную сложность и многообразие форм жизни, несмотря на то, что метаболизм – это, быть может, самый сложный физико-химический процесс во Вселенной, уровень метаболизма всех организмов ведет себя с поразительной систематической регулярностью. Как было показано на рис. 1, уровень метаболизма изменяется в зависимости от размеров тела наиболее простым образом из всех возможных: его зависимость от массы, построенная в логарифмическом масштабе, есть прямая линия, соответствующая простому степенному закону масштабирования.

О масштабировании уровня метаболизма стало известно более восьмидесяти лет назад. Хотя к концу XIX в. этот закон уже был известен в упрощенном виде, его современное воплощение является заслугой выдающегося физиолога Макса Клайбера, сформулировавшего его в эпохальной статье, опубликованной в 1932 г. в малоизвестном датском журнале [48] M. Kleiber. Body Size and Metabolism // Hilgardia. 1932. 6. P. 315–351. . Мое первое знакомство с законом Клайбера произвело на меня весьма сильное впечатление, так, я предполагал, что уникальный исторический путь, заложенный в процесс эволюции каждого из видов, должен был привести к огромным различиям между видами, без какой-либо корреляции между ними. В конце концов, даже между разными млекопитающими – китами, жирафами, людьми и мышами – нет на первый взгляд почти никакого сходства, за исключением некоторых очень общих черт, и все виды существуют в совершенно разных условиях, в которых они сталкиваются с совершенно разными проблемами и возможностями.

Клайбер дал в своей революционной работе обзор уровней метаболизма широкого спектра животных, от маленького голубя массой около 150 г до огромного вола, весящего почти 1000 кг. В последующие годы многочисленные исследователи расширили его анализ на весь диапазон млекопитающих, от самого мелкого, землеройки, до самого крупного, синего кита, охватив в результате восемь порядков величины массы. Замечательно – и не менее важно, – что тот же закон масштабирования оказался справедливым для всех таксономических групп многоклеточных организмов, в том числе рыб, птиц, насекомых, моллюсков и растений, и даже был распространен на бактерий и другие одноклеточные организмы [49] Помимо упомянутых выше источников см.: G. B. West, J. H. Brown and W. H. Woodruff . Allometric Scaling of Metabolism from Molecules and Mitochondria to Cells and Mammal // Proceedings of the National Academy of Science. 2002. 99. P. 2473; V. M. Savage et al. The Predominance of Quarter Power Scaling in Biology // Functional Ecology. 2004. 18. P. 257–282. . В общей сложности этот, вероятно, самый универсальный и систематический закон масштабирования во Вселенной охватывает поражающий воображение диапазон в двадцать семь порядков величины.