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

Родственной идее игрушечной модели является концепция «нулевого порядка» приближения теории: она также подразумевает принятие упрощающих допущений для получения грубого приближения точного результата. Это понятие обычно используют в численном контексте, например: «численность населения агломерации Чикаго по состоянию на 2013 г. составляет в нулевом приближении 10 миллионов человек». Узнав о Чикаго чуть больше, мы можем дать оценку так называемого первого порядка, по которой эта численность составляет 9,5 миллиона человек. Эта цифра определена с более высокой точностью и ближе к реальной численности населения (точное значение которой, по данным переписи, равно 9 537 289 человекам). Можно представить себе, что еще более углубленное исследование позволит получить еще лучшее приближение, 9,54 миллиона, которое будет называться приближением «второго порядка». Принцип понятен: каждый следующий «порядок» дает уточнение, лучшее приближение или увеличение разрешения, сходясь к точному результату, основанному на более углубленных исследованиях и анализе. В дальнейшем тексте я буду использовать термины «грубая оценка» и «нулевой порядок» как равнозначные.

Такова была философская основа, возможности которой мы с Джимом и Брайаном исследовали, начиная свое сотрудничество. Сможем ли мы сначала создать грубую теорию нулевого порядка для понимания всего набора отношений степенного аллометрического масштабирования с четвертными показателями на основе общих основополагающих принципов, которые отражали бы существенные характеристики организмов? И сможем ли мы затем использовать ее в качестве отправной точки для численного вывода более точных предсказаний, поправок высших порядков к интерпретации доминирующего поведения реальных биологических систем?

Впоследствии я узнал, что по сравнению с большинством биологов Джим и Брайан были скорее исключением, чем правилом с точки зрения понимания ценности этой методики. Несмотря на все эпохальные вклады физики и физиков в развитие биологии – главным примером которых является открытие структуры ДНК, – многие биологи, по-видимому, все так же подозрительно и недоверчиво относятся к теориям и математическим доказательствам.

Непрерывное взаимовлияние между развитием теорий и проверкой их предсказаний и следствий в специально проводимых для этого экспериментах принесло физике огромную пользу. Прекрасный пример этого дает недавнее открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в CERN в Женеве. Хотя его существование было предсказано много лет назад несколькими теоретиками как жизненно важный элемент нашего понимания фундаментальных законов физики, для разработки необходимых технологий и создания большой группы экспериментаторов, способной организовать его успешные поиски, потребовалось почти пятьдесят лет. Физики считают само собой разумеющимся существование «теоретика», который занимается «только» теорией; для большинства биологов эта идея вовсе не очевидна. У «настоящего» биолога должна быть «лаборатория» или опытная площадка с оборудованием, ассистентами и техниками, которые наблюдают, измеряют и анализируют данные. Заниматься биологией с использованием лишь бумаги, карандаша и компьютера – то есть так, как многие из нас занимаются физикой, – считается некоторым дилетантством и вообще не делом. Существуют, конечно, важные разделы биологии – например, биомеханика, генетика, эволюционная биология, – в которых это не так. Я подозреваю, что это положение изменится по мере все разрастающегося проникновения во все отрасли науки «больших данных» и интенсивных вычислений, а также нашего энергичного исследования некоторых из величайших вопросов – например, понимания мозга и сознания, экологической устойчивости и рака. Однако я согласен со следующим провокационным высказыванием Сиднея Бреннера, выдающегося биолога, получившего Нобелевскую премию за работу над расшифровкой генетического кода: «Технологии дают нам инструменты для анализа организмов на всех масштабных уровнях, но мы тонем в море данных и задыхаемся без теоретической основы, которая позволила бы осознать их… Нам нужна теория и уверенное понимание природы тех объектов, которые мы изучаем, чтобы предсказывать все остальное». Кстати, его статья начинается с поразительного утверждения о том, что «биологические исследования переживают кризис» [54] S. Brenner. Life’s Code Script // Nature. 2012. 482. P. 461. .

Многие признают существование культурного раскола между биологией и физикой [55] Два недавних обсуждения, призывающие к большей интеграции в биологию и экологию более теоретических подходов, можно найти в работах: P. A. Marquet et al. On Theory in Ecology // Bioscience. 2014. 64. P. 701; D. C. Krakauer et al. The Challenges and Scope of Theoretical Biology // Journal of Theoretical Biology. 2011. 276. P. 269–276. . Тем не менее мы живем в поразительно интересную эпоху все более тесной интеграции этих двух дисциплин, в результате которой возникают такие новые междисциплинарные отрасли, как биологическая физика и системная биология. Кажется, сейчас самое время вернуться к задаче, сформулированной Дарси Томпсоном: «Никто не может предвидеть, до какой степени математика сможет описать, а физика – объяснить строение тела. Может оказаться так, что все законы энергии, все свойства материи и вся химия… столь же бессильны объяснить тело, сколь они не в состоянии понять душу. Но лично я так не думаю». Многие согласились бы с духом этого заявления, хотя для достижения этой возвышенной цели могут потребоваться новые инструменты и концепции, в том числе и более тесное сотрудничество. Мне хотелось бы верить, что наша необычайно приятная совместная работа с Джимом и Брайаном, а также всеми нашими коллегами, постдокторантами и студентами внесла хотя бы небольшой вклад в осуществление этой мечты.

До этого отступления о взаимоотношениях культур биологии и физики я утверждал, что механистические истоки законов масштабирования в биологии лежат в универсальных математических, динамических и организационных свойствах множественных сетей, обеспечивающих подачу энергии, материалов и информации к локальным микроскопическим площадкам, например клеткам и митохондриям у животных. Я также утверждал, что с учетом столь выраженного разнообразия структур биологических сетей, явно контрастирующего с единообразием законов масштабирования, должен существовать общий набор сетевых свойств, действующих независимо от того, состоят ли такие сети из трубок (как в системах кровообращения млекопитающих), волокон (как в деревьях и других растениях) или диффузионных каналов (как в клетках).