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

Графики, показывающие, что при соответствующем миасштабировании скорость роста всех организмов оказывается одинаковой. Сплошные линии, а также масштабы по осям, полученные из теории, одинаковы на всех трех графиках

Рис. 19. Примеры из мира птиц, рыб и млекопитающих

Рис. 20. Примеры из мира насекомых и сообществ общественных насекомых

Рис. 21. Те же данные, что на рис. 19, с добавлением примеров опухолей

Рис. 22. Схема, иллюстрирующая питание сети опухоли от сети носителя

В целом теория показывает чрезвычайно удовлетворительное согласие с данными. Более того, я нахожу необычайное единство и взаимосвязанность форм жизни, проявляющиеся в этой картине, вдохновляющими в духе того пантеизма, который выражал философ Барух Спиноза. Как писал Эйнштейн [83] Цит. по: Max Jammer . Einstein and Religion. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1999. : «Мы, последователи Спинозы, видим нашего Бога в чудесном порядке и законосообразности, которым подчиняется все сущее, и в его душе, которая проявляется в человеке и в животном». Независимо от системы верований каждого из нас в понимании того, что даже для малой части окружающего нас таинственного, хаотического мира существуют правила и принципы, действующие несмотря на его поразительную сложность и кажущуюся бесцельность, есть нечто величественное и внушающее уверенность.

Как я уже говорил, аналитические модели, подобные теории роста, представляют собой намеренное упрощение гораздо более сложной реальности. Их ценность зависит от того, насколько они отражают фундаментальные черты природных механизмов, насколько разумны их предположения, насколько здрава их логика и насколько они просты и способны объяснить факты, а также непротиворечивы – как внутренне, так и относительно результатов наблюдений. Поскольку теория есть намеренно упрощенное представление, результаты измерений реальных организмов неизбежно будут в той или иной степени отклоняться от предсказаний ее модели. Как видно из рис. 19, теория дает удивительно хорошее согласие с данными, и точек, существенно отклоняющихся от идеализированной кривой роста, сравнительно немного. Одно из таких отклонений – это мы, приматы. Например, наше взросление длится дольше, чем «следует» исходя из массы нашего тела. Это результат нашей быстрой эволюции, превратившей нас из чисто биологических в сложные социально-экономические существа. Сейчас эффективный уровень нашего метаболизма в сто раз больше, чем был, когда мы действительно были «биологическими» животными, и это оказывает огромное влияние на наш жизненный цикл. Мы дольше взрослеем, имеем меньше потомства и дольше живем – и все эти изменения соответствуют на качественном уровне увеличению эффективного уровня метаболизма, вызванному социально-экономической деятельностью. Мы еще вернемся к этому поразительному изменению, когда будем обсуждать применение этих идей к городам.

Главный вывод, который можно сделать в этом разделе, состоит в том, что сублинейное масштабирование и связанная с ним экономия на масштабе, порождаемые оптимизацией производительности сетевых систем, приводят к ограничению роста и систематическому снижению темпов жизни. Такое динамическое поведение является господствующим в биологии. Его преобразование в неограниченный рост и увеличение темпов жизни, а также его связь с огромным усилением нашего «социального» метаболизма будут основной темой глав 8 и 9.

Поскольку мы теплокровны (гомойотермны), то есть температура нашего тела все время остается приблизительно постоянной, нам свойственно забывать, какую важную роль играет температура почти для всех форм жизни. Мы – исключение. Возможно, только с началом глобального потепления мы начинаем понимать, насколько природа и окружающая среда чувствительны к малейшим изменениям температуры и чем такие изменения угрожают. Поразительно, насколько немногие люди, в том числе и ученые, сознают, что такая чувствительность к температуре экспоненциальна. Причина этой чувствительности заключается в том, что скорости протекания химических реакций экспоненциально зависят от температуры. В предыдущей главе я объяснял, что метаболизм происходит в результате производства в клетках молекул АТФ. Соответственно, и уровень метаболизма увеличивается с ростом температуры экспоненциально, а не по степенному закону, по которому он масштабируется в зависимости от массы. А поскольку уровень метаболизма – то есть интенсивность поступления энергии в клетки – это фундаментальный фактор, определяющий интенсивность и временные параметры всех биологических процессов, все основные характеристики жизни, от созревания зародыша и роста до смертности, обладают экспоненциальной чувствительностью к температуре .

Поскольку производство АТФ есть общая черта почти всех животных, эта экспоненциальная зависимость всеобща, так же как степенное масштабирование с четвертными показателями в зависимости от массы. Общий масштаб этой зависимости регулируется всего одним «универсальным» параметром: средней пороговой энергией, необходимой для производства молекулы АТФ в химической реакции окисления, о которой я говорил в предыдущей главе. Эта величина составляет около 0,65 эВ (электрон-вольта, упоминавшегося в главе 2), что есть характерная энергия химической реакции, усредненная по многочисленным вторичным процессам. Это приводит к тому интереснейшему выводу, что все скорости и временные параметры биологических процессов всех форм жизни, например связанные с ростом, развитием зародышей, продолжительностью жизни и процессами эволюции, определяются единым, универсальным законом масштабирования, который регулируют всего два параметра: число ¼, возникающее из параметров сетей, управляющих зависимостью от массы, и величиной 0,65 эВ, происходящей из динамических свойств химической реакции производства АТФ. Тот же результат можно выразить несколько иным образом: с учетом поправок на размеры и температуру, определяемых лишь этими двумя числами, все организмы с хорошей точностью управляются одними и теми же временными последовательностями с одинаковыми скоростями метаболизма, роста и эволюции.

Эта лаконичная формулировка действующей в грубом приближении зависимости от массы и температуры была предложена в кратком изложении исследований масштабирования, опубликованном в 2004 г. в журнале Ecology в статье под названием «К метаболической теории экологии» (Toward a Metabolic Theory of Ecology). Ее соавторами были Джим Браун, трое работавших тогда с нами постдокторантов – Вэн Сэвидж, Джейми Гиллули и Дрю Аллен – и я. Еще до этого Джим заслуженно получил от Экологического общества Америки его самую престижную награду – премию имени Роберта Х. Макартура, за «важный вклад в экологию». Темой своего благодарственного выступления на ежегодном собрании этого общества он выбрал нашу работу по масштабированию, и эта речь легла в основу нашей совместной статьи. Хотя в ней описывалась лишь часть наших исследований, именно с момента этой публикации термин «метаболическая теория экологии» (МЭТ) зажил собственной жизнью.