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

Вот краткая сводка некоторых из наиболее значительных свойств старения и смертности, объяснение которым должна давать любая теория:

1. Старение и смерть «всеобщи»: все организмы в конце концов умирают. Следствием из этого положения является наличие максимальной продолжительности жизни и соответствующее ей падение уровня выживаемости до нуля.

2. Полуавтономные подсистемы организмов, например различные органы нашего тела, стареют приблизительно с одинаковой скоростью.

3. Старение приблизительно линейно зависит от возраста. Например, на рис. 27 показано, как снижается с возрастом работоспособность разных органов [90] H. Bafitis and F. Sargent . Human Physiological Adaptability Through the Life Sequence // Journal of Gerontology. 1977. 32 (4). P. 210, 402. . График возрастной зависимости процентной доли от максимального уровня различных жизненных функций показывает линейный спад, начинающийся почти немедленно после достижения зрелости, приблизительно в двадцатилетнем возрасте. Несколько грустно видеть, что в среднем мы находимся на оптимальном физическом уровне (100 %) в течение всего нескольких лет, а начиная приблизительно с двадцати буквально все становится только хуже. Также можно отметить, что в период роста мы сравнительно быстро достигаем максимальной работоспособности. Ниже я рассмотрю предположение о том, что процесс старения идет даже в первые годы жизни, до наступления зрелости, но маскируется подавляющим преобладанием роста. Процесс старения начинает действовать с самого момента зачатия. Боб Дилан был прав, когда пел, что «тот, кто не занят рождением, занят умиранием».

4. Продолжительность жизни масштабируется в зависимости от массы тела по степенному закону, показатель которого приблизительно равен ¼. Как и следовало ожидать, данные сильно колеблются, отчасти в связи с отсутствием проводимых в контролируемых условиях экспериментов по долговечности млекопитающих, в том числе человека. Некоторые из данных получены в наблюдениях за дикими животными, некоторые в зоопарках, некоторые в исследовательских лабораториях, с существенными различиями окружающей среды и образа жизни. Кроме того, часть данных описывают всего одну или две особи какого-либо вида, а часть – крупные популяции. Хотя такое отсутствие контроля создает затруднения, в данных существуют ясные тенденции и соответствия, указывающие на степенное масштабирование с показателем, близким к ¼.

5. Как видно из рис. 2, приведенного в первой главе, число сокращений сердца в течение жизни приблизительно одинаково для всех млекопитающих [91] H. J. Levine. Rest Heart Rate and Life Expectancy // Journal of American College of Cardiology. 1997, Oct. 30 (4). P. 1104–1106. См. также: M. Y. Azbel. Universal Biological Scaling and Mortality // Proceedings of the National Academy of science. 1994. 91. P. 12453–12457. . Так, частота пульса землеройки, живущей около двух лет, составляет около 1500 ударов в минуту, а сердце слона совершает всего лишь около 30 ударов в минуту, но слон проживает около семидесяти пяти лет. Несмотря на огромную разницу в размерах, сердца обоих этих животных совершают в течение их жизни в среднем порядка полутора миллиардов сокращений. Это постоянство приблизительно сохраняется у всех млекопитающих, хотя по описанным выше причинам существуют значительные колебания. Самое большое отклонение от этого любопытного постоянства наблюдается у нас: сердце среднего современного человека совершает около двух с половиной миллиардов ударов, почти вдвое больше, чем у типичного млекопитающего. Однако, как я уже подчеркивал, мы стали жить так подолгу только в последнюю сотню лет. В продолжение всей истории человечества, до сравнительно недавнего времени, продолжительность нашей жизни была приблизительно в два раза меньше, чем сейчас, и мы, как и подавляющее большинство других млекопитающих, также приблизительно соответствовали «закону» полутора миллиардов ударов сердца.

6. С этой неизменяющейся величиной связана еще одна: суммарное количество энергии, используемой в течение жизни для содержания одного грамма тканей, приблизительно одинаково для всех млекопитающих и, если брать более общий случай, для всех животных в пределах определенной таксономической группы [92] A. T. Atanasov. The Linear Allometric Relationship Between Total Metabolic Energy per Life Span and Body Mass of Mammals // Bulgarian Journal of Veterinary Medicine. 2006. 9 (3). P. 159–174. . Для млекопитающих оно составляет порядка 300 пищевых калорий на грамм в течение всей жизни. Тот же факт можно выразить более фундаментальным образом, отметив, что число функциональных циклов дыхательного механизма, ответственного за производство энергии в клетках, в течение жизни всех животных определенной таксономической группы приблизительно одинаково. Для млекопитающих оно составляет около десяти тысяч триллионов (10 16) раз, и его постоянство обусловливает неизменность числа молекул АТФ (нашей основной энергетической валюты), производимых в течение жизни для содержания одного грамма тканей.

Величины, не изменяющиеся при изменении других параметров системы, играют в науке особую роль, так как они показывают, в чем заключаются общие фундаментальные принципы, которые не зависят от конкретных деталей динамики и структуры данной системы. В физике хорошо известны, например, принципы сохранения энергии и сохранения электрического заряда: сколь бы сложным и запутанным ни было развитие системы, ее преобразования и обмены энергией и электрическим зарядом, суммарная энергия и суммарный заряд остаются неизменными. Таким образом, суммарная энергия и суммарный электрический заряд системы, вычисленные в некоторый момент, останутся такими же и в любое более позднее время, что бы ни случилось в промежутке между этими моментами, – если, конечно, не происходило поступления дополнительной энергии или дополнительного заряда извне системы. Если взять самый предельный случай, суммарная энергия Вселенной на данный момент в точности та же, какой она была в момент Большого взрыва, более 13 миллиардов лет назад, когда вся Вселенная была сосредоточена в одной мельчайшей точке, несмотря на все последующее развитие галактик, звезд, планет и форм жизни.

Рис. 27

Рис. 28

Рис. 29

Возрастные изменения работоспособности различных органов: зависимость процентной доли максимальной работоспособности от возраста. Отметим быстрый рост в период роста и достижение максимума в районе двадцатилетнего возраста, после которого следует устойчивый линейный спад. Несмотря на такой монотонный спад, здоровая и активная жизнь может продолжаться до весьма преклонного возраста.