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

Отметим, что, когда мы обсуждали рост, мы уже видели, что несоответствие между масштабированием источников энергии (концевых модулей), которые являются также и источниками повреждений, и масштабированием потребителей энергии (поддерживаемых клеток) имеет чрезвычайно важные последствия. В одном случае оно обеспечивает прекращение роста, а в другом – увеличение продолжительности жизни более крупных животных. И все это следует из ограничений, накладываемых сетевыми структурами.

А. Температура и увеличение продолжительности жизни.Поскольку уровень метаболизма пропорционален числу концевых модулей, а именно в них по большей части возникают повреждения, мы можем непосредственно связать продолжительность жизни с уровнем метаболизма. Это дает альтернативное выражение продолжительности жизни в виде отношения массы тела к уровню метаболизма. Другими словами, продолжительность жизни обратно пропорциональна удельному уровню метаболизма на единицу массы организма и, следовательно, обратно пропорциональна среднему уровню метаболизма его клеток. Выше, когда мы говорили о метаболической теории экологии, мы видели, что эта величина систематически увеличивается с массой тела, следуя четвертному закону масштабирования, и экспоненциально зависит от температуры.

Это дает нам интересную возможность проверки теории путем вывода из нее объяснения систематического и предсказуемого экспоненциального увеличения продолжительности жизни с уменьшением температуры, проиллюстрированного на рис. 24. Отсюда следует, что в принципе продолжительность жизни можно увеличить путем понижения температуры тела, так как это приводит к снижению уровня метаболизма и, следовательно, интенсивности возникновения повреждений. Этот эффект очень силен: напомню, что понижение температуры тела всего на 2 °C может увеличить продолжительность жизни на 20–30 % [94] J. F. Gillooly et al. Effects of Size and Temperature on Metabolic Rate // Science. 2001. 293. P. 2248–2251; J. F. Gillooly et al. Effects of Size and Temperature on Developmental Time // Nature. 2002. 417. P. 70–73. . Поэтому, если бы вам удалось искусственно понизить температуру своего тела всего на 1 °C, вы могли бы продлить свою жизнь на 10–15 %. Проблема состоит в том, что для получения этого «преимущества» необходимо, чтобы такое уменьшение температуры действовало всю жизнь. Однако еще существеннее то, что значительное понижение температуры тела вполне может иметь другие разрушительные и даже опасные для жизни последствия. Как я уже подчеркивал, изменение одного отдельно взятого компонента сложной адаптивной системы без полного понимания ее многоуровневой пространственно-временной динамики обычно дает непредвиденные результаты.

Б. Сердцебиение и темп жизни.Эти данные также подтверждают масштабирование продолжительности жизни в зависимости от массы с показателем около ¼. Поскольку в применении к сердечно-сосудистой системе теория предсказывает, что частота сердцебиения уменьшается пропорционально массе в степени ¼, в произведении частоты сердцебиения на продолжительность жизни зависимость от массы сокращается: уменьшение первой из этих величин в точности компенсирует увеличение второй, и результат получается инвариантным, то есть равным величине, одинаковой для всех млекопитающих. Но поскольку произведение частоты сердцебиения на продолжительность жизни попросту дает суммарное число сокращений сердца в течение жизни, теория предсказывает, что эта величина должна быть одинаковой для всех млекопитающих, что согласуется с данными, представленными на рис. 2 в главе 1. Это же рассуждение можно распространить на фундаментальный уровень дыхательных комплексов, базовых модулей митохондрий, в которых происходит производство АТФ, и показать, что число реакций получения АТФ, происходящих в течение жизни, также одинаково для всех млекопитающих.

Как я уже отмечал, крупные животные живут долго и медленно, а мелкие – недолго и быстро, но их основные биологические параметры, например суммарное число сокращений сердца, остаются приблизительно одинаковыми. При масштабировании по степенному закону с показателем ¼ события жизненного цикла всех млекопитающих ложатся на одну и ту же траекторию, пример которой дает всеобщая кривая роста, показанная на рис. 19. Может быть, все млекопитающие воспринимают последовательность, темп и продолжительность жизни одинаково? Приятное предположение.

Некогда, когда мы были «всего лишь» млекопитающими, это относилось и к нам. Но с возникновением социальных сообществ и урбанизации мы развились в нечто иное, по сути дела отклонившись от ограничений, удерживавших нас в гармонии с природой. Наш эффективный уровень метаболизма возрос стократно; мы удвоили продолжительность своей жизни и уменьшили свою плодовитость. В дальнейших главах мы вернемся к разговору об этих поразительных изменениях и попытаемся понять, как они произошли, используя ту же систему концепций.

В. Ограничение калорий и увеличение продолжительности жизни.Как мы только что видели, продолжительность жизни уменьшается с ростом уровня клеточного метаболизма. Поскольку эта величина систематически уменьшается по всему организму животного с увеличением его массы, на каждую клетку приходится меньшее количество повреждений, что приводит к тому, что большое животное живет дольше. Однако индивидуальная особь каждого вида, например каждый из нас, может уменьшить свой уровень клеточного метаболизма, просто сократив количество съедаемой пищи, что приведет к снижению удельной интенсивности метаболических повреждений на каждую клетку и может увеличить продолжительность жизни. Такая стратегия называется ограничением калорий . Она имеет долгую, довольно бурную историю и была предметом многочисленных исследований на разных животных. Хотя многие из таких исследований показали существенные положительные результаты, в других не было обнаружено значительного эффекта, и положение остается несколько неясным. Почти во всех исследованиях, независимо от наличия или отсутствия увеличения продолжительности жизни, были отмечены некоторые признаки уменьшения старения. Проведение долгосрочных контролируемых экспериментов затруднительно, а проведение исследований на людях невозможно; к тому же многие из этих исследований были недостаточно корректно спланированы. Сам я несколько предубежден в пользу этой идеи, так как верю в лежащую в ее основе теорию и в концепцию того, что снижение уровня метаболизма уменьшает интенсивность повреждений, замедляет процесс старения и увеличивает максимальную продолжительность жизни.