Киндл-издание озаглавлено короче, но с большим вызовом: «МАСШТАБ: универсальные законы жизни и смерти». Такой размах обычно и привлекает читателя и настораживает: не достигается ли универсализм за счет крайнего упрощения? Пусть в своей отрасли автор выдающийся профессионал, но кто охватит новейшие сложные достижения многих наук?
Однако вынесенные на обложку отзывы свидетельствуют: эту книгу приветствуют как достойный Нобелевской премии прорыв научной мысли, путеводитель для каждого, кто желает понимать окружающий мир, и в то же время как увлекательное, почти детективное чтение. Среди прочитавших – математик Стивен Строгац (автор книги «Удовольствие от Х»), удостоенный титула пэра астроном Мартин Рис, мировые авторитеты в области исторических и социально-экономических исследований Нассим Талеб, Ниал Фергюсон, Ричард Флорида и знаменитый писатель Абрахам Вергезе.
Институт Санта-Фе (SFI) более 30 лет занимается междисциплинарными исследованиями сложных адаптивных систем, к числу которых относятся живые организмы и их взаимодействие, экологическая среда, город, язык. Джеффри Уэст был одним из создателей и первых руководителей SFI. Он уже более тридцати лет занимается поисками универсальных законов распределения энергии в сложных системах, динамикой их рождения, роста и умирания.
Речь не идет о той «Теории всего», о которой мечтают многие физики: свести все разнообразие явлений на макро- и микроуровне к одному уравнению, позволяющему предсказать поведение любых объектов. Напротив, выстраиваемые в этой книге универсальные законы описывают явления в разнообразии, определяют лишь «идеальную кривую», а не реальные параметры, которые всегда отличаются от среднего.
Универсальные законы охватывают динамику сложных систем, от живого организма до человеческого общества. Рост живых существ, поддержание жизни и умирание рассматриваются с точки зрения физических законов расхода энергии и доставки необходимой энергии в каждую точку инфраструктурной сети, из которой состоит организм.
Осмыслив эти принципы, читатель не только поразится красоте единства мира, но и поймет несколько важных повседневных правил – например, почему детей нужно одевать зимой теплее, чем взрослых, или как рассчитать детскую дозу лекарства.
Основные принципы, разобранные применительно к организму (масштабирование и экспоненциальный рост), экстраполируются на общество, в котором, в отличие от живого организма, обнаруживается потенциал неограниченного роста.
Однако безграничный рост вызывает и ряд проблем: сумеет ли человек найти неиссякаемые источники энергии? Выдержит ли человечество и планета ускоряющийся темп инноваций? Осознаем ли мы, насколько критичным может оказаться незначительное изменение некоторых факторов, например, температуры окружающей среды?
Книга не дает готовых ответов на эти тревожные вопросы, но – что важнее – она помогает более точно их сформулировать, осознанно следить за социальными и экологическими процессами, понимая преимущества и слабости общечеловеческого «организма».
1. Масштабирование живых существ
Организмы любого класса (как животные, так и растения) подчиняются законам масштабирования, то есть одинаковые соотношения массы предполагают пропорциональное соотношение других параметров (частоты сердцебиения, скорости метаболизма и т. д.) и существует возможность экстраполировать эти параметры и предсказывать их изменения только на основании увеличения/уменьшения массы.
Масштабирование живых существ происходит аллометрически, с изменением пропорций, морфологии и эффективности работы систем. Более того, масштабирование живых существ происходит не линейно, а по экспоненте.
Например, теплоотдача организма зависит от площади его поверхности, а запас тепла – от объема. Площадь поверхности и объем соотносятся как квадрат и куб, то есть при увеличении объема в 8 раз площадь поверхности увеличивается всего вчетверо. Вот почему маленькие дети мерзнут больше взрослых, а слону не перегреться помогают большие уши, увеличивающие поверхность его тела.
Аллометрия (греч. allos – другой и metron – мера) – неравномерный рост частей тела (в более широком смысле – различие пропорций у организмов с разными размерами). Аллометрия может быть отрицательной (например, замедленный рост головы у ребенка) и положительной (например, рост рогов у жвачных животных). Аллометрия выражается изменением как пропорций тела, так и темпов развития различных органов, то есть гетерохронией.
Наиболее важный показатель – интенсивность метаболизма – изменяется сублинеарно с коэффициентом 3/4 (закон Клейбера) – то есть при увеличении объема тела на четыре порядка потребность в пище возрастает лишь на три порядка.
Человеку весом до 100 кг нужно 2000 калорий в день. Крупному млекопитающему весом в тысячу тонн требуется не 20 000 000 (2000 х 10 000) калорий в день, а всего 2 000 000.
Один из важнейших практических выводов – необходимость корректировки доз лекарства и в целом выводов, сделанных на основании экспериментов с мышами, когда эти результаты экстраполируются на человека.
Слон, получивший в эксперименте дозу ЛСД, рассчитанную линейно, на основании соотношения массы его тела с массой тела мыши, погиб от передозировки.
Сублинеарное масштабирование метаболизма охватывает все виды физиологических процессов как у животных, так и в растениях: скорость роста, частоту сердцебиений, высоту ствола, число листьев, продолжительность жизни и т. д. Различные параметры изменяются с различной экспонентой (от -1/4 до 3/4), но общим является экспонентное сублинеарное масштабирование и ключевое число 1/4.
Например, экспонента по росту – 3/4, по площади сечения аорты и ствола дерева – 1/4, для серого и белого вещества мозга – 3/4, для частоты сердцебиений – 1/4, то есть частота сердцебиения снижается при увеличении массы животного, темп жизни замедляется, а продолжительность жизни возрастает.
Установленной эмпирически и подтвержденной законом Клейбера «магии числа 4» – ключевой роли показателя степени 1/4 и его производных – автор книги и его сотрудники по институту Санта-Фе нашли физико-математическое объяснение в особенностях живого организма, который сверх трех измерений объема обладает также измерением сетей – кровеносных сосудов, нервной системы и множества других.
