Человеческое тело содержит около ста триллионов (1014) клеток. Хотя у них широчайший спектр самых разных функций, от нервной и мышечной до защитной (кожа) и накопительной (жир), все они имеют одни и те же базовые черты. Все они перерабатывают энергию одним и тем же образом, при помощи иерархии дыхательных комплексов и митохондрий. И это порождает следующую сложную задачу. Приблизительно пятьсот дыхательных комплексов каждой митохондрии не могут действовать независимо друг от друга; для эффективной работы митохондрии и правильной, упорядоченной подачи энергии в клетку они должны работать совместно, интегрированным и согласованным образом. Точно так же приблизительно пятьсот митохондрий, входящих в состав каждой клетки, не могут работать независимым друг от друга образом; подобно дыхательным комплексам они должны взаимодействовать интегрированным и согласованным образом, чтобы все 1014 клеток, составляющих наше тело, получали энергию, необходимую им для эффективной и правильной работы. Более того, эти сто триллионов клеток должны быть организованы в многочисленные подсистемы – например, различные органы тела, – энергетические потребности которых сильно различаются и зависят от их функций и нагрузки на них, что позволяет нам производить все те разнообразные действия, которые составляют жизнь, от мышления и танцев до секса и восстановления ДНК. И вся эта взаимосвязанная, многоуровневая динамическая система должна быть достаточно прочной и устойчивой, чтобы продолжать непрерывно работать до ста лет!
Иерархия потока жизненной энергии, от дыхательных комплексов (слева вверху), которые производят нашу энергию, через митохондрии и клетки (в центре и справа вверху) до многоклеточных организмов и социальных структур. С этой точки зрения энергоснабжение и поддержание жизни городов обеспечивают в конечном итоге молекулы АТФ, производимые в наших дыхательных комплексах. Несмотря на все различия внешнего вида и инженерных конструкций этих уровней, энергия распространяется на каждом из них по заполняющим пространство иерархическим сетям, обладающим сходными свойствами
Естественно было бы обобщить эту иерархию жизни, распространить ее за пределы отдельных организмов и приложить к общественным структурам. Выше мы говорили о том, как муравьи создают в коллективном сотрудничестве поразительные сообщества, строящие замечательные сооружения, следуя эмерджентным правилам, которые возникают из их интегрированного взаимодействия. Многие другие организмы, например пчелы или растения, также образуют сходные интегрированные сообщества, становящиеся коллективной личностью.
Но самый предельный и поразительный пример можно найти в нас самих. В течение очень короткого времени мы прошли путь от существования в маленьких, довольно примитивных группах, состоящих из нескольких индивидуумов, до полного господства над планетой и создания городов и общественных структур, охватывающих многие миллионы человек. Подобно тому как организмы связаны интеграцией эмерджентных законов, действующих на уровне клетки, митохондрии или дыхательного комплекса, города возникли из фундаментальной эмерджентной динамики социальных взаимодействий и связаны ею. Такие законы – не «случайности», а результат эволюционного процесса, действующего на множественных интегрированных уровнях структуры.
Этот многогранный, многомерный процесс, составляющий жизнь, проявляется и воспроизводится в мириадах разных форм огромного диапазона, в котором разброс по массе превышает двадцать порядков величины. Многочисленные динамические агенты действуют по всей гигантской иерархии, распространяющейся от дыхательных комплексов и митохондрий до клеток, многоклеточных организмов и общественных структур, связывая воедино ее части. Тот факт, что эта система выживает и остается столь прочной, устойчивой и жизнеспособной уже более миллиарда лет, говорит о том, что на всех масштабах должны были возникнуть эффективные законы, управляющие их поведением. Выявление, выражение и понимание этих эмерджентных законов, охватывающих все формы жизни, – грандиозная задача.
Именно в этом контексте следует рассматривать законы аллометрического масштабирования: их систематическая регулярность и всеобщность позволяет получить информацию о таких эмерджентных законах и основополагающих принципах. Поскольку окружающая среда изменяется, все эти разнообразные системы должны быть масштабируемы, чтобы успешно справляться с постоянно встающими перед ними задачами адаптации, развития и роста. На самых разных пространственных и временных масштабах должны действовать одни и те же общие, фундаментальные динамические и организационные принципы. Масштабируемость живых систем лежит в основе их поразительной прочности и жизнестойкости, на уровне как отдельных организмов, так и жизни в целом.
6. Сети и происхождение степенного аллометрического масштабирования с четвертными показателями
Когда я начинал думать о том, каково может быть происхождение этих удивительных законов масштабирования, мне стало ясно, что какие бы причины их ни порождали, они должны быть независимы от сложившегося в процессе эволюции строения любого типа организмов, так как в млекопитающих, птицах, растениях, рыбах, моллюсках, клетках и так далее проявляются одни и те же законы. Существование и воспроизводство всех этих организмов, от мельчайших и простейших бактерий до крупнейших растений и животных, опирается на тесную интеграцию многочисленных подсистем – молекул, органелл и клеток – и эти микроскопические компоненты требуют сравнительно «демократического» и эффективного обслуживания для обеспечения метаболическими субстратами, удаления отходов и регулирования их работы.
Примеры биологических сетей. Против часовой стрелки, начиная с левого верхнего угла: система кровоснабжения головного мозга; сети микротрубочек и митохондрий в клетке; белое и серое вещество мозга; паразит, живущий в слонах; дерево; сердечно-сосудистая система человека
Естественный отбор решил эту задачу, вероятно, самым простым из возможных способов – путем развития разветвленных иерархических сетей, распределяющих энергию и материалы между макроскопическими резервуарами и микроскопическими площадками. Скорость, с которой энергия, метаболиты и информация могут передаваться по этим сетям, определяет абсолютное ограничение работы биологических систем. Примеры таких сетей можно увидеть в сосудистых, дыхательных, мочевыделительных и нервных системах животных, капиллярных системах растений, межклеточных сетях, а также системах, обеспечивающих поступление пищи, воды, энергии и информации в человеческих обществах. Собственного говоря, если об этом задуматься, можно понять, что под нашей гладкой кожей каждый из нас, по сути дела, представляет собой интегрированный набор таких сетей, каждая из которых обеспечивает передачу метаболической энергии, материалов и информации на всех масштабных уровнях. Некоторые из таких сетей проиллюстрированы на с. 123.
