Раз жизнь поддерживается на всех масштабных уровнях такими иерархическими сетями, естественно предположить, что ключ к степенным аллометрическим законам масштабирования с четвертными показателями и, следовательно, к общему определению поведения биологических систем следует искать именно в общих физических и математических свойствах этих сетей. Другими словами, несмотря на огромное разнообразие их структур, возникших в процессе эволюции, – некоторые из них состоят из трубок подобно водопроводной сети наших домов, другие образованы пучками волокон подобно электрическим проводам, а некоторые просто представляют собой диффузионные каналы, – предполагается, что все они подчиняются одним и тем же физическим и математическим принципам.
7. Физика и биология: природа теорий, моделей и объяснений
Пока я бился над созданием сетевой теории четвертного масштабирования, произошло удивительное совпадение: мне посчастливилось познакомиться с Джеймсом Брауном и его тогдашним студентом Брайаном Энквистом. Они тоже обдумывали эту задачу и также предполагали, что ключевым ее элементом являются транспортные сети. Джим – маститый эколог (на момент нашего знакомства он был председателем Американского экологического общества), хорошо известный, в частности, той ключевой ролью, которую он сыграл в создании приобретающего все большее значение раздела экологии, называемого макроэкологией
[53]. Как понятно из названия, эта дисциплина изучает экосистемы с точки зрения крупномасштабного, иерархического системного подхода. Она имеет много общего с философией, лежащей в основе теории сложности, в том числе понимание ценности использования грубого описания систем. Макроэкологию иронически называют «наукой о видении леса за деревьями». По мере того как нас все более беспокоят глобальные экологические проблемы и необходимость понимания их причин и динамики, а также путей их разрешения, крупномасштабное видение Джима, выраженное в принципах макроэкологии, приобретает все большее значение и все большее признание.
Когда мы познакомились, Джим только что перешел на работу в Университет штата Нью-Мексико (UNM), в котором он занимает должность заслуженного регент-профессора. Одновременно с этим он начал сотрудничать с Институтом Санта-Фе (SFI), через который мы с ним и встретились. Это положило начало моей «прекрасной дружбе» с Джимом, SFI и Брайаном, а через них я встретился с целым штатом замечательных студентов и постдокторантов, а также с другими заслуженными исследователями, которые согласились работать с нами. В течение последующих лет наша с Джимом и Брайаном совместная работа, начатая в 1995 г., оказалась чрезвычайно плодотворной, необычайно интересной и очень приятной. Она, вне всякого сомнения, изменила мою жизнь, и я рискну предположить, что она также изменила жизнь Брайана и Джима, а может быть, и некоторых других наших сотрудников. Но, как и любые превосходные, содержательные и осмысленные отношения, наши иногда бывали трудными и даже обескураживающими.
Мы с Джимом и Брайаном собирались каждую пятницу в половине десятого утра и расходились около трех часов пополудни, сделав за это время лишь несколько коротких перерывов по мере необходимости (ни Джим, ни я не привыкли обедать). Это требовало большого напряжения сил, так как мы оба руководили группами, занимающимися другой работой: у Джима была большая группа экологов в UNM, а я все еще отвечал за программу по физике высоких энергий в Лос-Аламосе. Джим и Брайан очень любезно приезжали на большинство таких еженедельных встреч из Альбукерке в Санта-Фе (около часа езды); я ездил к ним лишь раз в несколько месяцев. После того как мы привыкли друг к другу и преодолели некоторые культурные и языковые барьеры, неизбежные между специалистами в разных областях, у нас сложилась освежающе открытая атмосфера, в которой любые вопросы и замечания, какими бы «примитивными», умозрительными или «глупыми» они ни были, принимались, поощрялись и подвергались серьезному рассмотрению. В этих встречах, проходивших на фоне доски, покрытой уравнениями и нарисованными от руки графиками и иллюстрациями, было множество споров, предположений и объяснений, борьбы с великими вопросами и мелкими подробностями, множество тупиков и несколько редких озарений. Джим и Брайан терпеливо наставляли меня в биологии, открывая мне постыдно неизвестный мне мир концепций естественного отбора, эволюции и адаптации, приспособленности, физиологии и анатомии. Подобно многим физикам, я пришел в ужас, узнав, что существуют серьезные ученые, ставящие Дарвина выше Ньютона и Эйнштейна. Поскольку в моем собственном образе мыслей главенствующее место занимали математика и численный анализ, это с трудом укладывалось у меня в голове. Однако с тех пор, как я начал всерьез заниматься биологией, я стал гораздо больше ценить грандиозные достижения Дарвина, хотя должен признаться, что мне до сих пор трудно понять, как можно ставить их выше еще более величественных достижений Ньютона и Эйнштейна.
Я же пытался свести сложные уравнения нелинейной математики и доводы теоретической физики к сравнительно простым и понятным расчетам и объяснениям. Весь этот процесс, независимо от его результатов, приносил массу радости и удовлетворения. Мне особенно нравилось в нем вновь обретенное удовольствие, из-за которого я и занимался наукой: трудность узнавания нового и разработки концепций, выявление действительно важных вопросов и, время от времени, нахождение полезных идей и ответов. В физике высоких энергий, в которой мы пытаемся найти основополагающие законы природы на самом микроскопическом уровне, мы по большей части знаем, в чем заключаются вопросы. Бо́льшая часть усилий исследователя уходит на интеллектуальную работу по выполнению чрезвычайно сложных вычислений. Как я выяснил, в биологии дело в большинстве случаев обстоит прямо противоположным образом: мы тратили многие месяцы на попытки понять, в чем, собственно, заключается задача, которую мы стараемся решить, какие вопросы следует задать и какие существенные величины необходимо вычислить. Зато математические расчеты, которые оставалось провести после выполнения этой части работы, были довольно простыми.
Помимо сильного стремления решить фундаментальную, давно существующую задачу, работа над которой явно требовала тесного сотрудничества физиков и биологов, важнейшим элементом нашего успеха было то, что Джим и Брайан не только были выдающимися биологами, но и во многом мыслили как физики и понимали всю важность математической системы, основанной на фундаментальных принципах, для решения задач. Не менее важным было и их понимание того, что любые теории и модели в той или иной степени приблизительны. Часто бывает трудно увидеть, что у теории, какой бы успешной она ни была, всегда есть границы и ограничения. Это не значит, что такая теория неверна: речь идет только о том, что ее область применимости ограничена. Стандартный пример этого положения – законы Ньютона. Серьезные отклонения от предсказаний законов Ньютона проявились только тогда, когда мы получили возможность исследовать чрезвычайно малые расстояния атомного уровня или чрезвычайно большие скорости порядка скорости света. И эти расхождения привели к революционному открытию квантовой механики, описывающей микроскопический мир, и к созданию теории относительности, описывающей сверхвысокие скорости, сравнимые со скоростью света. Законы Ньютона по-прежнему применимы и справедливы за пределами этих двух предельных областей. И вот еще что чрезвычайно важно: изменение и распространение законов Ньютона на эти более широкие области привело к глубокому, фундаментальному сдвигу в нашем концептуальном понимании устройства мира. Именно из преодоления ограниченности классического ньютонианского мышления возникли такие революционные идеи, как понимание принципиально вероятностного характера самой природы материи, воплощенного в принципе неопределенности Гейзенберга, или ложности представления об абсолютных и фиксированных пространстве и времени.
