Масштабирование от малого к большому часто сопровождается эволюцией от простого к сложному с сохранением основных элементов или составных частей системы неизменными или фиксированными. Эта особенность характерна для инженерных и экономических систем, компаний, городов, организмов и эволюционных процессов, причем в последних она проявляется, может быть, наиболее ярко. Например, небоскреб, построенный в большом городе, – это строение существенно более сложное, чем скромное семейное жилище в деревне, но основополагающие принципы их структуры и конструкции, в том числе в том, что касается механики, передачи энергии и информации, размеров электрических розеток и водопроводных кранов, телефонов, компьютеров, дверей и так далее, остаются приблизительно неизменными независимо от размеров здания. При увеличении масштаба с моего дома до нью-йоркского небоскреба эти базовые составляющие элементы не изменяются сколько-нибудь существенным образом: они остаются общими для всех нас. Аналогичным образом эволюция живых организмов привела к существованию широчайшего спектра их размеров и необычайного разнообразия типов морфологии и взаимодействий, которые часто отражают увеличение сложности; однако их элементарные составляющие – например, клетки, митохондрии, капилляры и даже листья – не претерпевают существенных изменений при изменении размеров организмов или увеличении сложности того класса систем, к которому они принадлежат.
7. сами себе сети: рост от клеток до китов
В начале этой главы я отмечал тот весьма удивительный и на первый взгляд противоречащий здравому смыслу факт, что, несмотря на все причуды и случайности эволюционной динамики, почти все наиболее фундаментальные и сложные из измеримых характеристик организмов масштабируются с размером поразительно простым и регулярным образом. Это обстоятельство ясно иллюстрирует, например, приведенный на рис. 1 график зависимости уровня метаболизма некоторых животных от массы их тела.
Эта систематическая закономерность подчиняется простой математической формуле, которую можно выразить на профессиональном языке следующим образом: «уровень метаболизма масштабируется по степенному закону с показателем близким к ¾». Далее я приведу гораздо более подробное объяснение этой формулы, но пока что я хотел бы привести простую иллюстрацию того, что она означает на обиходном языке. Рассмотрим следующее соотношение: слон приблизительно в 10 000 раз (104, на четыре порядка величины) тяжелее крысы; соответственно, в его теле приблизительно в 10 000 раз больше клеток. Согласно степенному закону с показателем ¾, несмотря на то что слону требуется поддерживать в 10 000 раз больше клеток, уровень его метаболизма (то есть количество энергии, необходимое для его выживания) всего в 1000 раз (103, на три порядка) больше, чем у крысы. Обратите внимание на соотношение степеней десятки: оно равно 3:4. В этом случае при увеличении размеров действует чрезвычайно сильная экономия на масштабе, предполагающая, что клетки тела слона потребляют всего около одной десятой энергии, необходимой клеткам крысы. Стоит отметить в скобках, что следующее из этого уменьшение износа клеток в метаболических процессах лежит в основе большего долголетия слонов и дает нам возможность понять старение и смертность. Тот же закон масштабирования можно выразить и в несколько другом виде: если размеры одного животного вдвое больше размеров другого (будь то 10 кг и 5 кг или 1000 кг и 500 кг), то, используя классическое линейное мышление, можно наивно предположить, что и уровень метаболизма первого животного должен быть в два раза выше. Однако нелинейный закон масштабирования говорит, что уровень метаболизма не удваивается; на самом деле его увеличение составляет всего лишь около 75 %, что соответствует громадной экономии – по 25 % на каждое удвоение размера
[17].
Отметим, что отношение, равное ¾, – это наклон кривой на рис. 1, на котором все величины (уровень метаболизма и масса) представлены в логарифмическом масштабе, что означает, что по обеим осям отложены их десятикратные приращения. В таком представлении наклон графика равен показателю степенного закона.
Закон масштабирования уровня метаболизма, названный по имени биолога, который первым сформулировал его, законом Клайбера, применим почти для всех таксономических групп, в том числе млекопитающих, птиц, рыб, моллюсков, бактерий, растений и клеток. Однако еще большее впечатление производит тот факт, что сходные законы масштабирования действуют, по существу, для всех физиологических величин и жизненных процессов: скорости роста, частоты сердцебиения, скорости эволюции, длины генома, плотности митохондрий, количества серого вещества мозга, продолжительности жизни, высоты деревьев и даже числа листьев на них. Более того, в логарифмическом масштабе все законы масштабирования этого головокружительного набора выглядят как график, приведенный на рис. 1, а следовательно, имеют ту же математическую структуру. Все они представляют собой «степенные законы», показатель которых (наклон графика) обычно кратен ¼: классическим примером как раз и является закон масштабирования метаболизма с показателем ¾. Например, при удвоении размеров млекопитающего частота сердцебиения уменьшается приблизительно на 25 %. Таким образом, число 4 играет фундаментальную и почти что магически универсальную роль во всех проявлениях жизни
[18].
Как такая удивительная регулярность возникает из статистических процессов и исторических случайностей, свойственных процессу естественного отбора? Повсеместное господство степенного закона масштабирования с показателями, кратными ¼, явно указывает на то, что естественный отбор подчинялся другим общим физическим принципам, выходящим за пределы конкретных конструкций. Самоподдерживающиеся структуры высокой сложности – будь то клетки, организмы, экосистемы, города или корпорации – требуют тесного объединения огромных количеств составных частей, на всех уровнях которого необходимо действенное обслуживание. В живых системах эта задача решается путем развития фракталоподобных сетевых систем с иерархическим ветвлением, предположительно оптимизированных механизмами непрерывной «конкурентной» обратной связи, свойственными естественному отбору. Именно общие физические, геометрические и математические свойства этих сетевых систем лежат в основе законов масштабирования, отвечая в том числе и за преобладание показателей, кратных ¼. Например, закон Клайбера вытекает из требования минимизации энергии, необходимой для циркуляции крови по системе кровообращения млекопитающих, в том числе и человека, чтобы сделать максимальной долю энергии, которую можно использовать на воспроизводство. В числе других примеров таких сетей можно назвать дыхательную, мочевыделительную и нервную системы, а также сосудистые системы деревьев и других растений. Об этих идеях мы еще поговорим несколько более подробно, так же как и о концепциях заполнения пространства (необходимости питания всех клеток тела) и фракталах (геометрии этих сетей).
