Страница 29 из 32
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.
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.
53
J. H. Brown. Macroecology. Chicago: University of Chicago Press, 1995.