Джеффри Уэст

Масштаб. Универсальные законы роста, инноваций, устойчивости и темпов жизни организмов, городов, экономических систем и компаний

© 2017 by Geoffrey West

© Прокофьев Д. А., перевод на русский язык, 2017

© ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2018

Азбука Бизнес®

* * *

Посвящается Жаклин, Джошуа и Деворе, а также Доре и Альфу с благодарностью и любовью

Глава 1. Общая картина

1. Введение, обзор и краткое изложение

Жизнь с ее необычайным разнообразием форм, функций и моделей поведения, существующим в огромном диапазоне масштабов, – это, вероятно, самое сложное и многообразное явление во Вселенной. Например, на нашей планете существует, по оценкам, более восьми миллионов разных биологических видов[1], от мельчайших бактерий, весящих менее одной триллионной грамма, до самого крупного животного, синего кита, весящего до ста миллионов граммов. В тропических лесах Бразилии на участке размером с футбольное поле можно найти более ста разных видов деревьев и миллионы насекомых, принадлежащих к тысячам разных видов. Что же говорить о потрясающих различиях в том, как представители всех этих видов проживают свою жизнь, как происходит зачатие, рождение, воспроизводство и смерть каждого из них. Многие бактерии живут всего лишь час, и на обеспечение их существования требуется не более одной десятитриллионной части ватта, а киты могут прожить более столетия, и уровень их метаболизма (обмена веществ) составляет несколько сот ватт[2]. К этому необычайному богатству разнообразия биологической жизни следует добавить удивительную сложность и многообразие жизни социальной, созданной на планете человеком, особенно в виде городов и тех поразительных явлений, которые в них существуют, от торговли и архитектуры до культурного многообразия и неисчислимых скрытых радостей и горестей жизни каждого из их обитателей.

Если сравнить все это замысловатое богатство с чрезвычайной простотой и упорядоченностью движения планет вокруг Солнца или механической регулярностью поведения часов или мобильного телефона, естественно задуматься: а может быть, существует какой-либо аналогичный тайный порядок, лежащий в основе всей этой сложности и многообразия? Не может ли быть так, что все организмы, да и вообще все сложные системы, от растений и животных до городов и компаний, подчиняются одним и тем же немногочисленным и простым правилам? Или же все драмы, которые разыгрываются в лесах, саваннах и городах всего мира, могут быть простой последовательностью случайных событий, произвольной и непредсказуемой? Учитывая вероятностную природу процесса эволюции, породившего все это многообразие, появление каких-либо закономерностей или систематических черт поведения кажется маловероятным и противоречащим здравому смыслу. В конце концов, каждый из множества организмов, составляющих биосферу, каждая биосистема, каждый орган, каждый тип клеток, каждый геном образовались в процессе естественного отбора в своей собственной уникальной экологической нише, в результате своей собственной уникальной истории.

Взгляните на графики, приведенные на рис. 1–4. Каждый из них отображает зависимость хорошо известной величины, играющей важную роль в нашей жизни, от размера. На первом графике отложена зависимость уровня метаболизма – то есть ежедневного количества пищи, необходимого для выживания, – от веса или массы тела разных животных. На втором – число сокращений сердца в течение жизни, также в зависимости от веса или массы некоторых животных. На третьем графике приведена зависимость числа патентов, разработанных в городах, от численности их населения. На последнем графике отложена зависимость чистых активов и доходов котирующихся на бирже компаний от числа их сотрудников.

На рис. 1–4 приведены примеры кривых масштабирования, отражающих масштабное изменение (масштабирование) величин в зависимости от размеров: масштабирование 1) уровня метаболизма[3] и 2) числа ударов сердца в течение жизни[4] в зависимости от веса животного; масштабирование 3) числа патентов, разработанных в городах[5], в зависимости от численности их населения; и масштабирование 4) размеров доходов и активов компаний[6] в зависимости от числа их сотрудников. Обратите внимание, что эти графики охватывают большие диапазоны масштабов: например, и вес животных, и число сотрудников компаний изменяются в миллион раз (от мыши до слона и от индивидуального предприятия, в котором работает всего один человек, до компаний уровня Walmart или Exxon). Чтобы можно было уместить все эти виды животных, компании и города на одних и тех же графиках, использован логарифмический масштаб (по осям отложены степени десяти)

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Не нужно быть математиком, естествоиспытателем или специалистом в какой-либо из этих областей, чтобы сразу же заметить, что хотя эти графики отражают некоторые из самых сложных и разнородных процессов, с которыми мы сталкиваемся в своей жизни, в каждом из них есть нечто на удивление простое, систематичное и регулярное. Данные оказываются не рассеяны по каждому из графиков произвольным образом, как можно было бы ожидать, исходя из непредсказуемости уникального исторического и географического положения каждого животного, каждого города или каждой компании, а образуют приблизительно прямые линии. Возможно, самая поразительная картина получается на рис. 2, из которого видно, что сердца всех млекопитающих совершают в течение их жизни приблизительно одно и то же число сокращений, хотя мелкие животные – например, мыши – живут всего по нескольку лет, а крупные – например, киты – могут прожить сотню лет или даже больше.

Примеры, представленные на рис. 1–4, – это лишь несколько образцов огромного числа таких масштабных соотношений, которые дают численное описание масштабирования почти любой измеримой характеристики животных, растений, экосистем, городов или компаний в зависимости от их размеров. В этой книге вам встретится множество таких образцов. Наличие таких замечательных закономерностей – это сильный довод в пользу существования общей концептуальной структуры, лежащей в основе всех этих очень разных и чрезвычайно сложных явлений, а также сходных универсальных «законов», которым подчиняются динамика, развитие и организация животных, растений, социального поведения человека, городов и компаний.

Именно на этом в первую очередь сосредоточена эта книга. Я объясню в ней природу и происхождение таких систематических законов масштабирования, их взаимосвязь и то, как они приводят к более глубокому и широкому пониманию многих аспектов жизни, а в конечном счете и к задаче обеспечения глобальной устойчивости. Рассмотренные вместе, эти законы масштабирования позволяют нам увидеть основополагающие принципы и концепции, которые могут дать возможность построить систему разработки численных предсказаний, касающихся множества ключевых вопросов самых разных отраслей науки и аспектов существования общества.

Эта книга – о способе мышления, о постановке великих вопросов и о возможных великих ответах на некоторые из них. Эта книга – об объединенной и объединяющей системе концепций, которая позволила бы подступиться к некоторым из крупнейших задач и вопросов, над которыми мы бьемся сегодня, от стремительной урбанизации, роста населения и глобальной устойчивости до понимания рака, обмена веществ и причин старения и смерти. Эта книга – о замечательном сходстве между принципами действия городов, компаний, опухолей и наших собственных тел и о том, почему все они представляют собой вариации одной общей темы, а их организация, структура и динамика с поразительной систематичностью проявляют регулярные и сходные черты. Общим для всех них свойством является то, что все они, будь то молекулы, клетки или люди, – чрезвычайно сложные системы, состоящие из огромного числа индивидуальных компонентов, взаимосвязанных, взаимодействующих и развивающихся с использованием сетевых структур, существующих на нескольких разных пространственных и временных масштабах. Некоторые из таких сетей могут быть очевидными и вполне реальными, например наша система кровообращения или уличная сеть города, другие – более концептуальными или виртуальными, например социальные сети[7], экосистемы или интернет.

Рамки «общей картины» позволяют рассмотреть интереснейший круг вопросов, некоторые из которых были предметом моих собственных исследований; часть этих вопросов будет рассмотрена, в некоторых случаях чисто умозрительно, в последующих главах. Вот лишь некоторые из них:

• Почему масштабирование организмов и экосистем, от клеток до китов и лесов, происходит таким замечательно универсальным, систематическим и предсказуемым образом? Откуда берется магическое число 4, управляющее, как кажется, столь многими аспектами их физиологии и развития, от роста до смерти?

• Почему большинство компаний существуют относительно недолго, а города растут и растут, каким-то образом избегая, по-видимому, неизбежной гибели, постигающей даже самые, казалось бы, могущественные и неуязвимые компании? Можно ли представить себе возможность предсказывать приблизительную продолжительность существования компаний?

• Можно ли создать теорию городов и компаний, то есть концептуальную основу для понимания их динамики, роста и развития и получения численных предсказаний?

• Существует ли максимальный размер для городов? Или оптимальный размер? Существует ли максимальный размер для животных и растений? Реальны ли гигантские насекомые и гигантские мегаполисы?

• Почему темп жизни постоянно увеличивается и почему для поддержки социально-экономической жизни скорость появления инноваций должна возрастать и дальше?

• Как обеспечить продолжение сосуществования наших систем, созданных человеком и развивавшихся всего лишь в течение последнего десятка тысяч лет, с естественным биологическим миром, развивавшимся в течение миллиардов лет? Сможем ли мы сохранить живое, обновляющееся общество, вдохновляемое идеями и созданием ценностей, или же мы обречены превратить Землю в планету трущоб, конфликтов и опустошения?

Рассматривая эти и подобные им вопросы, я обращаю особое внимание на концептуальные аспекты и стараюсь свести вместе идеи, почерпнутые из разных научных дисциплин, объединяя фундаментальные вопросы биологии и социально-экономических наук, но сохраняя при этом точку зрения и взгляды физика-теоретика – и не стесняясь этого. Более того, я также касаюсь той ключевой роли, которую та же самая система масштабирования сыграла в формировании единой схемы элементарных частиц и фундаментальных сил природы, в том числе и следствий этой схемы в космологическом рассмотрении эволюции Вселенной с момента Большого взрыва. В соответствии с этими принципами я также стараюсь высказывать острые суждения и умозрительные гипотезы там, где это уместно, но основная часть приведенного в этой книге материала опирается на авторитетные научные работы.

Хотя многие, если не большинство, из результатов и толкований, представленных в книге, происходят из рассуждений и выводов, изложенных на математическом языке, книга написана в подчеркнуто общедоступном и образовательном стиле и ориентирована на пресловутого «разумного неспециалиста». Это ограничение довольно сильно затрудняло работу над нею и, разумеется, привело к тому, что такие объяснения неизбежно приводятся с некоторыми вольностями. Моим коллегам-ученым придется по возможности воздержаться от чрезмерной критики тех мест, в которых я, на их взгляд, привожу чересчур упрощенный перевод с математического или технического языка на язык повседневный. Читателю, более склонному к математической точности, я рекомендую специальную литературу, ссылки на которую приводятся повсюду в тексте книги.

2. Мы живем в экспоненциально растущем урбанизированном социально-экономическом мире

Центральная тема этой книги – это та ключевая роль, которую играют в определении будущего нашей планеты города и глобальная урбанизация. Города стали источником крупнейших проблем нашей планеты со времени образования человеческого общества. Будущее человечества и долговременная жизнеспособность всей планеты неразрывно связаны с судьбой наших городов. Города – это плавильный котел цивилизации, центры инноваций, источник богатства и власти, магниты, привлекающие к себе людей и стимуляторы идей, роста и инноваций. Но у них есть и темная сторона: именно в них в первую очередь сосредоточиваются преступность, загрязнение, нищета, болезни и чрезмерное потребление энергии и природных ресурсов. Быстрая урбанизация и ускоряющееся социально-экономическое развитие породили множество проблем мирового масштаба, от изменений климата с их влиянием на окружающую среду до перебоев с пищей, энергией и водой и кризисов здравоохранения, финансовых рынков и глобальной экономики.

Учитывая такую двойственную природу городов, с одной стороны, источника крупнейших наших проблем, а с другой – вместилища творчества и идей и, следовательно, источника решений этих проблем, чрезвычайно актуальным становится вопрос о возможности существования какой-либо «теории городов» (а также родственной ей «теории компаний»), то есть системы концепций, позволяющей понять их динамику, рост и развитие и выразить их в предсказуемом численном виде. Такая теория жизненно необходима для разработки стратегии, обеспечивающей долговременную устойчивость, особенно в связи с тем, что ко второй половине этого века подавляющее большинство людей будет жить в городах, и многие из них – в мегаполисах невиданных ранее размеров.

Среди возникающих перед нами проблем, задач и угроз нет почти ни одной новой. Все они известны нам по меньшей мере со времен начала промышленной революции. Они начинают казаться нам надвигающимся цунами, которое может захлестнуть нас, только из-за экспоненциального роста урбанизации. По самой природе экспоненциального роста ближайшее будущее наступает все быстрее и быстрее, ставя нас перед непредвиденными проблемами, угрозу которых мы не можем выявить вовремя. Именно поэтому мы лишь недавно осознали проблемы глобального потепления, долговременных экологических изменений, ограниченности запасов энергии, воды и других ресурсов, здравоохранения и загрязнения окружающей среды, стабильности финансовых рынков и так далее. И даже когда появилась озабоченность этими проблемами, сохранилось подспудное ощущение того, что все они – лишь преходящие отклонения, которые в конце концов удастся разрешить и устранить. Неудивительно, что большинство политиков, экономистов и идеологов по-прежнему придерживаются той оптимистической точки зрения, что в долгосрочной перспективе наши инновации и изобретательность победят их, как это уже бывало в прошлом. Как будет более подробно описано ниже, я не столь в этом уверен.

В течение почти всего времени существования человечества большинство людей жили в негородской среде. Всего двести лет назад Соединенные Штаты были преимущественно сельской страной: в городах жило всего 4 % населения. Сейчас эта цифра превышает 80 %. Такая ситуация характерна почти для всех развитых стран, например Франции, Австралии или Норвегии, но так же обстоит дело и во многих странах, считающихся «развивающимися», – например, в Аргентине, Ливане и Ливии. В наше время на планете не осталось ни одной страны, в которой было бы всего 4 % городского населения; даже в Бурунди, возможно самой бедной и наименее развитой из всех стран, его доля составляет более 10 %. В 2006 г. наша планета пересекла важную историческую черту: население городских центров превысило половину суммарной численности человечества, в то время как всего сто лет назад его доля составляла лишь 15 %, а в 1950 г. – 30 %. Сейчас предполагается, что к 2050 г. она вырастет до 75 %, причем в города переселится более двух миллиардов человек, в основном в Китае, Индии, Юго-Восточной Азии и Африке[8].

Это огромное число, оно означает, что в следующие тридцать пять лет каждую неделю будет происходить урбанизация в среднем полутора миллионов человек. Чтобы понять, что это значит, представьте себе следующее: пусть сегодня у нас 22 августа; к 22 октября на планете появится еще один мегаполис размером с нью-йоркскую агломерацию, к Рождеству – еще один, к 22 февраля – еще один и так далее. С этого момента и до середины века каждые два месяца на планете будет возникать еще по одному Большому Нью-Йорку. Следует подчеркнуть, что речь идет именно о нью-йоркской агломерации с населением 15 миллионов человек, а не только о самом Нью-Йорке, в котором живет всего 8 миллионов.

Наверное, самая поразительная и грандиозная в мире программа урбанизации проводится в Китае, правительство которого собирается в течение следующих двадцати – двадцати пяти лет построить ускоренными темпами до трехсот новых городов с населением более миллиона человек. В прошлом урбанизация и индустриализация шли в Китае медленно, но теперь эта страна наверстывает упущенное время. Если в 1950 г. городским было не более 10 % населения Китая, то уже в этом году его доля, вероятно, перевалит за половинную отметку. При сохранении нынешних темпов в течение следующих двадцати или двадцати пяти лет в города переселится столько же людей, сколько живет сейчас в США. Индия и Африка не сильно отстают от Китая. Этот процесс станет крупнейшей человеческой миграцией в истории Земли – и с большой вероятностью ничего равного ему по масштабам не произойдет и в будущем. Он породит поражающие воображение требования к обеспечению энергией и природными ресурсами, а также огромную нагрузку на общественные структуры по всему миру… и времени на поиск решений этих проблем остается чрезвычайно мало. Это коснется всех и каждого; спрятаться будет негде.

3. Вопрос жизни и смерти

Неограниченный экспоненциальный рост городов резко отличается от того, что мы наблюдаем в биологии: организмы, в том числе и наш собственный, по большей части быстро растут в молодости, а затем замедляются, перестают расти и в конце концов умирают. Той же схеме следует и существование большинства компаний: почти все они рано или поздно исчезают, а вот с большинством городов этого не происходит. Тем не менее в обсуждениях городов и компаний постоянно используются образы, позаимствованные в биологии. Широко используются такие обороты, как «ДНК компании», «метаболизм города», «экология рынка» и так далее. Можно ли считать такие штампы обычными метафорами, или же в них содержится какой-то реальный научный смысл? Насколько похожи – и похожи ли вообще – города и компании на огромные организмы? В конце концов, они возникли на биологической основе и имеют поэтому общие черты.

Многие из характеристик городов явно не имеют никакого отношения к биологии: о них мы подробнее поговорим позже. Но если города действительно являются некими сверхорганизмами, почему же они почти никогда не умирают? Существуют, конечно, классические примеры гибели городов, особенно древних, но они, как правило, касаются особых случаев, связанных с конфликтами и губительной эксплуатацией окружающей среды. В целом они составляют лишь малую долю всех существовавших городов. Города обладают замечательной жизнестойкостью и в подавляющем большинстве успешно выживают. Вспомним хотя бы ужасный опыт, проделанный семьдесят лет назад над двумя городами, на которые были сброшены атомные бомбы: уже тридцать лет спустя они снова были полны жизни. Убить город чрезвычайно трудно! И в то же время убить животное или компанию сравнительно легко – даже самые могучие и, по-видимому, неуязвимые из них в подавляющем большинстве в конце концов умирают. Несмотря на непрерывный рост средней продолжительности человеческой жизни на протяжении последних 200 лет, ее максимальная продолжительность остается неизменной. Ни один человек не прожил более 123 лет, и лишь очень немногие компании просуществовали дольше этого срока: большинство исчезает через 10 лет после образования. Так почему же города могут сохранять жизнеспособность, в то время как подавляющее большинство компаний и организмов умирает?

Смерть – неотъемлемая часть биологической и социально-экономической жизни: почти все на свете рождается, живет и в конце концов умирает. Однако и общество, и наука склонны подавлять и игнорировать серьезные исследования смерти и размышления о ней, в отличие от рассмотрения рождения и жизни. Лично я начал всерьез задумываться о старении и смерти только после пятидесяти лет. В двадцать, тридцать, сорок и даже пятьдесят лет вопрос моей собственной смертности не особенно меня заботил: я бессознательно поддерживал распространенный среди «молодежи» миф о собственном бессмертии. Однако в моем роду было много рано умерших мужчин, так что, возможно, где-то после пятидесяти я неизбежно должен был начать осознавать, что лет через пять-десять я вполне могу умереть, и с моей стороны было бы осмотрительно начать задумываться о том, что это значит.

Наверное, можно предположить, что истоки всех религий и философских воззрений лежат в том, как мы включаем в свою повседневную жизнь неизбежное приближение смерти. Поэтому я начал размышлять и читать о старении и смерти, сперва в терминах личных, психологических, религиозных и философских. Хотя это занятие оказалось чрезвычайно увлекательным, оно приносило больше вопросов, чем ответов. Но затем, в связи с другими событиями, о которых я еще расскажу в этой книге, я начал рассматривать эти проблемы с научной точки зрения, и по счастливой случайности это привело меня на путь, изменивший мою жизнь, как личную, так и профессиональную.

Для физика, размышляющего о старении и смерти, естественно было задаваться вопросами не только о возможных механизмах, заставляющих нас стареть и умирать, но и о том, откуда берется сам масштаб человеческой жизни. Почему никому не удалось прожить более 123 лет? Откуда происходят таинственные семьдесят лет, которые Ветхий Завет устанавливает длительностью «дней наших лет»[9]? Можем ли мы, хотя бы теоретически, прожить до тысячи лет, как мифический Мафусаил? И вместе с тем большинство компаний проживает всего по нескольку лет. Половина американских котируемых на бирже компаний исчезает в течение десяти лет с момента выхода на рынок. Хотя очень немногочисленному меньшинству удается прожить гораздо дольше, кажется, что все они обречены рано или поздно отправиться вслед за компаниями Montgomery Ward, TWA, Studebaker и Lehman Brothers[10]. Почему? Можно ли разработать серьезную механистическую теорию, позволяющую понять не только нашу собственную смертность, но и смертность компаний? Можно ли представить себе возможность численного выражения процессов старения и смерти компаний и, следовательно, хотя бы приблизительного «предсказания» продолжительности их жизни? И что такое есть у наших городов, что позволяет им избегать этой, кажущейся неизбежной, судьбы?

4. Энергия, метаболизм и энтропия

Рассмотрение этих проблем приводит к естественному вопросу: откуда берутся все остальные жизненные масштабы? Почему, например, мы спим каждую ночь приблизительно по восемь часов, в то время как мыши спят по пятнадцать, а слоны – всего по четыре? Почему самые высокие деревья вырастают до сотни метров, а не до километра? Почему крупнейшие компании перестают расти, когда их активы достигают половины триллиона долларов? И почему в каждой из наших клеток содержится около пятисот митохондрий?

Чтобы ответить на такие вопросы и добиться численного и механистического понимания таких процессов, как старение и смертность, идет ли речь о людях, слонах, городах или компаниях, прежде всего необходимо понять, как именно растут все эти системы и как они остаются в живых. В биологии управление ростом и жизнью, а также их поддержку обеспечивает процесс обмена веществ – метаболизм. Его численным выражением служит уровень метаболизма, то есть количество энергии в секунду, необходимое для поддержания жизни организма. Для человека он равен 2000 пищевых калорий[11] в сутки, что, как это ни удивительно, соответствует приблизительно 90 ваттам, то есть мощности обычной лампочки накаливания. Как видно на рис. 1, мы имеем уровень метаболизма, «правильный» для млекопитающего наших размеров. Таков наш биологический метаболизм, соответствующий существованию животного, развившегося естественным путем. Животному общественному, живущему теперь в городе, для выживания по-прежнему требуется лишь пища в количестве, соответствующем мощности лампочки, но кроме того, ему теперь необходимы дома, отопление, освещение, автомобили, дороги, самолеты, компьютеры и так далее. В связи с этим для поддержания существования среднего жителя Соединенных Штатов требуется ошеломляюще большое количество энергии – 11 000 Вт. Этот социальный метаболизм эквивалентен сумме всех потребностей целой дюжины слонов. Кроме того, при этом переходе из биологической сферы в социальную наша суммарная численность возросла с нескольких миллионов до семи с лишним миллиардов. Неудивительно, что нам грозят энергетические кризисы и нехватка природных ресурсов.

Ни одна из этих систем, ни «естественная», ни рукотворная, не может работать без непрерывного притока энергии и других ресурсов, которые нужно преобразовывать в нечто «полезное». Я позаимствую биологическую концепцию и буду называть все такие процессы преобразования энергии метаболизмом. В зависимости от сложности данной системы получаемая полезная энергия может распределяться между выполнением физической работы, пополнением энергетических запасов организма, ростом и воспроизводством. У человека, заметно отличающегося от всех прочих существ, значительная часть метаболической энергии расходуется на формирование сообществ и организаций – городов, деревень, компаний и коллективов, – на изготовление необычайно разнообразных артефактов и воплощение поразительно широкого спектра идей, от самолетов, сотовых телефонов и соборов до симфоний, математических теорем, литературных произведений и многого, многого другого.

Однако мы часто забываем о том, что без непрерывного поступления энергии и природных ресурсов не может быть не только изготовления всех этих вещей, но и, что, быть может, еще более важно, вообще никаких идей, инноваций, роста или развития. Энергия первична. Она лежит в основе всего, что мы делаем, и всего, что происходит вокруг нас. Поэтому ее значение для всех рассматриваемых вопросов будет еще одним лейтмотивом, проходящим через всю эту книгу. Каким бы очевидным ни казалось это соображение, в концептуальном мышлении экономистов и социологов обобщенное понятие энергии играет на удивление малую роль, если вообще принимается во внимание.

За преобразование энергии всегда приходится платить – бесплатных завтраков не бывает. Поскольку энергия лежит в основе преобразований и работы буквально всего, работа ни одной системы не обходится без последствий. Собственно говоря, существует такой ненарушимый фундаментальный закон природы, называемый Вторым началом термодинамики, который гласит, что при любом преобразовании энергии в полезную форму происходит и производство низкокачественного побочного продукта, «бесполезной энергии». Этот процесс неизбежно сопровождается «непреднамеренными последствиями» в форме неорганизованного выделения недоступной для использования теплоты или непригодных к использованию продуктов. Вечный двигатель невозможен[12]. Чтобы жить, чтобы поддерживать и обслуживать высокоорганизованные функции разума и тела, нам необходимо есть. Но после еды нам рано или поздно бывает нужно сходить в туалет. В этом заключается физическое проявление нашего личного вклада в увеличение энтропии.

Немецкий физик Рудольф Клаузиус в 1865 г. назвал это фундаментальное, всеобщее свойство, порожденное происходящим путем обмена энергией и другими ресурсами взаимодействием между всеми сущностями, энтропией. При каждом использовании или преобразовании энергии для создания или поддержания порядка в замкнутой системе неизбежно появляется некоторый беспорядок: энтропия всегда возрастает. Кстати говоря, само греческое слово ἐντροπία означает «превращение» или «развитие». Чтобы вы не подумали, что этот закон можно как-нибудь нарушить, стоит процитировать мнение, высказанное по этому поводу Эйнштейном: «Это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что… она никогда не будет опровергнута». Он не исключал из этого утверждения и свои собственные законы относительности.

Второе начало термодинамики неизбежно угрожает нам и всему, что нас окружает, подобно смерти, налогам и дамоклову мечу. Диссипативные силы, аналогичные неорганизованному выделению теплоты при трении, непрерывно и неостановимо увеличивают износ любых систем. Сколь угодно блестяще спроектированная машина, сколь угодно творчески организованная компания, сколь угодно высокоразвитый организм не могут избежать встречи с этим беспощаднейшим из жнецов[13]. Поддержание порядка и структуры в развивающейся системе требует непрерывной подачи и использования энергии, побочным продуктом которых является возникновение беспорядка. Именно поэтому нам нужно есть, чтобы оставаться в живых, чтобы бороться с неизбежными, разрушительными силами производства энтропии. Энтропия убивает. В конечном счете на всех нас действуют «износ и амортизация» во всех своих многочисленных видах. Борьба с энтропией путем непрерывного потребления все новой энергии для роста, обновления, содержания и восстановления, которая становится все более и более трудной по мере старения системы, лежит в основе любого серьезного обсуждения старения, смертности, жизнестойкости и устойчивости, будь то в применении к организмам, компаниям или городам.

5. Размер все-таки важен: масштабирование и нелинейное поведение

В основном я буду рассматривать все эти разнообразные и, как может показаться, не связанные друг с другом вопросы через призму масштаба, оставаясь при этом в рамках концептуальной системы естественных наук. Масштабы и масштабирование, то есть то, как нечто изменяется при изменении размеров, а также основные правила и принципы, которым они подчиняются, составляют центральную тематику всей этой книги и используются в качестве отправных точек почти всех представленных в ней рассуждений. При рассмотрении с этой точки зрения оказывается, что возникновение и принципы действия городов, компаний, растений, животных, нашего тела и даже опухолей имеют поразительно сходные черты. Каждая из этих систем представляет собой интереснейшую вариацию на общую, универсальную тему, которая проявляется в на удивление систематических математических закономерностях и сходствах их организации, структуры и динамики. Я покажу, что такие сходства вытекают из широкой, обобщенной концептуальной структуры, позволяющей получить общий объединяющий метод понимания всех этих разнородных систем, а также рассмотреть, проанализировать и разрешить многие фундаментальные вопросы.

В простейшем смысле этого слова масштабирование попросту обозначает то, как система реагирует на изменение своих размеров. Что происходит с городом или компанией, когда их размер увеличивается в два раза? Что произойдет со зданием, самолетом, экономикой или животным, если их размер в два раза уменьшится? Если население города удвоится, будет ли в получившемся городе иметься приблизительно вдвое больше дорог, совершаться вдвое больше преступлений и создаваться вдвое больше патентов? Удваиваются ли доходы компании при удвоении объема продаж и требуется ли животному половинного веса вдвое меньше пищи?

Рассмотрение таких, казалось бы, невинных вопросов о реакции систем на изменение их размеров приводит к замечательно глубоким выводам во всех отраслях науки и техники и оказывает влияние чуть ли не на все аспекты нашей жизни. Изучение масштабирования стало основой глубокого понимания динамики граничных состояний и фазовых переходов (например, замерзания жидкостей в твердые вещества или их испарения в газообразное состояние) или хаотических явлений (например, «эффекта бабочки», который якобы приводит к тому, что взмах крыльев бабочки в Бразилии вызывает ураган во Флориде), открытия кварков (структурных элементов материи), объединения фундаментальных сил природы и эволюции Вселенной после Большого взрыва. Это лишь несколько наиболее ярких иллюстраций той решающей роли, которую аргументы, связанные с масштабированием, сыграли в освещении важных универсальных принципов или структур[14].

В практическом контексте масштабирование играет жизненно важную роль в проектировании все более крупных рукотворных объектов и машин – зданий, мостов, кораблей, самолетов и компьютеров, – в котором поиск действенных и экономичных методов экстраполяции от малого к большому остается неизменно трудной задачей. Еще более трудную и, возможно, более острую проблему представляет собой понимание принципов масштабирования организационной структуры все более крупных и сложных социальных организаций – компаний, корпораций, городов и правительств. Принципы, лежащие в основе этих непрерывно развивающихся, сложных адаптивных систем часто оказываются еще менее понятными.

Существенно недооцененной остается и та скрытая роль, которую масштабирование играет в медицине. Значительная часть научно-технических исследований, касающихся болезней, новых лекарств и лечебных процедур, проводится с использованием в качестве «модельной» системы мышей. Отсюда немедленно возникает жизненно важный вопрос: каким образом результаты этих исследований и экспериментов можно масштабировать на человека? Например, на исследования рака у мышей каждый год тратятся огромные средства. При этом у мыши в среднем возникает за год гораздо больше опухолей на грамм тканей, чем у человека, а у китов их и вовсе почти не бывает. Спрашивается, насколько применимы результаты таких исследований к человеку? Можно сформулировать эту мысль несколько иным образом: чтобы такие исследования позволили нам получить глубокое понимание и решение проблемы рака у человека, нам необходимо точно знать, как масштабируется организм – как при увеличении размеров, от мыши к человеку, так и при их уменьшении, от китов к меньшим животным. Такие дилеммы будут обсуждаться в главе 4, в которой мы будем рассматривать проблемы масштабирования, присущие биологии, медицине и здравоохранению.

Здесь я хотел бы заново рассмотреть отдельные широко используемые концепции и термины, многим из нас до некоторой степени знакомые – поскольку они употребляются в повседневной речи, – но часто неверно понимаемые. Это позволит нам в самом начале наших исследований ввести некоторые из понятий, используемых на протяжении всей этой книги, и обеспечить одинаковое их понимание.

Итак, вернемся к заданному выше простому вопросу: требуется ли животному половинного веса вдвое меньше пищи? Можно предположить, что ответ на этот вопрос будет утвердительным, так как уменьшение веса в два раза означает двукратное уменьшение числа клеток, которым требуется питание. Из этого следовало бы, что «вдвое меньшему нужно вдвое меньше» и, наоборот, «вдвое большему нужно вдвое больше». Здесь мы находим простейший пример классического линейного мышления. Как это ни удивительно, линейное мышление, несмотря на всю его кажущуюся простоту, не всегда легко распознать, потому что оно часто подразумевается, но не выражается явно.

Например, обычно остается непонятым тот факт, что повсеместное использование подушных измерений для описания и составления рейтингов стран, городов, компаний и экономических систем – это скрытое проявление такого мышления. Возьмем простой пример. В 2013 г. валовой внутренний продукт (ВВП) США оценивался приблизительно в 50 тысяч долларов на душу населения, то есть можно сказать, что в среднем по всей национальной экономике каждый человек произвел «товаров» на 50 тысяч долларов. Поскольку ВВП агломерации Оклахома-Сити, население которой составляет около 1,2 миллиона человек, равен приблизительно 60 миллиардам долларов, ее ВВП на душу населения (60 миллиардов, разделенные на 1,2 миллиона) действительно близок к среднему по Соединенным Штатам, то есть 50 тысячам. Если экстраполировать эти данные на город в десять раз больший, с населением 12 миллионов человек, его ВВП должен быть равен 600 миллиардам (произведению 50 тысяч на душу населения на 12 миллионов человек), то есть в десять раз больше, чем у Оклахома-Сити. Однако на самом деле ВВП агломерации Лос-Анджелеса, которая именно в десять раз больше, чем Оклахома-Сити, и имеет 12 миллионов населения, превышает 700 миллиардов долларов, что отличается от результата линейной интерполяции, неявно заложенной в применении подушных измерений, более чем на 15 %.

Разумеется, это всего лишь один пример, который можно считать особым случаем: Лос-Анджелес просто богаче, чем Оклахома-Сити. Хотя это и так, оказывается, что недооценка, получаемая при сравнении Оклахома-Сити с Лос-Анджелесом, – вовсе не особый случай. Напротив, это пример общей систематической тенденции, справедливой для всех городов всего мира: простая линейная пропорциональность, неявно заложенная в подушные измерения, почти никогда не дает верных результатов. ВВП, как и почти все другие измеряемые характеристики города – да и почти всех сложных систем вообще, – обычно масштабируется нелинейным образом. Впоследствии я буду более точно говорить о том, что это значит и что из этого следует, но пока можно просто считать, что нелинейное поведение означает, что измеряемые характеристики системы не просто увеличиваются вдвое при удвоении ее размеров. Так, в приведенном примере можно сказать, что по мере увеличения размеров города происходит систематический рост величины подушного ВВП, а также средней зарплаты, уровня преступности и многих других характеристик города. Это отражает одну существенную особенность всех городов, а именно тот факт, что социальная активность и экономическая производительность систематически возрастают с ростом численности населения. Экономисты и социологи называют такую систематическую «прибавку к стоимости» увеличенной отдачей от масштаба, а физики предпочитают более привлекательный термин – суперлинейное масштабирование.

Важный пример нелинейного масштабирования можно найти в биологии, если рассмотреть количество пищи и энергии, ежедневно потребляемых животными (в том числе и нами) для выживания. Как ни странно, животному, большему другого в два раза и, следовательно, состоящему приблизительно из удвоенного числа клеток, ежедневно требуется пищи и энергии всего на 75 % больше, а не на 100 %, как можно было бы заключить из наивной линейной экстраполяции. Например, женщине, весящей 54 кг, для простого выживания без какой-либо деятельности или выполнения каких-либо задач требуется в среднем около 1300 пищевых калорий в сутки. Биологи и врачи называют эту величину основным обменом, в отличие от активного метаболизма, который включает в себя всю связанную с жизнью суточную активность. В то же время ее собаке, крупному бобтейлу, который весит в два раза меньше хозяйки (27 кг) и, следовательно, имеет приблизительно в два раза меньше клеток, казалось бы, нужно для выживания в два раза меньше пищевой энергии, то есть около 650 пищевых калорий. На самом же деле такой собаке требуется около 880 пищевых калорий в сутки.

Хотя собака – это не уменьшенная женщина, этот пример является частным случаем общего правила масштабирования метаболизма в зависимости от размеров. Оно действует для всего спектра млекопитающих, от мельчайших землероек весом всего несколько граммов до гигантских синих китов, весящих в сотни миллионов раз больше. Фундаментальное следствие из этого правила состоит в том, что более крупное животное (в этом примере – женщина) имеет больший удельный коэффициент полезного действия на грамм массы, чем животное меньшего размера (ее собака), так как для поддержки существования каждого грамма его тела требуется меньше энергии (приблизительно на 25 %). К слову, у ее лошади этот КПД будет выше. Такое систематическое повышение производительности с увеличением размера известно под названием экономии на масштабе. В самых общих чертах этот принцип гласит, что чем больше размер, тем меньше ресурсов на душу населения (или, в случае животных, на клетку или на грамм массы тела) требуется для выживания. Отметим, что такое поведение противоположно случаю увеличенной отдачи от масштаба, которая проявлялась в ВВП городов: если там подушная величина возрастала с увеличением размеров, то в случае экономии на масштабе подушная величина становится тем меньше, чем больше размер. Такое масштабирование называют сублинейным масштабированием.

Размеры и масштаб играют важную роль в определении черт поведения, общих для чрезвычайно сложных, развивающихся систем, и значительная часть этой книги посвящена объяснению и пониманию такого нелинейного поведения, а также возможностей его использования для рассмотрения широкого круга вопросов, примеры которых взяты из самых разных отраслей науки, техники, экономики и бизнеса, а также повседневной жизни, научной фантастики и спорта.

6. Масштабирование и сложность: возникновение, самоорганизация и жизнестойкость

На немногочисленных предшествующих страницах я уже успел несколько раз употребить термин сложность и бесцеремонно называл системы сложными, как если бы это название было и хорошо понятным, и точно определенным. На самом деле и то и другое неверно, и я хотел бы сделать здесь небольшое отступление, чтобы поговорить об этом изрядно перегруженном понятии. Дело в том, что почти все те системы, о которых я собираюсь говорить, обычно считают «сложными».

Далеко не я один использую это слово и его многочисленные производные походя, не давая ему определения. За последнюю четверть века такие термины, как сложные адаптивные системы, теория сложности, эмерджентное поведение, самоорганизация, жизнестойкость и адаптивная нелинейная динамика, начали распространяться не только в научной литературе, но и в публикациях делового и корпоративного мира, а также в неспециальных средствах массовой информации.

Чтобы подготовить почву для этого разговора, я хотел бы процитировать двух выдающихся мыслителей, физика и юриста. Первый из них – это знаменитый физик Стивен Хокинг. На рубеже этого тысячелетия он давал интервью[15], в котором ему задали следующий вопрос:

– Некоторые утверждают, что если ХХ век был веком физики, то сейчас мы стоим на пороге века биологии. Что вы об этом думаете?

Хокинг ответил:

– Я думаю, что следующий век будет веком сложности.

Я всецело разделяю это мнение. Как, надеюсь, я уже объяснил, для решения множества встающих перед нами сложных общественных проблем нам срочно нужна теория сложных адаптивных систем.

Вторая цитата – это хорошо известное высказывание Поттера Стюарта, выдающегося судьи Верховного суда США. Во время обсуждения концепции порнографии и ее отношения к свободе слова при рассмотрении исторического дела 1964 г. он высказал следующее замечание:

Я не стану сейчас пытаться более точно определить, какие материалы, по моему мнению, подпадают под это краткое описание [ «жесткой порнографии»]; может быть даже, я никогда не смогу дать этому более внятное определение. Однако, когда я увижу порнографию, я ее узнаю.

Если подставить вместо слов «жесткая порнография» слово «сложность», получится именно то, что могут сказать многие из нас: возможно, мы не можем определить ее, но мы узнаем ее, когда увидим.

К сожалению, однако, если «узнавать, когда увидишь» и достаточно для Верховного суда США, то науке этого мало. Наука тем и славится, что ее развитие основывается на четкости и достоверности описания предметов, которые она изучает, и концепций, которые она использует. Как правило, мы требуем, чтобы они были точными, недвусмысленными и потенциально измеримыми. В качестве классических примеров величин, точно определенных в физике, но используемых в обиходном или метафорическом смысле в повседневном языке, можно вспомнить об импульсе, энергии и температуре. При этом, однако, существует немалое число действительно важных концепций, точное определение которых все еще вызывает нешуточные споры. В их число входят понятия жизни, инноваций, сознания, любви, устойчивости, города и, между прочим, сложности. Поэтому я не буду пытаться дать научное определение сложности, а изберу промежуточный путь и опишу то, что я считаю существенными элементами типичных сложных систем, по которым мы сможем узнать их, когда увидим, и отличить их от систем, которые можно назвать простыми или «просто» очень усложненными, но не обязательно сложными. Это обсуждение ни в коем случае не следует считать полным, но оно должно помочь в понимании наиболее заметных черт того, что мы подразумеваем под названием сложных систем[16].

Типичная сложная система состоит из великого множества индивидуальных составляющих, или агентов, которые, будучи собраны вместе, приобретают коллективные характеристики, обычно не проявляющиеся в свойствах самих отдельных компонентов и непредсказуемые на их основе. Например, вы – нечто гораздо большее, чем сумма составляющих вас клеток, а каждая из ваших клеток точно так же есть нечто гораздо большее, чем сумма всех молекул, из которых она состоит. То, что вы считаете собой – ваше сознание, ваша личность, ваш характер, – есть коллективное проявление множественных взаимодействий между нейронами и синапсами вашего мозга. Они, в свою очередь, непрерывно участвуют во взаимодействиях с клетками других частей вашего тела, многие из которых являются составляющими полуавтономных органов, например сердца или печени. Кроме этого, все они в той или иной степени непрерывно взаимодействуют с окружающим миром. Более того, каким бы парадоксальным это ни казалось, ни одна из приблизительно 100 триллионов клеток, составляющих ваше тело, не обладает свойствами, которые вы признали или определили бы в качестве именно вашей сущности; ни одна из них также не осознает и не знает, что является вашей составной частью. Каждая из них, так сказать, обладает своими собственными конкретными характеристиками и следует своим собственным правилам поведения и взаимодействия, в результате чего почти что чудом образует совместно со всеми остальными клетками вашего тела то, чем являетесь вы. И это происходит, несмотря на широчайший диапазон масштабов, как пространственных, так и временных, действующих в вашем теле, от микроскопического молекулярного уровня до макроскопических масштабов вашей повседневной жизни в течение всей ее продолжительности, до сотни лет. Вы – настоящий эталон сложной системы.

Аналогичным образом город – это нечто гораздо большее, чем простая сумма его зданий, дорог и жителей, компания – нечто гораздо большее, чем простая сумма ее сотрудников и продукции, а экосистема – нечто гораздо большее, чем простая сумма населяющих ее растений и животных. Экономические результаты, динамика жизни, творческая атмосфера и культура города или компании возникают из нелинейной природы множественных механизмов обратной связи, воплощенных во взаимодействиях между их жителями или сотрудниками, их инфраструктурой и окружающей средой.

Замечательный пример такой системы дает знакомый всем нам муравейник. Всего за несколько дней муравьи буквально строят свой город с нуля, собирая его по крупинке. Они возводят замечательные здания, в которых есть многоуровневые сети туннелей и камер, вентиляционные системы, продуктовые склады и инкубаторы, причем для поддержки всего этого предусмотрены сложные транспортные сети. Лучшие из наших инженеров, архитекторов и градостроителей признали бы эффективность, прочность и функциональность этих построек достойными самых высоких наград, если бы у них были проектировщики и строители. Однако никаких маленьких, но гениальных (да, собственно говоря, даже и посредственных) муравьев-инженеров, муравьев-архитекторов и муравьев-градостроителей нет и никогда не было. Тут нет никого главного.

Муравейники строятся без предварительного обдумывания и без помощи индивидуального разума или коллективных обсуждений или консультаций. Нет ни чертежей, ни проектов. Есть лишь тысячи муравьев, которые бездумно работают вслепую, перемещая миллионы крупинок земли и песка, из которых и складываются эти впечатляющие постройки. Это достижение – результат того, что каждый отдельный муравей следует всего нескольким простым правилам, передаваемым ему химическими стимулами и другими сигналами, а все вместе они совершают поразительно согласованную коллективную работу. Почти что можно подумать, что муравьи запрограммированы на выполнение микроскопических операций в рамках одного гигантского компьютерного алгоритма.

Кстати об алгоритмах. компьютерные модели таких процессов успешно воспроизводят результаты такого типа, в которых сложное поведение возникает из непрерывного повторения действий индивидуальных агентов по чрезвычайно простым правилам. Эти модели придали вес идее о том, что умопомрачительные динамика и организация систем высокой сложности происходят из очень простых правил, управляющих взаимодействием между их отдельными составляющими. Это открытие стало возможным лишь около тридцати лет назад, когда появились компьютеры, достаточно мощные для выполнения таких крупномасштабных расчетов. Сегодня такие вычисления легко можно произвести на обычном портативном компьютере. Эти компьютерные исследования сыграли важную роль в получении убедительного подтверждения идеи о том, что в основе сложности, которую мы наблюдаем во многих таких системах, на самом деле может лежать простота, и, следовательно, эти системы могут быть доступны для научного анализа. Так в поле нашего зрения появилась теоретическая возможность создания серьезной численной теории сложности, к которой мы еще вернемся.

Таким образом, общая характеристика сложной системы, вообще говоря, состоит в том, что ее целое больше, чем простая линейная сумма ее составных частей, – и зачастую существенно отличается от нее. Во многих случаях кажется, что такое целое живет своей жизнью, почти ничем не связанной с конкретными характеристиками отдельных составляющих его элементов. Более того, даже если мы понимаем, как взаимодействуют между собой индивидуальные составляющие, будь то клетки, муравьи или люди, это обычно не позволяет нам предсказать системное поведение образованного ими целого. Этот коллективный результат, в котором система проявляет свойства, существенно отличные от получающихся при простом сложении отдельных вкладов всех составляющих ее элементов, называют эмерджентным поведением. Оно является хорошо заметной особенностью экономических систем, финансовых рынков, городских сообществ, компаний и организмов.

Самый важный урок, который мы извлекаем из этих исследований, заключается в том, что во многих из таких систем нет центрального управления. Например, при строительстве муравейника ни один из муравьев не имеет никакого понятия о том грандиозном предприятии, в котором он участвует. Муравьи некоторых видов даже используют в качестве строительного материала для сооружения своих замысловатых построек свои собственные тела: кочевые муравьи и огненные муравьи сцепляются в плоты и мосты, которые они используют для преодоления водных преград и других препятствий, встречающихся им в набегах за продовольствием. Здесь речь идет о так называемой самоорганизации. Это эмерджентное поведение, в рамках которого составные части объединяются, образуя эмерджентное (вновь возникающее) целое. Это же происходит при образовании социальных групп людей – например, книжных клубов или политических кампаний, – человеческих органов, которые можно считать результатом самоорганизации составляющих их клеток, или же городов, в которых можно увидеть проявление самоорганизации их жителей.

С концепциями эмерджентности и самоорганизации тесно связана еще одна важная характеристика сложных систем – их способность к адаптации и развитию в случае изменения внешних условий. Разумеется, наилучшим примером такой сложной адаптивной системы является сама жизнь во всех своих необычайных проявлениях, от клеток до городов. Разумеется, дарвиновская теория естественного отбора – это научная концепция, созданная именно для того, чтобы объяснить и описать непрерывный процесс развития организмов и экосистем и их адаптации к изменяющимся условиям.

Изучение сложных систем научило нас осторожному отношению к наивному разбиению систем на независимо действующие составные части. Более того, малое возмущение в одной из частей системы может привести к гигантским последствиям в других ее частях. Системе могут быть свойственны внезапные и, по-видимому, непредсказуемые изменения – классическим примером таких изменений можно считать биржевой крах. Одна или несколько тенденций могут усиливать другие тенденции в контуре с положительной обратной связью, в результате чего такой процесс быстро становится неуправляемым и переходит через пограничное состояние, по другую сторону которого поведение системы изменяется самым радикальным образом. Весьма зрелищным проявлением этого процесса был глобальный крах финансовых рынков 2008 г., имевший потенциально катастрофические социальные и экономические последствия для всего мира, порожденный неправильным пониманием динамики местечкового и сравнительно локализованного рынка американской недвижимости.

Лишь в течение последних тридцати лет ученые начали всерьез рассматривать задачи изучения сложных адаптивных систем как таковых и искать новые пути их исследования. На основе этих исследований естественным образом возник интегрированный, систематический междисциплинарный подход, включающий в себя широкий диапазон методик и концепций, позаимствованных из разных областей науки, от биологии, экономики и физики до информатики, инженерии и социально-экономических исследований. Из этих исследований можно сделать один важный вывод, состоящий в том, что, хотя подробное предсказание поведения таких систем обычно оказывается невозможным, в некоторых случаях можно получить приближенное численное описание среднего состояния наиболее заметных параметров такой системы. Например, хотя мы никогда не сможем точно предсказать дату смерти конкретного человека, понять, почему продолжительность человеческой жизни составляет порядка ста лет, должно быть вполне в наших силах. Применение таких численных методов к задачам, связанным с устойчивостью и долговременной жизнеспособностью нашей планеты, имеет первостепенное значение, поскольку в них уже заложено предположение о существовании тех взаимосвязей и взаимозависимостей, которые столь часто исключаются из рассмотрения существующими методиками.

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 (10^4, 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 (10^3, 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).

В сетях млекопитающих, рыб, птиц, растений, клеток и целых экосистем, несмотря на различия их конструкций, образовавшихся в результате эволюции, действуют одни и те же основополагающие принципы и свойства. Будучи выражены в математических терминах, они не только приводят к объяснению происхождения универсальных степенных законов масштабирования с показателями, кратными ¼, но и позволяют получить численные предсказания относительно фундаментальных характеристик этих систем, в том числе, например, размеров самых мелких и самых крупных млекопитающих (землероек и китов), напора крови и частоты пульса в любом сосуде кровеносной системы любого млекопитающего, высоты самого высокого дерева во всех Соединенных Штатах, длительности сна у слонов и мышей или структуры сосудистой системы опухолей[19].

Они же приводят нас к теории роста. Рост можно рассматривать в качестве особого случая явления масштабирования. Взрослый организм – это, по сути дела, результат нелинейного увеличения ребенка; чтобы убедиться в этом, сравните пропорции своего тела с пропорциями младенца. На любом этапе развития рост осуществляется путем распределения метаболической энергии, передаваемой по сетям клеткам уже существующим, для образования новых клеток, из которых составляются новые ткани. Этот процесс можно проанализировать при помощи теории сетей и вывести универсальную численную теорию кривых роста, применимую к любым организмам, в том числе и опухолям. Кривая роста – это попросту график зависимости размеров организма от его возраста. Если у вас есть дети, вы наверняка знакомы с такими кривыми, так как педиатры все время показывают их родителям, чтобы те могли увидеть, как развитие их детей соотносится с уровнями, ожидаемыми для среднестатистического ребенка соответствующего возраста. Теория роста также объясняет один любопытный парадокс, над которым вы, возможно, уже задумывались, а именно тот факт, что мы в какой-то момент перестаем расти, хотя и не перестаем есть. Оказывается, это явление вытекает из сублинейного масштабирования метаболизма и экономии на масштабе, свойственных такой сетевой конструкции. В одной из следующих глав та же парадигма будет применена к росту городов, компаний и экономических систем для разъяснения фундаментального вопроса о происхождении неограниченного роста и возможности его устойчивости.

Поскольку сети определяют скорость подачи в клетки энергии и других ресурсов, они задают темп всех физиологических процессов. Поскольку клетки крупных организмов вынуждены работать систематически медленнее, чем клетки организмов более мелких, темп жизни систематически снижается с ростом размеров. Так, крупные млекопитающие дольше живут, дольше взрослеют и имеют более медленное сердцебиение и клетки, работающие менее интенсивно, чем у мелких млекопитающих, причем степень всех этих различий одинакова и предсказуема. Мелкие создания живут стремительно, а крупные идут по жизни тяжеловесно, но зато более эффективно: вообразите себе суетливо мечущуюся мышку на фоне величественно выступающего слона.

Приняв на вооружение такой образ мыслей, мы перейдем к вопросу о том, как парадигму сетей и масштабирования, успешно укоренившуюся в сфере биологии, можно было бы с пользой применить к аналогичным вопросам динамики, роста и структуры городов и компаний с тем, чтобы разработать аналогичную механистическую теорию городов и компаний. Она, в свою очередь, будет использована в качестве отправной точки для рассмотрения наиболее важных вопросов глобальной устойчивости и проблем, создаваемых постоянными инновациями и увеличением темпа жизни.

8. Города и глобальная устойчивость: инновации и циклы сингулярностей

Масштабирование как проявление основополагающей сетевой теории предполагает, что в том, что касается измеряемых характеристик и черт, кита, несмотря на все различия внешнего вида и среды обитания, с хорошей точностью можно считать увеличенным слоном, слона – увеличенной собакой, а собаку, в свою очередь, – увеличенной мышью. Все они на 80–90 % являются масштабными версиями друг друга и подчиняются предсказуемым нелинейным математическим правилам. Иначе говоря, все когда-либо существовавшие млекопитающие, не исключая и нас с вами, в среднем и приближенно представляют собой масштабные версии некоего единого идеального животного. Может ли то же самое относиться к городам и компаниям? Можно ли считать Нью-Йорк увеличенным Сан-Франциско, его – увеличенным Бойсе, а тот – увеличенным Санта-Фе? Является ли Токио увеличенной Осакой, Осака – увеличенным Киото, а Киото – увеличенной Цукубой? Несомненно, все эти города, даже взятые в контексте городских систем[20] одной и той же страны, выглядят по-разному и отличаются друг от друга историей, географией и культурой. Однако то же можно сказать и о китах, лошадях, собаках и мышах. Дать серьезные ответы на такие вопросы можно лишь одним способом – рассмотрев соответствующие данные.

Анализ таких данных замечательным образом показывает, что инфраструктура города – например, протяженность дорог, электрических проводов, водопроводных труб, а также число бензоколонок – одинаково масштабируется в зависимости от численности его населения, будь то в Соединенных Штатах, Китае, Японии, Европе или Латинской Америке. Как и в биологии, масштабирование этих величин в зависимости от размера сублинейно, что указывает на наличие систематической экономии на масштабе, но степенной показатель составляет не 0,75, а около 0,85. Таким образом, чем больше город, тем меньше требуется дорог и электрических проводов на душу его населения, где бы в мире он ни находился. Оказывается, города, как и организмы, действительно являются масштабными версиями друг друга, несмотря на все различия их истории, географического положения и культуры, – по крайней мере в том, что касается их физической инфраструктуры.

Возможно, еще более замечательно то, что они также являются масштабными версиями друг друга с точки зрения социально-экономической. Социально-экономические параметры – например, размеры зарплат и капиталов, уровень здоровья населения, число патентов, заболеваемость СПИДом, число преступлений и образовательных учреждений, – которые не имеют аналогов в биологии и вообще не существовали на Земле до того, как десять тысяч лет назад люди изобрели города, тоже масштабируются относительно численности населения, но с суперлинейным (то есть большим единицы) показателем, составляющим около 1,15. Пример такого масштабирования можно найти в графике числа патентов, создаваемых в городах, приведенном на рис. 3. Таким образом, в пересчете на душу населения все эти величины систематически возрастают в той же степени, что и размеры города, при одновременном и эквивалентном уменьшении величины всех инфраструктурных параметров в соответствии с их экономией на масштабе. Несмотря на поразительные разнообразие и сложность городов всего мира, несмотря на все различия местных программ городского планирования, параметры городов проявляют на удивление незамысловатую простоту, регулярность и предсказуемость[21].

Попросту говоря, масштабирование означает, что в городе, в два раза большем другого города той же страны (будь то города с населением 40 тысяч и 20 тысяч или 4 и 2 млн человек), размеры зарплат и капитала, число патентов, заболеваний СПИДом, преступлений с применением насилия и образовательных учреждений увеличивается почти в той же степени (приблизительно на 15 % больше точного удвоения), а удельный объем инфраструктуры уменьшается на такую же величину. Чем больше город, тем большим обладает отдельный его житель, тем больше он систематически производит и потребляет, идет ли речь о благах, ресурсах или идеях. И хорошие, и плохие, и злые оказываются объединены в приблизительно предсказуемые комплекты: человек может переехать в большой город, будучи привлечен бо́льшим количеством инноваций, бо́льшим ощущением «активности» и более высокой зарплатой, но при этом он может ожидать и аналогичного увеличения уровня преступности и заболеваемости.

Тот факт, что для различных городских параметров городов и агломераций, развивавшихся независимо в разных частях света, наблюдаются одни и те же законы масштабирования, является сильным аргументом в пользу существования неких основополагающих принципов, подобных тем, что существуют в биологии, и не зависящих от исторических, географических и культурных особенностей, а также в пользу возможности создания фундаментальной, приблизительной теории городов. В главе 8 я буду говорить о том, что неразрешимые противоречия между преимуществами и стоимостью социальных и инфраструктурных сетей происходят из лежащей в основе последних универсальной динамики сетевых социальных структур и групповой кластеризации взаимодействий между людьми. Города образуют естественный механизм получения преимуществ от высокой социальной связности между разными людьми, осознающими и решающими проблемы разнообразными способами. Я буду говорить о природе и динамике таких сетевых социальных структур и покажу, как возникают законы масштабирования, в том числе и любопытная связь между 15 %-м ростом всех, как положительных, так и отрицательных, видов социально-экономической активности и эквивалентной ему 15 %-й экономией физической инфраструктуры.

Когда люди начали образовывать крупные сообщества, они привнесли на нашу планету принципиально новую динамику. Изобретение языка и последующий обмен информацией в пространстве социальных сетей позволили нам научиться вводить инновации и создавать ценности и идеи, что в конечном итоге и привело к суперлинейному масштабированию. В биологии сетевая динамика ограничивает темп жизни, заставляя его систематически снижаться с увеличением размеров в соответствии со степенными законами с показателями, кратными ¼. Напротив, динамика социальных сетей, лежащая в основе создания ценностей и инноваций, порождает противоположное поведение, а именно систематическое увеличение темпа жизни с увеличением размеров городов. Болезни распространяются быстрее, предприятия возникают и закрываются чаще, сделки проводятся с большей скоростью, и даже люди в большом городе ходят быстрее – и все это следует правилу приблизительно 15 %-го увеличения. Все мы чувствуем, что жизнь в большом городе идет быстрее, чем в маленьком, и что ее темп повсеместно возрастает в течение нашей собственной жизни по мере увеличения городов и экономического роста.

Необходимым топливом роста являются энергия и другие ресурсы. В биологии в качестве движущей силы роста выступает метаболизм, сублинейный характер масштабирования которого приводит к предсказуемому, почти неизменному размеру в зрелом состоянии. С точки зрения традиционного экономического мышления такое состояние считалось бы катастрофическим, поскольку здоровые экономические системы, будь то на уровне города или целой страны, характеризуются неограниченным экспоненциальным ростом, по меньшей мере на несколько процентов в год и до бесконечности. Если сублинейное масштабирование уровня метаболизма приводит в биологии к ограничению роста, то суперлинейное масштабирование создания ценностей и инноваций (которое можно измерить, например, по числу выдаваемых патентов) приводит к неограниченному, часто превышающему экспоненциальный росту, согласующемуся с неограниченными экономическими системами. Такое соответствие не может не радовать, но есть одна большая проблема, известная под неприятным техническим названием сингулярности конечного времени. Суть ее сводится к тому, что теория также предсказывает, что неограниченный рост невозможно поддерживать, не располагая бесконечными ресурсами либо не производя фундаментальных, системных изменений, которые «обнуляли» бы отсчет времени до наступления потенциального краха. До сих пор мы поддерживали неограниченный рост и избегали краха благодаря непрерывному циклу радикально изменяющих систему инноваций, например связанных с величайшими в истории человечества открытиями и изобретениями – железа, пара, угля, вычислительной техники и, совсем недавно, цифровых информационных технологий. Один лишь перечень таких открытий, великих и малых, служит доказательством необычайной изобретательности коллективного разума человечества.

Однако и здесь, к сожалению, есть одна серьезная проблема. Теория утверждает, что такие открытия должны делаться со всевозрастающей частотой; время, проходящее между последовательными инновациями, должно систематически и неизбежно сокращаться. Например, между «компьютерным веком» и «информационно-цифровым веком» прошло лет двадцать, в то время как между каменным, бронзовым и железным веками проходили тысячелетия. Поэтому, если мы и дальше собираемся поддерживать непрерывный неограниченный рост, это приведет не только к неизбежному увеличению темпа жизни, но и к необходимости все большего увеличения частоты инноваций. Краткосрочное проявление этого принципа всем нам хорошо знакомо – речь идет о росте скорости появления все новых технических новинок и моделей. Ощущение такое, будто мы оказались на последовательности движущихся все быстрее беговых дорожек, да еще и вынуждены перепрыгивать с одной на другую со всевозрастающей частотой. Такая ситуация явно не может быть устойчивой и потенциально может привести к краху всей урбанизированной социально-экономической системы. Бесконтрольное создание ценностей и инноваций, питающее социальные системы, в то же время сеет потенциальные семена их неизбежного краха. Можем ли мы избежать этой судьбы, или же мы заперты в интереснейшем, но обреченном на неудачу эксперименте в области естественного отбора?

9. Компании и предприятия

Область применения этих идей естественно расширить, чтобы попытаться узнать, насколько они применимы к компаниям. Может ли существовать численная, обладающая предсказательной силой теория компаний? Проявляют ли компании систематические регулярные черты, не зависящие от их размеров и сферы деятельности? Например, можно ли считать, что в том, что касается торгового оборота и размеров активов, компании Walmart и Google, доходы которых превышают полтриллиона долларов, – это приблизительно увеличенные версии более мелких компаний с объемом продаж менее 10 миллионов? Как это ни удивительно, ответ на этот вопрос получается утвердительным, как видно из рис. 4: компании, подобно организмам и городам, также подчиняются простым степенным законам масштабирования. Не менее удивительно и то, что их масштабирование в зависимости от размеров сублинейно, а не суперлинейно, как социально-экономические параметры городов. В этом отношении компании гораздо более похожи на живые организмы, чем на города. Степенной показатель масштабирования компании составляет около 0,9, в то время как для городских инфраструктур он был равен 0,85, а для организмов – 0,75. Однако колебания вокруг точного уровня масштабирования у компаний гораздо больше, чем у организмов или городов. Особенно велики эти колебания на ранних стадиях развития компаний, на которых они еще сражаются за место на рынке. Тем не менее удивительная регулярность, проявляющаяся в среднем в их поведении, заставляет предположить, что, несмотря на их широкое разнообразие и кажущуюся индивидуальность, рост и деятельность компаний подчиняются общим ограничениям и принципам, не зависящим ни от их размера, ни от области их работы.

Сублинейное масштабирование метаболизма организмов обеспечивает прекращение их роста и определяет их размер в зрелом состоянии, который остается приблизительно неизменным до самой их смерти. Сходная жизненная траектория действует и для компаний. В первые годы своего существования они быстро растут, но по мере приближения к зрелости этот рост замедляется, и, если компания вообще выживает, она рано или поздно перестает расти относительно ВВП. В юности, когда компании пытаются оптимизировать свою рыночную позицию, развитие многих из них определяет целый спектр инновационных идей. Однако по мере их роста и стабилизации их положения диапазон их продукции неизбежно сужается, причем одновременно с этим они вынуждены развивать значительную административную и бюрократическую структуру. Сравнительно быстро экономия на масштабе и сублинейное масштабирование, отражающие задачи эффективного управления большой и сложной организацией, начинают доминировать над инновациями и идеями, заключенными в суперлинейном масштабировании, и это в конце концов приводит к застою и смерти. Половина всех предприятий любого из поколения компаний, котирующихся на американских биржах, исчезает в течение десяти лет, и лишь немногие доживают до пятидесяти, не говоря уже о ста[22].

По мере роста компании, как правило, становятся все более и более одномерными, что отчасти бывает вызвано воздействием рыночных сил, но также связано с неизбежным окостенением направленных сверху вниз административных и бюрократических потребностей, которые считаются необходимыми для управления компанией традиционного типа в современную эпоху. Осуществление изменений, адаптации и переосмысления становится все более затруднительным, особенно с учетом непрерывного ускорения социально-экономических часов и все большего роста скорости изменения условий существования. В то же время города по мере роста своих размеров становятся все более многомерными. Кроме того, города разительно отличаются от большинства компаний тем, что их разнообразие, определенное по числу разных типов работ и предприятий, образующих их экономический пейзаж, систематически и непрерывно возрастает с увеличением размеров города вполне предсказуемым образом. С учетом этого неудивительно, что кривые роста и смертности компаний чрезвычайно похожи на соответствующие кривые роста и смертности живых организмов. В обоих случаях наблюдаются систематически сублинейное масштабирование, экономия на масштабе, ограниченный рост и конечная продолжительность жизни. Более того, вероятность смерти, которую обычно называют уровнем смертности и определяют как частоту смертей относительно числа остающихся в живых, неизменна независимо от возраста животного или компании. Смертность котирующихся на бирже компаний в результате поглощений, слияний и банкротств остается той же независимо от того, насколько они солидны и чем они занимаются. Механистические основы понимания роста, смертности и организационной динамики компаний, а также их сравнение и противопоставление с ростом и смертностью живых организмов и неограниченным ростом и кажущимся «бессмертием» городов будут более подробно обсуждаться в главе 9.

Глава 2. Мера всех вещей

Введение в масштабирование

Прежде чем обратиться к многочисленным проблемам и вопросам, упомянутым во вступительной главе, я хотел бы посвятить эту главу общему введению в некоторые базовые концепции, которые используются во всем остальном тексте этой книги. Хотя некоторые из читателей могут быть уже знакомы с этим материалом, я хочу быть уверен в том, что все мы понимаем его одинаково.

Этот обзор составлен главным образом в историографическом ключе: он начинается с Галилея и объяснения того, почему не могут существовать гигантские насекомые, и заканчивается лордом Рэлеем и объяснением того, почему небо синее. Между этими пунктами я коснусь Супермена, ЛСД и дозировки медикаментов, индексов массы тела, кораблекрушений и истоков теории моделирования, а также связи всего этого с происхождением и природой инноваций и пределов роста. Я хочу использовать эти примеры прежде всего для того, чтобы дать представление о концептуальных возможностях математического мышления, ориентирующегося на понятие масштаба.

1. От Годзиллы до Галилея

Я, как и многие другие ученые, время от времени получаю от журналистов просьбы об интервью, обычно по каким-нибудь вопросам или проблемам, касающимся городов, урбанизации, окружающей среды, устойчивости, сложности или Института Санта-Фе, а иногда даже бозона Хиггса. Вообразите же мое удивление, когда ко мне обратилась одна журналистка из «Популярной механики» (Popular Mechanics), которая сообщила мне, что Голливуд собирается выпустить новую крупнобюджетную версию классического японского фильма «Годзилла», и поинтересовалась моим мнением по этому вопросу. Как вы, возможно, помните, Годзилла – это огромное чудовище, которое главным образом занимается тем, что слоняется по городам (в оригинале 1954 г. – по Токио), сея разрушения и хаос и наводя ужас на население.

Журналистка слышала, что я кое-что знаю о масштабировании, и просила меня «весело, простенько и по-научному рассказать о биологии Годзиллы (в связи с выходом нового фильма)… с какой скоростью такое большое животное может ходить… сколько энергии будет вырабатывать его обмен веществ, сколько оно могло бы весить и т. д.». Разумеется, этот новый американский Годзилла XXI в. был самым крупным из всех воплощений этого персонажа: его рост достигал целых 106 м, более чем вдвое превышая рост чудовища в исходном японском фильме, составлявший «всего» 50 м. Я немедленно ответил, что почти любой ученый, к которому она обратится, скажет ей, что никакое животное типа Годзиллы на самом деле существовать не может. Если бы оно состояло приблизительно из тех же базовых материалов, что и мы (то есть все живые существа), оно было бы нежизнеспособно, так как обрушилось бы под собственным весом.

Научное обоснование этого утверждения сформулировал более четырехсот лет назад, на заре современной науки, Галилей. Самую суть его составляет элегантное рассуждение о масштабировании: Галилей задался вопросом о том, что произойдет, если попытаться бесконечно увеличивать животное, дерево или здание, и выяснил, что у такого увеличения имеются пределы. Его рассуждение стало базовым шаблоном для всех последующих рассуждений о масштабировании вплоть до настоящего времени.

Галилея не зря часто называют «отцом современной науки», имея в виду его многочисленные фундаментальные вклады в физику, математику, астрономию и философию. Наверное, более всего известны его легендарные опыты, в которых он бросал предметы разных размеров, изготовленные из разных материалов, с вершины наклонной Пизанской башни, чтобы продемонстрировать, что все они достигают земли за одно и то же время. Это неочевидное наблюдение противоречило Аристотелевой догме, согласно которой тяжелые предметы падают быстрее, чем легкие, и скорость их падения прямо пропорциональна их весу. Это фундаментальное заблуждение никем не подвергалось сомнению в течение почти двух тысяч лет, пока Галилей наконец не проверил его на опыте. Задним числом кажется удивительным, что до исследований Галилея никто, по-видимому, не задумывался о справедливости этого «самоочевидного факта», не говоря уже о том, чтобы проверить его.

Галилей в возрасте тридцати пяти и шестидесяти девяти лет; он умер менее чем десятью годами позже. Старение и смертность, которые наглядно иллюстрируют эти портреты, подробно обсуждаются в главе 4

Опыт Галилея произвел революцию в нашем фундаментальном понимании движения и динамики и проложил дорогу Ньютону с его знаменитыми законами движения. Эти законы привели к появлению точной, обладающей предсказательной силой численной математической системы понимания любого движения, будь то на Земле или на другом конце Вселенной, объединив тем самым небеса и Землю под властью одних и тех же законов природы. Это не только дало новое определение места человека в мироздании, но и создало эталон для всех последующих научных исследований, в том числе подготовив почву для наступления века Просвещения и научно-технических революций двух последних столетий.

Галилей также знаменит тем, что усовершенствовал конструкцию телескопа и открыл луны Юпитера, что убедило его в справедливости Коперниковой точки зрения на строение Солнечной системы. Однако Галилею пришлось дорого заплатить за последовательное отстаивание гелиоцентрической гипотезы, вытекавшей из его наблюдений. В возрасте шестидесяти девяти лет, тяжелобольным, он предстал перед судом инквизиции, который признал его воззрения еретическими. Он был вынужден отречься от своих взглядов и после недолгого тюремного заключения провел остаток жизни (еще девять лет, в течение которых он ослеп) под домашним арестом. Его книги были запрещены и попали в печально известный ватиканский «Индекс запрещенных книг» (Index Librorum Prohibitorum). Лишь в 1835 г., более двухсот лет спустя, его работы были исключены из этого списка, и только в 1992-м – по прошествии почти четырех веков – папа Иоанн Павел II публично выразил сожаление по поводу обращения церкви с Галилеем. Мысль о том, что какие-то слова, написанные в незапамятные времена на еврейском, греческом и латинском языках, основанные на чьих-то личных мнениях, догадках и предрассудках, могли столь безапелляционно перевешивать результаты научных наблюдений и математическую логику, действует отрезвляюще. Как ни печально это признавать, мы и сегодня не можем похвастаться полной свободой от таких заблуждений.

Несмотря на ужасную трагичность того, что случилось с Галилеем, его заключение принесло человечеству огромную выгоду. Возможно, это произошло бы и в другом случае, но именно находясь под домашним арестом, он написал, вероятно, лучшую свою работу, одно из поистине великих произведений научной литературы, озаглавленное «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» (Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze, 1638)[23]. Эта книга, по сути дела, подводит итоги предыдущих сорока лет работы Галилея, в течение которых он пытался разработать систематический подход к задаче логического, рационального понимания окружающего нас природного мира. Этой работой он заложил тот фундамент, на котором впоследствии возникли не менее основополагающие труды Исаака Ньютона и практически вся позднейшая наука. Эйнштейн не преувеличивал, когда, говоря об этой книге, назвал Галилея «отцом современной науки»[24].

Это великая книга. Несмотря на непривлекательное название и несколько архаичный язык и стиль изложения, ее на удивление приятно и интересно читать. Она написана в форме «бесед» трех человек (Симпличио, Сагредо и Сальвиати), которые встречаются на протяжении четырех дней и обсуждают различные вопросы, великие и малые, ответов на которые искал Галилей. Симпличио символизирует «простого» обывателя, интересующегося устройством мира и задающего ряд вопросов, кажущихся наивными. Сальвиати – ученый (Галилей!), знающий ответы на все вопросы, которые излагаются в авторитетной, но терпеливой манере, а Сагредо играет роль посредника между этими двумя, то подвергая сомнению утверждения Сальвиати, то подбадривая Симпличио.

На второй день своих бесед они переходят к несколько туманному на первый взгляд обсуждению прочности веревок и балок, и как раз в тот момент, когда читатель уже начинает недоумевать, куда приведет этот довольно нудный, перегруженный подробностями разговор, туман рассеивается, все освещается, и Сальвиати делает следующее заявление:

Из того, что было сейчас доказано, мы ясно видим невозможность не только для искусства, но и для самой природы беспредельно увеличивать размеры своих творений. Так, невозможна постройка судов, дворцов и храмов огромнейшей величины, коих весла, мачты, балки, железные скрепы, словом, все части держались бы прочно. Однако и природа не может произвести деревья несоразмерной величины, так как ветви их, отягощенные собственным чрезвычайным весом, в конце концов сломились бы. Равным образом невозможно представить себе костяк человека, лошади или другого живого существа слишком большой величины, который бы держался и соответствовал своему назначению… увеличение размеров до чрезмерной величины имело бы следствием то, что тело было бы раздавлено и сломано тяжестью своего собственного веса[25].

Вот и все: Галилей чуть ли не четыреста лет назад предугадал наши параноидальные фантазии о гигантских муравьях, жуках, пауках и тех же самых Годзиллах, столь ярко изображаемые в комиксах и фильмах, а затем самым блестящим образом продемонстрировал их физическую невозможность. Точнее говоря, он показал, что реально достижимая величина всех этих существ ограничена некими фундаментальными пределами. Так что многочисленные образы научной фантастики в области фантастики и остаются.

Рассуждение Галилея отличается элегантностью и простотой, но имеет при этом весьма глубокие следствия. Кроме того, оно служит превосходным введением во многие из тех концепций, которые мы будем рассматривать в следующих главах. Оно состоит из двух частей: геометрического доказательства, демонстрирующего, как масштабируются площадь и объем любого объекта при увеличении его размеров (рис. 5), и инженерного доказательства, показывающего, что прочность колонн, поддерживающих здания, конечностей, на которые опираются животные, или стволов деревьев пропорциональна площади их поперечного сечения (рис. 6).

В следующей рамке приведен общедоступный вариант первого из этих доказательств, показывающего, что если форма объекта неизменна, то при увеличении его размеров все его поверхности увеличиваются пропорционально квадрату, а все его объемы – пропорционально кубу линейных размеров.

Рассуждение галилея о масштабировании поверхностей и объемов

Для начала рассмотрим простейший геометрический объект, например квадратную плитку, и представим себе ее увеличение до большего размера (см. рис. 5). Например, предположим, что длина ее стороны равна 1 м, то есть ее площадь, полученная перемножением длин смежных сторон, равна 1 м × 1 м = 1 м². Если удвоить длины всех ее сторон, увеличить их с 1 до 2 м, то площадь плитки увеличится до 2 м × 2 м = 4 м². Точно так же, если длины сторон утроить (увеличить до 3 м), площадь возрастет до 9 м² – и так далее. Общее правило очевидно: площадь возрастает пропорционально квадрату длины.

Это соотношение остается справедливым не только для квадратов, а для любой двумерной геометрической фигуры, если ее форма остается неизменной при одинаковом увеличении всех линейных размеров. Простой пример дает круг: например, при удвоении его радиуса площадь круга увеличивается в 2 × 2 = 4 раза. В более общем случае удвоение всех линейных размеров вашего дома при сохранении неизменными его формы и конфигурации приведет к увеличению площадей всех поверхностей, например стен и полов, в четыре раза.

Эти же рассуждения можно простым образом перенести на объемы. Для начала рассмотрим простой куб: если длины всех его сторон увеличить в два раза, например с 1 м до 2 м, то его объем увеличится с 1 м³ до 2 × 2 × 2 = 8 м³. Аналогичным образом, если эти длины увеличить втрое, объем возрастет в 3 × 3 × 3 = 27 раз. Как и в случае площади поверхностей, это правило можно обобщить на случай любых объектов произвольной формы, если она сохраняется неизменной, и заключить, что при увеличении любого объекта его объем возрастает пропорционально кубу его линейных размеров

Рис. 5. Иллюстрация масштабирования объемов и площади поверхностей для простейшего случая квадратов и кубов

Рис. 6. Прочность балки или конечности пропорциональна площади их поперечного сечения

При удвоении всех длин

Площадь поверхности увеличивается в 2 × 2 = 4 (22) раза

Объем увеличивается в 2 × 2 × 2 = 8 (23) раз

Таким образом, при увеличении размеров объекта его объем увеличивается гораздо быстрее, чем площадь его поверхностей. Приведем простой пример: при удвоении всех линейных размеров дома с сохранением его формы объем увеличивается в 2^3 = 8 раз, а площадь помещений – всего в 2^2 = 4 раза. Если взять гораздо более радикальный случай и увеличить все линейные размеры в 10 раз, все площади поверхностей – полов, стен, потолков и так далее – увеличатся в 10 × 10 = 100 раз (то есть стократно), а объемы помещений возрастут много больше, в 10 × 10 × 10 = 1000 раз (то есть тысячекратно).

Это обстоятельство чрезвычайно важно для устройства и деятельности многого из того, что нас окружает, будь то здания, в которых мы живем и работаем, или строение животных и растений природного мира. Например, уровни отопления, охлаждения и освещения в большинстве случаев пропорциональны площади поверхности нагревателей, кондиционеров и окон. Поэтому их производительность растет гораздо медленнее, чем объем помещений, которые требуется отапливать, охлаждать или освещать, поэтому при масштабном увеличении здания его потребности в этом отношении возрастают непропорционально. Сходным образом для крупных животных может быть проблематичным обеспечение рассеяния тепла, выделяемого в результате обмена веществ и физической деятельности, так как площадь поверхности, через которую это тепло рассеивается, у них меньше относительно объема тела, чем у животных более мелких. Например, слоны решили эту проблему, отрастив себе непропорционально большие уши, которые существенно увеличивают площадь поверхности их тела и позволяют рассеивать большее количество тепла.

Весьма вероятно, что принципиальное различие между масштабным увеличением поверхностей и объемов осознавали многие и до Галилея. Его дополнительная новая идея заключалась в объединении этой геометрической истины с осознанием того, что прочность колонн, балок и членов тела определяется величиной площади их поперечного сечения, а не длиной. Так, столб с прямоугольным сечением 4 на 10 см (= 40 см²) может поддерживать вес, в четыре раза больший, чем столб из того же материала, линейные размеры поперечного сечения которого в два раза меньше, то есть 2 на 5 см (= 10 см²) независимо от длин обоих столбов. Первый из них может быть длиной 2 м, а второй – 4, это не имеет значения. Именно поэтому строители, архитекторы и инженеры, занимающиеся строительством, классифицируют пиломатериалы по площади поперечного сечения, а в строительных магазинах их снабжают этикетками типа «40 × 40», «40 × 50», «50 × 50» и так далее.

Однако при масштабном увеличении здания или животного их вес возрастает прямо пропорционально объему – если, конечно, материалы, из которых они состоят, не изменяются и, следовательно, их плотность остается той же. Таким образом, удвоение объема приводит к удвоению веса. Это означает, что вес, который поддерживает колонна или конечность, возрастает значительно быстрее, чем увеличивается прочность: вес (как и объем) масштабируется пропорционально кубу линейных размеров, а прочность увеличивается лишь пропорционально их квадрату. Чтобы проиллюстрировать это положение, представим себе дерево или здание, высота которых увеличивается в 10 раз, а форма остается неизменной. Тогда вес, который необходимо поддерживать, возрастает тысячекратно (в 10^3 раз), а прочность колонны или ствола, поддерживающих этот вес, – лишь стократно (в 10^2 раз). Таким образом, способность поддерживать дополнительный вес после такого увеличения оказывается равна всего лишь одной десятой исходной величины. Поэтому произвольное увеличение размеров конструкции, какой бы она ни была, рано или поздно приведет к ее обрушению под собственным весом. Размер и рост имеют пределы.

Иначе говоря, по мере увеличения размеров последовательно уменьшается относительная прочность. Или, если использовать яркий образ, который приводит сам Галилей, «в телах меньших замечается даже относительное увеличение [прочности], так, я думаю, что небольшая собака может нести на себе двух или даже трех таких же собак, в то время лошадь едва ли может нести на спине одну только другую лошадь, равную ей по величине»[26].

2. Ошибочные выводы и недоразумения с масштабами: Супермен

Супермен, впервые появившийся на Земле в 1938 г., до сих пор остается одним из величайших кумиров мира фантастики и фэнтези. Я привожу здесь первую страницу первого комикса о Супермене 1938 г., на которой объяснялось его происхождение[27]. Еще младенцем он прилетел с планеты Криптон, «физическое строение обитателей которой на миллионы лет опередило наше. В зрелом возрасте представители его расы приобретали титаническую силу». Действительно, повзрослевший Супермен «легко мог прыгать на ⅛ мили[28], перескакивать через двадцатиэтажные здания… поднимать огромные тяжести… бежать быстрее скоростного поезда…» – и все эти качества торжественно провозглашались в знаменитой заставке к радиопередачам и позднейшим телевизионным сериалам и фильмам: «Он быстрее летящей пули. Он сильнее локомотива. Он может перепрыгнуть через высотное здание одним прыжком. ‹…› Это Супермен!»

Исходный миф о Супермене и объяснение его сверхсилы; начальная страница первого комикса о Супермене 1938 г.

Все это, может быть, и так. Но в последнем квадрате этой же первой страницы мы находим еще одно смелое заявление, настолько важное, что его даже набрали прописными буквами: «НАУЧНОЕ ОБЪЯСНЕНИЕ ПОРАЗИТЕЛЬНОЙ СИЛЫ КЛАРКА КЕНТА… Невероятно? Нет! Ибо прямо сейчас в нашем мире есть существа, обладающие сверхсилой!» В подтверждение этому приводятся два примера: «Скромный муравей может держать вес, в сотни раз превышающий его собственный» и «Кузнечик прыгает на расстояние, которое для человека составило бы длину нескольких кварталов».

Какими бы убедительными ни казались эти примеры, в них проявляются классическое непонимание и ошибочные выводы из достоверных фактов. Муравей кажется, по меньшей мере на первый взгляд, гораздо сильнее человека. Однако, как мы узнали от Галилея, относительная прочность или сила систематически увеличивается с уменьшением размеров. Поэтому при уменьшении масштаба с размеров собаки до размеров муравья из простых правил масштабного изменения силы при изменении размеров следует, что если «небольшая собака может нести на себе двух или даже трех таких же собак», то муравей сможет нести на своей спине целую сотню муравьев такого же размера. Кроме того, поскольку человек приблизительно в 10 миллионов раз тяжелее муравья, из того же рассуждения следует, что человек может нести на себе лишь одного другого человека. Таким образом, муравей на самом деле обладает силой, нормальной для существа его размера, так же как и человек, и в том, что он способен поднять груз, вес которого в сто раз превышает его собственный, нет ничего необычного или удивительного.

Это недоразумение возникает из-за естественной склонности к линейному мышлению, которое подразумевает, что удвоение размеров животного приводит к удвоению его силы. Будь это так, мы были бы в 10 миллионов раз сильнее муравьев и смогли бы поднимать около тонны, что соответствует способности Супермена поднимать более десяти человек за раз.

3. Порядки величины, логарифмы, землетрясения и шкала Рихтера

Как мы только что видели, при увеличении линейных размеров объекта в 10 раз без изменения его формы или состава, площади его поверхностей (и, следовательно, прочность) увеличиваются в 100 раз, а объемы его частей (и, следовательно, вес) – в 1000 раз. Такие степени десяти называют порядками величины и обычно записывают в удобном сокращенном виде: 10^1, 10^2, 10^3 и так далее. Степенной показатель – маленькие цифры над десяткой – показывает, сколько нулей следует после единицы. Так, 10^6 обозначает миллион, то есть шесть порядков величины, так как это число записывается в виде единицы с шестью нулями: 1 000 000.

В этих обозначениях результат, полученный Галилеем, можно выразить следующим образом: при увеличении линейного размера на каждый порядок площадь и прочность увеличиваются на два порядка, а объем и вес – на три порядка. Из этого следует, что при увеличении площади на один порядок величины объем увеличивается на 3/2 (то есть полтора) порядка. То же соотношение существует и между прочностью и весом: при увеличении прочности на один порядок величины вес, который может поддерживать данная конструкция, увеличивается на полтора порядка. И наоборот, если вес увеличивается на один порядок величины, прочность возрастает лишь на ⅔ порядка. В этом состоит существенное проявление нелинейного соотношения между этими величинами. Если бы это соотношение было линейным, то при увеличении площади на один порядок величины объем тоже увеличивался бы на один порядок.

Хотя многие из нас могут этого и не осознавать, концепция порядков величины, в том числе и дробных, знакома всем нам из сообщений о землетрясениях, появляющихся в средствах массовой информации. Мы нередко слышим в новостях что-нибудь вроде «сегодня в Лос-Анджелесе было зарегистрировано умеренное землетрясение силой 5,7 балла по шкале Рихтера; толчок поколебал многие здания, но причинил лишь незначительные повреждения». А иногда мы узнаем о землетрясениях, подобных тому, что произошло в лос-анджелесском районе Нортридж в 1994 г. Хотя его сила по шкале Рихтера была выше всего на один балл, причиненные им разрушения были огромны. Ущерб от землетрясения в Нортридже силой 6,7 балла составил более 20 миллиардов долларов, причем погибли 60 человек, что делает его одним из самых тяжелых с экономической точки зрения стихийных бедствий в истории США. В то же время землетрясение силой 5,7 балла может причинить лишь пренебрежимо малый ущерб. Такая огромная разница в последствиях при, казалось бы, небольшом увеличении силы толчка связана с тем, что в шкале Рихтера величины выражаются в порядках величины.

Поэтому увеличение на один балл на самом деле означает увеличение на один порядок, и землетрясение силой 6,7 балла на самом деле в десять раз сильнее, чем землетрясение силой в 5,7 балла. Точно так же землетрясение силой 7,7 балла – такое произошло на Суматре в 2010 г. – в 10 раз сильнее, чем землетрясение в Нортридже, и в 100 раз сильнее, чем землетрясение силой 5,7 балла. Землетрясение на Суматре произошло в сравнительно малонаселенной местности, но и оно принесло обширные разрушения, так как вызвало цунами, которое оставило без жилья более 20 тысяч человек и убило почти пятьсот. К несчастью, пятью годами раньше Суматра перенесла еще более разрушительное землетрясение силой 8,7 балла, то есть еще в 10 раз больше. Разумеется, уровень разрушений, вызываемых землетрясением, зависит не только от его силы, но и от местных условий – например, численности и плотности населения, прочности зданий и инфраструктуры и так далее. Сила землетрясения в Нортридже 1994 г. и более недавнего землетрясения в Фукусиме 2011 г., причинивших огромные разрушения, составляла, соответственно, «всего» 6,7 и 6,6 балла.

Собственно говоря, шкала Рихтера измеряет амплитуду «тряски» при землетрясении, регистрируемую сейсмометрами. Количество выделяющейся при этом энергии масштабируется относительно этой амплитуды нелинейно: при увеличении измеренной амплитуды землетрясения на один порядок выделяющаяся энергия увеличивается на полтора (то есть 3/2) порядка величины. Это означает, что изменение амплитуды на два порядка величины эквивалентно изменению выделяющейся энергии на три порядка (в 1000 раз), а изменение всего на 1,0 балла соответствует изменению энергии в квадратный корень из тысячи, то есть в 31,6 раза[29].

Чтобы получить некоторое представление об огромной энергии землетрясений, можно рассмотреть некоторые цифры: при взрыве одного фунта (то есть около 0,5 кг) тринитротолуола высвобождается энергия, приблизительно соответствующая 1 баллу по шкале Рихтера. Сила 3 балла эквивалентна взрыву 1000 фунтов (около 500 кг) ТНТ: взрыв приблизительно такой силы произошел в 1995 г. во время теракта в Оклахома-Сити. 5,7 балла по шкале Рихтера соответствуют приблизительно 5000 т взрывчатки; 6,7 (сила землетрясений в Нортридже и Фукусиме) – приблизительно 170 000 т; 7,7 (землетрясение 2010 г. на Суматре) – приблизительно 5,4 млн т; а 8,7 (землетрясение 2005 г. на Суматре) – приблизительно 170 млн т. Самым сильным из зарегистрированных землетрясений было Великое чилийское землетрясение 1960 г. в городе Вальдивия: его сила составила 9,5 балла (почти в тысячу раз больше по амплитуде, чем в Нортридже и Фукусиме), что соответствует 2700 млн тонн ТНТ.

Отметим для сравнения, что атомная бомба «Малыш», сброшенная в 1945 г. на Хиросиму, высвободила энергию, эквивалентную приблизительно 15 000 тонн ТНТ. Средняя водородная бомба высвобождает более чем в тысячу раз больше энергии, что соответствует крупному землетрясению силой 8 баллов. Речь идет об огромных количествах энергии: 170 млн тонн ТНТ, энергии суматранского землетрясения 2005 г., достаточно для энергоснабжения города с населением 15 миллионов человек (то есть размером со всю агломерацию Большого Нью-Йорка) в течение целого года.

Масштаб, в котором приращение идет не линейно (1, 2, 3, 4, 5…), а по степеням десяти (10^1, 10^2, 10^3, 10^4, 10^5…), как на шкале Рихтера, называется логарифмическим. Отметим, что в этом масштабе на самом деле происходит линейное увеличение порядков величины, как видно по показателям степени десяти (верхним индексам). Одна из многочисленных особенностей логарифмического масштаба состоит в том, что она позволяет отображать на одном и том же графике величины, отличающиеся друг от друга по одной из осей во много раз, например силу землетрясения в Вальдивии, землетрясения в Нортридже и взрыва динамитной шашки, то есть значения, различающиеся более чем в миллиард (10^9) раз. На графике, построенном в линейном масштабе, это было бы невозможно, так как большинство точек сгрудилось бы в самом низу графика. Чтобы построить в линейном масштабе график, включающий в себя все землетрясения, сила которых различается на пять или шесть порядков величины, потребовался бы лист бумаги длиной несколько километров – потому и была изобретена шкала Рихтера.

Благодаря тому что логарифмический масштаб дает удобную возможность компактного представления величин разных порядков на одной и той же странице, он широко используется во всех научных дисциплинах. Эту методику, позволяющую охватить сразу весь диапазон сильно изменяющихся величин, широко применяют, например, для представления яркости звезд, кислотности химических растворов (величины рН), физиологических характеристик животных или ВВП разных стран мира. Именно так построены графики, приведенные на рис. 1–4 во вступительной главе.

4. Тяжелая атлетика и проверка Галилея

Важная особенность науки, часто отличающая ее от других умственных занятий, состоит в требовании подтверждения гипотез опытами и наблюдениями. Это вовсе не тривиальное обстоятельство, как можно видеть из того факта, что утверждение Аристотеля, согласно которому скорость предметов, падающих под действием силы тяжести, пропорциональна их весу, никто не удосужился проверить в течение более двух тысяч лет, а когда его наконец проверили, оно оказалось ошибочным. К сожалению, хотя многие из наших нынешних догм и убеждений, особенно в ненаучных областях, точно так же остаются непроверенными, в них безоговорочно верят, даже не пытаясь найти им каких-либо подтверждений – и это порой приводит к неприятным и даже катастрофическим последствиям.

Поэтому, завершив наше отступление, посвященное степеням десяти, я хотел бы приложить то, что мы узнали о порядках величины и логарифмах, к проверке предсказаний Галилея относительно масштабирования прочности или силы при изменении массы. Можно ли показать, что в «реальном мире» сила действительно изменяется с массой так, как предсказывает правило, гласящее, что изменение порядка ее величины должно происходить в пропорции два к трем?

В 1956 г. химик М. Г. Лицке придумал простое и элегантное подтверждение предсказания Галилея. Он осознал, что данные о том, как максимальная сила масштабируется при изменении массы тела, по меньшей мере у человека, можно найти в статистике тяжелоатлетических соревнований в разных весовых категориях. Все лучшие тяжелоатлеты стараются максимально увеличить вес, который они могут поднять, и тренируются для этого приблизительно с одинаковой интенсивностью и в течение одинакового времени, что позволяет сравнивать их силу в приблизительно одинаковых условиях. Кроме того, соревнования проводятся в трех дисциплинах – жим, рывок и толчок, – так что совокупные результаты по всем трем достаточно хорошо усредняют индивидуальные вариации склонности к той или иной из этих дисциплин. Поэтому такие суммарные результаты можно считать хорошей мерой максимальной силы.

Используя суммарные результаты по всем трем дисциплинам тяжелоатлетических соревнований на Олимпийских играх 1956 г., Лицке блестяще подтвердил, что сила масштабируется с массой тела по степенному закону с показателем, равным ⅔. Результаты всех обладателей золотых медалей были нанесены на график зависимости от веса их тела в логарифмическом масштабе, то есть по каждой оси были отложены приращения в десять раз. Если сила, отложенная по вертикальной оси, увеличивается на два порядка при каждом увеличении массы тела, отложенной по горизонтальной оси, на три порядка, то график должен представлять собой прямую, наклон[30] которой равен ⅔. Результат измерений Лицке был равен 0,675, что чрезвычайно близко к предсказанному значению (⅔ = 0,667). Его график приведен на рис. 7[31].

Рис. 7

Зависимость суммарного веса, поднятого чемпионами Олимпийских игр 1956 г. по тяжелой атлетике, от массы их тела, подтверждающая предсказанный наклон в ⅔. Кто был сильнее, а кто слабее всех?

5. Индивидуальные результаты и отклонения от масштабирования: самый сильный человек на свете

Регулярность, проявляющаяся в данных по тяжелой атлетике, и их точное соответствие предсказанному правилу масштабирования силы могут показаться удивительными, особенно с учетом простоты доказательства этого правила. В конце концов, все мы различаемся формами и параметрами тела, жизненной историей и, до некоторой степени, наследственностью и так далее: ничто из этого не учитывалось в выводе коэффициента ⅔. Использование суммы весов, поднятых олимпийскими чемпионами, которые тренировались по приблизительно одинаковым программам, позволяет усреднить некоторые из этих индивидуальных различий. Вместе с тем можно считать с достаточно высокой степенью точности, что все мы состоим из приблизительно одних и тех же веществ и имеем весьма сходную физиологию. Наши организмы действуют очень сходным образом и, как видно из рис. 7, по крайней мере с точки зрения силы, являются масштабными версиями друг друга. Более того, к концу этой книги я надеюсь доказать вам, что это общее сходство распространяется почти на все аспекты вашей физиологии и истории развития. Так что, когда я говорю, что «мы» в некотором приближении являемся масштабированными версиями друг друга, я имею в виду не только всех людей, но и всех млекопитающих, а в некоторых отношениях и вообще все живое.

Если взглянуть на законы масштабирования с несколько другой точки зрения, можно сказать, что они дают некий идеализированный стандарт, охватывающий господствующие, наиболее существенные черты, которые объединяют всех нас – не только как людей, но и как различные виды организмов и проявлений жизни. Каждый индивидуум, каждый вид и даже каждая таксономическая группа в той или иной степени отклоняются от норм, проявляющихся в законах масштабирования, и именно эти отклонения отражают конкретные характеристики, образующие индивидуальность.

Проиллюстрируем это утверждение на том же примере тяжелой атлетики. Если внимательно посмотреть на график, приведенный на рис. 7, ясно видно, что четыре точки лежат почти точно на прямой, а это означает, что эти четыре тяжелоатлета могут поднять почти тот самый вес, который соответствует массе их тела. Однако оставшиеся две точки, представляющие тяжеловеса и спортсмена средней весовой категории, несколько отходят от прямой: одна из них лежит ниже, а другая – выше ее. Таким образом, хотя тяжеловес поднял больше, чем кто-либо другой, его результат на самом деле не дотягивает до уровня, соответствующего массе его тела, а спортсмен, выступающий в среднем весе, превзошел результат, нормальный для своей массы. Другими словами, с уравнительной точки зрения физика, рассматривающего эту ситуацию с позиций равных условий игры, самым сильным человеком в мире на 1956 г. был чемпион в среднем весе, поскольку его результат был выше нормального для его собственного веса. Забавно отметить, что в аспекте такого научного масштабирования самым слабым оказался чемпион в тяжелом весе, хотя он и поднял больше, чем все остальные.

6. Другие ошибочные выводы и недоразумения с масштабами: дозировка ЛСД для слонов и тайленола для младенцев

Размеры и масштабы играют ключевую роль в медицине и здравоохранении, хотя в биологических и медицинских профессиях идеи и теоретические обоснования законов масштабирования могут быть явно не выражены. Например, все мы хорошо знакомы с концепцией стандартных таблиц или графиков, показывающих, как рост, скорость роста, количество потребляемой пищи и даже объем талии должны коррелировать с массой нашего тела и как все эти параметры должны изменяться на ранних стадиях развития ребенка. Эти таблицы – не что иное, как представление законов масштабирования, которые были признаны применимыми к «среднему человеку». Врачи даже заучивают, как эти переменные в среднем должны коррелировать с весом и возрастом пациентов.

Также хорошо известна родственная концепция инвариантных величин, к которым относятся, например, частота пульса или температура тела – они не изменяются систематически в зависимости от веса или роста среднего здорового человека. Более того, значительные отклонения от этих неизменных средних значений обычно считают признаком заболевания или расстройства здоровья. Если температура тела превышает 38 °C, или кровяное давление равно 275/154, это значит, что-то не в порядке. В наше время стандартный медицинский осмотр дает множество подобных результатов, по которым врач оценивает состояние здоровья пациента. Одна из наиболее трудных задач для отрасли медицины и здравоохранения состоит в создании измеримой базовой шкалы жизни и, на ее основе, расширенного набора параметров среднего здорового человека, а также в определении допустимых размеров колебаний или отклонений от нормальных значений.

Поэтому неудивительно. что многие из наиболее важных проблем медицины можно рассмотреть с точки зрения масштабирования. В следующих главах мы затронем, используя эту систему взглядов, несколько важных вопросов, касающихся здоровья всех и каждого, от старения и смертности до сна и рака. Однако я хотел бы сначала, на закуску, рассмотреть некоторые не менее важные медицинские вопросы, имеющие отношение к идее Галилея о противоречиях между процессами масштабирования площади и объема. Этот пример покажет, как легко подсознательное использование линейных экстраполяций порождает заблуждения, приводящие к совершенно ошибочным выводам.

При разработке новых лекарств и изучении самых разных заболеваний значительную часть исследований проводят на так называемых модельных животных – как правило, на поколениях мышей, выведенных и отобранных по определенным признакам именно для исследовательских целей. То, как результаты таких исследований следует масштабировать для их применения к человеку, чрезвычайно важно в медицинских и фармакологических исследованиях, так как именно это позволяет определять безопасную и эффективную дозировку медикаментов или делать выводы относительно диагнозов и лечебных процедур. Всеобъемлющая теория такого масштабирования все еще не разработана, хотя фармацевтическая промышленность затрачивает огромные ресурсы на решение подобных задач при разработке новых лекарств.

Классическим примером некоторых проблем и ловушек, возникающих на этом пути, является одно из первых исследований потенциального терапевтического воздействия на человека ЛСД (диэтиламида лизергиновой кислоты). Хотя термин «психоделик» был придуман еще в 1957 г., этот наркотик оставался практически неизвестным за пределами профессионального сообщества психологов в 1962 г., когда психиатр Луи Уэст (не родственник), Честер Пирс из Университета Оклахомы и Уоррен Томас, зоолог из городского зоопарка Оклахома-Сити, предложили изучить его действие на слонах.

На слонах? Да, именно на слонах, а точнее, на слонах индийских. Хотя использование слонов, а не мышей в качестве «модели» для изучения эффектов ЛСД может показаться несколько эксцентричным, основания этой идеи нельзя назвать полностью неправдоподобными. Дело в том, что у индийских слонов время от времени случаются непредсказуемые переходы из обычного для них мирного и послушного состояния в состояние, в котором они становятся чрезвычайно агрессивны и даже опасны, и длительность таких периодов доходит до двух недель. Уэст и его соавторы предположили, что это странное и зачастую опасное поведение, которое называют словом «муст», вызывается тем, что в мозгу слона вырабатывается ЛСД. Поэтому они хотели проверить, может ли ЛСД вызвать это любопытное состояние, и, если это так, получить из изучения реакции на это вещество представление о воздействии ЛСД на человека. Идея довольно странная, но, быть может, не вполне лишенная смысла.

Однако из нее немедленно вытекает интересный вопрос: сколько именно ЛСД нужно дать слону?

В то время мало что знали о безопасной дозировке ЛСД. Хотя этот наркотик еще не проник в массовую культуру, уже было известно, что даже доза менее 0,25 мг вызывает у человека типичный «кислотный трип», а безопасная доза для кошек составляет около 0,1 мг на килограмм массы тела. Именно на основе этой последней цифры исследователи решили оценить, какую дозу ЛСД следует дать ничего не подозревавшему слону Таско, жившему в зверинце Линкольн-парка в Оклахома-Сити.

Поскольку Таско весил около 3000 кг, они оценили, используя размер заведомо безопасной дозы для кошек, что подходящая для него доза должна быть равна произведению 0,1 мг на килограмм на 3000 кг, то есть около 300 мг ЛСД. На деле слону вкололи 297 мг. Вспомним, что для нас с вами хорошая доза ЛСД составляет менее 0,25 мг. Результат инъекции, введенной Таско, был эффектным и катастрофическим. Вот что было написано в статье исследователей: «Через пять минут после инъекции он [слон] затрубил, упал, тяжело перевалился на правый бок, испражнился и вошел в эпилептический статус». Бедняга Таско умер через час и сорок минут после этого. Возможно, не менее тревожным, чем этот ужасный исход, был вывод, который сделали исследователи: они заключили, что слоны «обладают весьма высокой относительной чувствительностью к ЛСД».

Проблема тут, разумеется, сводится к тому, что мы уже подчеркивали несколько раз, – к соблазнительной ловушке линейного мышления. Расчет дозы, которую следовало ввести Таско, был основан на предположении о том, что эффективная и безопасная дозировка линейно масштабируется в зависимости от массы тела, то есть предполагалось, что удельная доза на килограмм массы тела должна быть одной и той же для всех млекопитающих. Поэтому дозу для кошек, 0,1 мг на килограмм массы тела, наивно умножили на массу Таско и получили то несуразное значение – 297 мг, – которое и привело к столь катастрофическим последствиям.

Вопрос о том, как именно следует производить масштабирование дозировки между разными животными, все еще остается открытым, и ответ на него может в разной степени зависеть от свойств конкретного медикамента и медицинских показаний для его применения. Однако независимо от всех этих подробностей для получения правдоподобной оценки необходимо понимать основополагающие механизмы, которые обеспечивают перенос медикамента и его поглощение конкретными органами и тканями. В числе других факторов важную роль в этом играет уровень метаболизма. Подобно метаболитам и кислороду медикаменты обычно переносятся через поверхностные мембраны; иногда такой перенос осуществляется посредством диффузии, а иногда – через сетевые системы. Поэтому факторы, определяющие дозировку, в существенной степени определяются масштабированием площади поверхности, а не суммарного объема или массы организма, а площадь поверхности масштабируется с изменением массы нелинейно. Простой расчет с использованием правила масштабирования поверхности при изменении массы с показателем ⅔ показывает, что более подходящая для слонов доза ЛСД должна быть ближе к нескольким миллиграммам, чем к нескольким сотням, которые были введены слону. Если бы такие вычисления были произведены, Таско наверняка остался бы жив, а выводы о воздействии ЛСД были бы совершенно иными.

Вывод ясен: масштабирование дозировки лекарств – дело совсем не тривиальное, и наивный подход к ней может привести к нежелательным результатам и ошибочным выводам, если не рассчитывать дозировку корректно, с должным вниманием к основополагающим механизмам переноса и усвоения медикаментов. Этот вопрос, несомненно, чрезвычайно важен и в некоторых случаях даже может стать вопросом жизни и смерти. В этом заключается одна из основных причин, по которым выдача разрешения на широкое применение новых лекарств занимает столько времени.

Чтобы вы не подумали, что речь идет о каком-то никому не известном, маргинальном исследовании, отметим, что статья о слонах и ЛСД была опубликована в журнале Science[32], одном из самых уважаемых и престижных научных журналов мира.

С проблемой масштабирования дозировки лекарств в зависимости от массы тела хорошо знакомы многие из нас: с ними приходится сталкиваться родителям детей с повышенной температурой, простудами, отитами и другими подобными превратностями. Я помню то немалое удивление, с которым обнаружил много лет назад, когда пытался посреди ночи успокоить орущего младенца с высокой температурой, что рекомендованная для детей дозировка, напечатанная на этикетке бутылочки тайленола, увеличивалась с массой тела линейно. Поскольку мне уже была известна трагическая история слона Таско, я был несколько обеспокоен этим. На этикетке был приведен маленький график, показывавший, сколько лекарства следует давать ребенку того или иного возраста и веса. Например, для младенца весом 3 кг рекомендованная дозировка составляла четверть чайной ложки (40 мг), а для ребенка весом 18 кг (в шесть раз тяжелее) – полторы чайной ложки (240 мг), то есть ровно в шесть раз больше. Однако если следовать нелинейному закону масштабирования с показателем ⅔, то дозировка должна увеличиться всего лишь в 62/3 ≈ 3,3 раза, что соответствует 132 мг, то есть чуть больше половины рекомендованной дозы! Таким образом, если правильная доза для трехкилограммового младенца действительно равна ¼ ложки, то доза 1,5 ложки, рекомендованная для ребенка, весящего 18 кг, была завышена почти в два раза.

Хочется надеяться, что эти рекомендации не были опасны для детей, но несколько лет спустя я заметил, что этот график исчез и с этикеток, и с веб-сайта фармацевтической компании. Однако на том же сайте до сих пор имеется график, представляющий линейную шкалу рекомендованной дозировки для детей весом от 18 до 36 кг, хотя для младенцев весом менее 18 кг (младше двух лет) там теперь разумно рекомендуют посоветоваться с врачом. Тем не менее другие авторитетные сайты до сих пор используют при определении дозировок для детей младше этого возраста линейное масштабирование[33].

7. ИМТ, Кетле, средний человек и социальная физика

Еще один важный медицинский вопрос, связанный с масштабированием, – это использование индекса массы тела (ИМТ) в качестве меры содержания жира в организме и, в более широком смысле, важного параметра здоровья. В последние годы этот показатель получил широкую популярность в связи с его повсеместным использованием в диагностике ожирения и многочисленных связанных с ним нарушений здоровья, в том числе гипертонии, диабета и кардиологических заболеваний. Хотя бельгийский математик Адольф Кетле ввел ИМТ более 150 лет назад в качестве простого параметра классификации людей, ведущих малоподвижный образ жизни, этот показатель приобрел большой авторитет как у врачей, так и у широкой общественности, несмотря на свои довольно туманные теоретические обоснования.

Собственно говоря, до 1970-х гг. и роста популярности ИМТ он был известен под названием индекса Кетле. Хотя Кетле получил математическое образование, он был классическим энциклопедистом, ученым-универсалом, и внес свой вклад в множество разных научных дисциплин, в том числе в метеорологию, астрономию, математику, статистику, демографию, социологию и криминалистику. Его главным наследием оказался ИМТ, но он был лишь очень малой частью его вдохновенных трудов по внедрению статистического анализа и математического мышления в решение задач, представляющих общественный интерес.

Кетле стремился понять статистические законы, лежащие в основе таких социальных явлений, как уровни преступности, браков и самоубийств, и изучить взаимосвязи между ними. Наиболее влиятельная из его книг, «О человеке и развитии его способностей, или Опыт социальной физики» (Sur l’homme et le développement de ses facultés, ou essai de Physique sociale), была издана в 1835 г. В английском переводе это заглавие было сокращено до гораздо менее высокопарного «Трактат о человеке» (Treatise on Man). В этой книге он ввел понятие социальной физики и описал свою концепцию «среднего человека» (l’homme moyen). Эта концепция хорошо вписывается в наш разговор о рассуждениях Галилея относительно изменения силы мифического «среднего человека» в зависимости от его веса или роста, а также о существовании осмысленных средних основных значений физиологических характеристик, например температуры тела или кровяного давления.

«Средний человек» (любого пола) имеет усредненные по достаточно большой группе населения значения различных измеримых физиологических и социологических параметров. Сюда входит все, от роста и продолжительности жизни до числа браков, уровня потребления алкоголя и заболеваемости. Однако Кетле привнес в анализ такого рода нечто новое и существенное: учет статистических колебаний этих величин вокруг средних значений и оценку соответствующих им распределений вероятности. Он установил – или, в некоторых случаях, просто предположил, – что такие колебания в основном соответствуют так называемому нормальному, или Гауссову, распределению, широко известному своей колоколообразной формой. Таким образом, он не только измерял средние значения этих величин, но и анализировал распределения их отклонений от среднего. Например, здоровое состояние человека определяется в таком исследовании не просто по наличию конкретных значений этих параметров (например, температуре тела, равной 36,6 °C), но и по их нахождению в пределах четко ограниченного диапазона, определенного по отклонениям от среднего значения, характерным для здоровых людей в масштабах всего населения.

Идеи Кетле и используемый им термин «социальная физика» казались в то время довольно спорными, поскольку их восприняли как попытку загнать социальные явления в детерминистические рамки, что противоречило бы концепциям свободы воли и свободы выбора. Задним числом это кажется удивительным, учитывая одержимость Кетле статистическими вариациями, которые мы могли бы считать теперь численной мерой той самой «свободы выбора», которая позволяет нам отклоняться от нормы. Мы еще неоднократно вернемся к теме противоречия между ролью основополагающих «законов», ограничивающих структуру и развитие систем, как социальных, так и биологических, и возможностями их «нарушения». Насколько мы свободны в определении своей собственной судьбы, коллективной или индивидуальной? Хотя на детализированном уровне, «в режиме высокого разрешения», мы и обладаем большой свободой определения событий своего ближайшего будущего, на уровне более общем и менее подробном, на котором речь идет о длительных промежутках времени, жизнь может оказаться более детерминированной, чем нам представляется.

Хотя название «социальная физика» практически исчезло из научного обихода, в последнее время к нему стали возвращаться ученые разных специализаций, взявшиеся за рассмотрение проблем общественных наук с более математической, аналитической точки зрения, обычно характерной для системы парадигм традиционной физики. Значительную часть той работы, которой занимались мы с моими коллегами и которая будет описана несколько более подробно в дальнейших главах, можно отнести именно к области социальной физики, хотя никто из нас широко не использует этот термин. По иронии судьбы его в первую очередь используют специалисты по информатике, которые не имеют отношения ни к социологии, ни к физике: они описывают им большие массивы данных по социальным взаимодействиям. Вот как они характеризуют это понятие: «Социальная физика – это новый способ понимания поведения человека, основанный на анализе “больших данных”»[34]. Хотя эта область исследований весьма интересна, наверное, можно сказать, что лишь немногие физики посчитали бы ее относящейся к «физике», прежде всего потому, что эти исследования не направлены на выявление основополагающих принципов и общих законов, не сосредоточиваются на математическом анализе и получении механистических объяснений.

Предложенный Кетле индекс массы тела определяют как отношение массы тела к квадрату роста. Таким образом, он измеряется в фунтах на квадратный дюйм или килограммах на квадратный метр. Его идея сводится к предположению о том, что вес здорового человека, особенно такого, форма тела и содержание жиров в теле которого соответствуют «норме», масштабируется пропорционально квадрату роста. Тогда отношение веса к квадрату роста должно давать величину, приблизительно одинаковую для всех здоровых людей; ее значения лежат в сравнительно узком диапазоне (от 18,5 до 25,0 кг/м²). Выход значений за пределы этого диапазона считается признаком возможных проблем со здоровьем, связанных с недостаточным или избыточным для данного роста весом[35].

Таким образом, предполагается, что ИМТ остается приблизительно неизменным для всех идеализированных здоровых индивидуумов, то есть имеет более или менее одинаковое значение независимо от веса и роста человека. Однако из этого следует, что масса тела должна увеличиваться пропорционально квадрату роста, что, как кажется, резко противоречит тем выводам, которые мы сделали ранее из работ Галилея: тогда мы заключили, что масса тела должна возрастать гораздо быстрее, пропорционально кубу роста. Если это так, то ИМТ в используемой формулировке не может быть неизменной величиной, а должен линейно расти с увеличением роста. Это должно приводить к завышению числа диагнозов избыточного веса у высоких людей и его занижению у людей низкорослых. Действительно, существуют свидетельства того, что высокие люди имеют аномально высокие по сравнению с реальным содержанием жира в организме значения ИМТ.

Как же на самом деле масштабируется вес человека в зависимости от его роста? Разные статистические анализы данных дают разные результаты, колеблющиеся от подтверждения кубического закона до полученных в более недавних исследованиях показателей, равных 2,7 и даже меньшим значениям, более близким к двум[36]. Чтобы понять, как такое может быть, нужно вспомнить об одном важном допущении, сделанном при выводе кубического закона, а именно о том, что при увеличении размеров форма системы – в данном случае человеческого тела – должна оставаться неизменной. Однако форма тела изменяется с возрастом, проходя весь путь от предельного случая, новорожденного с большой головой и пухлыми конечностями, до «хорошо сложенного» взрослого, а затем и до обвислого тела человека моего возраста. Кроме того, форма тела зависит еще и от пола, культуры и других социально-экономических факторов, которые могут коррелировать или не коррелировать с состоянием здоровья и наличием или отсутствием избыточного веса.

Много лет назад я анализировал набор данных по зависимости роста мужчин и женщин от их веса и обнаружил превосходное соответствие классическому кубическому закону. По счастливой случайности те данные, которые я анализировал, относились к сравнительно узким возрастным группам – американцам в возрасте от пятидесяти до пятидесяти девяти лет и американкам в возрасте от сорока до сорока девяти. Поскольку данные для каждого пола анализировались по отдельности и в пределах довольно узких и однородных возрастных групп, эти выборки давали осмысленное представление «средних» здоровых мужчин и женщин, обладающих сходными характеристиками. Как это ни парадоксально, такое вовсе не типично для гораздо более серьезных и широкомасштабных исследований, в которых усреднение производится по всем возрастным группам с разными характеристиками, что делает интерпретацию результатов значительно менее ясной. Поэтому неудивительно, что в таких исследователях получают степенные показатели, отличные от идеализированного значения, равного трем. Из этого следует, что было бы разумнее разбивать суммарный набор данных на группы, члены которых обладают некоторыми сходными характеристиками – например, возрастными, – и определять параметры для полученных таким образом подгрупп.

В отличие от кубического закона масштабирования общепринятое определение ИМТ не имеет никакого теоретического или концептуального обоснования, и статистическое значение этого показателя сомнительно. Кубический закон, напротив, теоретически обоснован и подтверждается опытными данными – при условии контроля характеристик рассматриваемого контингента. Поэтому неудивительно, что было предложено альтернативное определение ИМТ, согласно которому ИМТ вычисляется как отношение массы тела к кубу роста. Этот показатель известен под названием индекса Рорера. Хотя он несколько более значим с точки зрения корреляции с содержанием жира в организме, чем индекс Кетле, он тем не менее обладает теми же недостатками, так как не был преобразован для отдельных групп людей, имеющих сходные характеристики.

Разумеется, хорошие врачи используют для оценки здоровья несколько разных значений ИМТ, что уменьшает вероятность грубых ошибок интерпретации, кроме, вероятно, случаев, касающихся людей, ИМТ которых близок к граничным значениям. Во всяком случае, ясно, что классический ИМТ, используемый в настоящее время, не следует воспринимать слишком серьезно без дальнейших исследований и определения более точных и конкретных показателей, учитывающих, например, возраст и культурные различия, особенно для пациентов, здоровье которых, по-видимому, может находиться в опасности.

Этими примерами я хотел проиллюстрировать тот факт, что концепция масштабирования лежит в основе применения жизненно важных параметров, используемых в здравоохранении, и выявить некоторые из возможных ловушек и ошибочных толкований. ИМТ, как и дозировка медикаментов, представляет собой сложный и очень важный элемент медицинской практики, теоретические основания которого до сих пор полностью не разработаны и не осознаны[37].

8. Инновации и ограничения роста

Обманчиво простое рассуждение Галилея о причинах существования пределов высоты деревьев, животных и строений имеет глубокие последствия для проектирования и инноваций. Выше, разъясняя его доказательство, я закончил следующим замечанием: «Произвольное увеличение размеров конструкции, какой бы она ни была, рано или поздно приведет к ее обрушению под собственным весом. Размер и рост имеют пределы». К этому следовало бы добавить одну чрезвычайно важную оговорку: «…если ничто не изменяется». Для продолжения роста и предотвращения обрушения должны произойти изменения и, следовательно, инновации. Основными движущими силами инноваций являются рост и постоянная потребность в адаптации к новым или изменяющимся условиям, часто выражающаяся в виде «усовершенствования» или увеличения эффективности.

Подобно большинству физиков Галилей не интересовался процессами адаптации. Чтобы узнать, насколько важную роль играют эти процессы в формировании окружающего нас мира, нам пришлось дожидаться Дарвина. Вообще говоря, адаптивные процессы в первую очередь относятся к областям биологии, экономики и общественных наук. Однако Галилей, рассматривая примеры, взятые из механики, ввел фундаментальную концепцию масштаба, из которой вытекает идея роста, и обе эти концепции играют основополагающую роль в сложных адаптивных системах. Противоречие между законами масштабирования, ограничивающими разные свойства системы, – например, тот факт, что прочность конструкций, поддерживающих систему, масштабируется иначе, чем тот вес, который они поддерживают, – приводит к невозможности бесконечного роста, то есть неограниченного увеличения размеров.

Если, конечно, не случается инноваций. В выводы этих законов масштабирования было заложено основополагающее предположение о сохранении неизменными физических характеристик системы – например, ее формы, плотности и химического состава – при изменении ее размеров. Следовательно, чтобы строить более крупные конструкции или развивать более крупные организмы, выходящие за пределы, установленные законами масштабирования, необходимы инновации, которые изменили бы либо материальный состав системы, либо ее конструкцию, либо и то и другое.

Простой пример инноваций первого типа дает использование более прочных материалов, например стали вместо дерева при сооружении мостов или зданий; в качестве простого примера инноваций второго типа можно вспомнить применение в строительстве арок, сводов и куполов вместо простых горизонтальных балок и вертикальных колонн. В развитии мостов мы находим превосходный пример того, как желание или необходимость решать новые задачи – в данном случае связанные с созданием безопасных и устойчивых средств пересечения более широких рек, каньонов или долин – стимулировали применение и новых материалов, и новых конструкций.

Самый примитивный мост – простой ствол, упавший поперек потока или специально положенный туда людьми, – уже представляет собой инновацию. Возможно, первым значительным шагом инженерной инновации в области мостостроения было применение специально обтесанных деревянных бревен или досок. Стремление к обеспечению безопасности, устойчивости, долговечности и удобства, а также потребность в пересечении более широких рек привели к тому, что к этой конструкции стали добавлять каменные сооружения, используемые в качестве простых опор, установленных на обоих берегах; в результате получился так называемый балочный мост. Поскольку прочность древесины на изгиб ограниченна, явно существует некоторый предел расстояния, которое такой мост может перекрыть. Эта проблема была решена при помощи простой инновации конструкции, которая заключается в использовании каменных опор – быков, – устанавливаемых посреди реки. Таким образом мост, по сути дела, превращают в последовательность из нескольких отдельных балочных мостов.

Альтернативная стратегия сводилась к использованию гораздо более сложной инновации – сооружению мостов, целиком сделанных из камня и использующих физические принципы арки, то есть внесению изменений и в материалы, и в конструкцию. Такие мосты обладают тем огромным преимуществом, что способны выдерживать условия, которые привели бы к повреждению или разрушению сооружений более старой конструкции. Примечательно, что каменные арочные мосты возникли более трех тысяч лет назад, еще в греческом бронзовом веке (XIII в. до н. э.), и некоторые из них используются до сих пор. Величайшими строителями каменных арочных мостов древности были римляне, возведшие по всей своей империи множество великолепных мостов и акведуков, многие из которых существуют и поныне.

Чтобы перекрыть еще более широкие и глубокие пропасти – например, ущелье реки Эйвон в Англии или устье залива Сан-Франциско в США, – потребовались новые технологии, новые материалы и новые конструкции. Кроме того, увеличение интенсивности движения и потребность в устойчивости к большей нагрузке, особенно после возникновения железных дорог, привели к развитию чугунных арочных мостов, сварных стержневых ферм, а затем и к применению стали и разработке современных подвесных мостов. Существует множество вариантов таких конструкций: балочно-консольные мосты, арочные мосты с затяжкой (наиболее известным из которых является Харбор-Бридж в Сиднее) и разводные мосты наподобие Тауэрского в Лондоне. Кроме того, современные мосты строят сейчас с использованием множества разных материалов, в том числе сочетаний бетона, стали и армированных волокнами полимеров. Все это – инновационные решения общих инженерных задач, в том числе и связанных с преодолением ограничений, налагаемых законами масштабирования, действующими одинаково для всех мостов, и многочисленных местных особенностей, географических, геологических, транспортных и экономических, которые определяют уникальные черты и индивидуальность каждого из мостов.

Все эти инновационные варианты, возникающие из осознания потребности в пересечении все более широких и трудных преград, рано или поздно достигают своего предела. Поэтому в этом контексте инновацию можно рассматривать как реакцию на задачу, порожденную непрерывным увеличением ширины перекрываемого пространства, от малозаметного ручейка до самых широких водных пространств и самых глубоких и просторных каньонов и долин. Залив Сан-Франциско не перекроешь длинной доской. Чтобы построить мост, пересекающий его, нужно проделать долгий эволюционный путь, пролегающий через многочисленные уровни инноваций – до открытия железа, изобретения стали и их внедрения в инженерную концепцию подвесного моста.

Такое представление инноваций, опирающееся на их связь с желанием или необходимостью увеличения размеров создаваемых конструкций, расширения горизонтов и выхода на все более обширные рынки, а также неизбежного столкновения с потенциальными пределами, создаваемыми физическими ограничениями, образует шаблон, который мы будем использовать далее в этой книге для рассмотрения сходных видов инноваций в более широком контексте биологических и социально-экономических адаптивных систем.

В следующих главах это представление будет расширено, чтобы показать, как возникла идея моделирования систем. Моделирование стало теперь настолько обычным и естественным делом, что мы, как правило, не осознаем, что оно возникло сравнительно недавно. Нам трудно представить себе то время, когда оно не было важной и неотъемлемой частью производственных процессов или научных исследований. Всякого рода модели строились в течение многих веков, особенно в архитектуре, но их назначение сводилось в основном к иллюстрации эстетических характеристик объекта, не предполагая испытаний, исследований или демонстрации динамических или физических принципов создаваемой системы на масштабной модели. Что самое важное, такие модели почти всегда изготавливались «в масштабе», как географические карты, то есть размеры каждой детали системы находились в некотором фиксированном отношении – например, 1:10 – к реальным размерам. Каждая часть такой модели была линейно масштабированным представлением соответствующей части моделируемого судна, собора или города. Такие модели вполне эстетичны и хороши в качестве игрушек, но мало что говорят о том, как работает реальная система.

В наше время любые процессы или физические объекты, какие только можно себе представить, от автомобилей, зданий, самолетов и морских судов до дорожных пробок, эпидемий, экономических процессов и погоды, «моделируются» на компьютерах. Я уже говорил выше о специально выведенных мышах, которых используют в биологических и медицинских исследованиях в качестве уменьшенной «модели» человека. Главный вопрос во всех этих случаях сводится к следующему: как можно реалистично и достоверно масштабировать результаты и наблюдения, полученные на модели, на реальный объект? Вся эта система рассуждений происходит из прискорбной неудачи, постигшей в середине XIX в. конструкцию одного корабля, и замечательных прозрений скромного инженера-любителя, придумавшего, как избежать подобных неудач в будущем.

9. «Грейт Истерн», ширококолейные железные дороги и удивительный Изамбард Кингдом Брюнель

Иногда неудачи и катастрофы дают мощный толчок развитию и создают условия для появления инноваций, новых идей и изобретений, будь то в науке, инженерном деле, финансах, политике или личной жизни человека. Именно это произошло в истории кораблестроения и привело к зарождению теории моделирования, и важнейшую роль в этой истории сыграл человек с необыкновенным именем Изамбард Кингдом Брюнель.

В 2002 г. радиостанция BBC провела по всей Британии опрос и составила список «100 величайших британцев». Первое место, наверное предсказуемо, занял Уинстон Черчилль, на третьем была принцесса Диана (с момента ее гибели к тому времени прошло всего пять лет), а за ней следовала весьма впечатляющая троица – Чарльз Дарвин, Уильям Шекспир и Исаак Ньютон. Но кто же был вторым? Не кто иной, как замечательный Изамбард Кингдом Брюнель!

Когда я упоминаю имя Брюнеля в лекциях, которые читаю за пределами Соединенного Королевства, я обычно спрашиваю слушателей, кто из них слышал о нем. В лучшем случае поднимается маленькая горстка рук, чаще всего принадлежащих выходцам из Британии. Тогда я сообщаю своей аудитории, что по опросу BBC Брюнель признан вторым в списке величайших британцев всех времен и что он обошел не только Дарвина, Шекспира и Ньютона, но даже Джона Леннона и Дэвида Бэкхема. Это заявление вызывает смех в зале, но что еще важнее, оно служит естественным переходом к некоторым острым вопросам, касающимся науки, техники, инноваций и масштабирования.

Так кто же такой Изамбард Кингдом Брюнель и чем он знаменит? Многие считают его величайшим инженером XIX столетия, человеком, идеи и изобретения которого, в особенности в области транспорта, помогли Британии стать самой могущественной и самой богатой страной мира. Он был настоящим инженером-энциклопедистом и упорно противился тенденции к специализации. Чаще всего он работал над всеми аспектами своего очередного проекта, от общей концепции до подготовки подробных чертежей, разведки на месте строительства и внимательного наблюдения за мельчайшими деталями конструирования и изготовления. Он успешно завершил множество проектов и оставил после себя необычайно богатое наследие, состоящее из замечательных конструкций, от кораблей, железных дорог и железнодорожных вокзалов до потрясающих мостов и туннелей.

Брюнель родился в 1806 г. в Портсмуте на юге Англии и умер сравнительно молодым в 1859 г. Его отец, сэр Марк Брюнель, родившийся во Франции, в Нормандии, также был чрезвычайно успешным инженером. Когда Изамбарду было всего девятнадцать лет, они работали вместе на строительстве первого в истории туннеля под судоходной рекой – туннеля под Темзой в районе Ротерхайт в Восточном Лондоне. Этот пешеходный туннель стал крупной достопримечательностью, привлекавшей ежегодно почти два миллиона туристов, каждый из которых платил за проход по нему по одному пенни. К сожалению, подобно многим таким подземным переходам он стал местом обитания бездомных, грабителей и проституток, и в 1869 г. его в конце концов преобразовали в железнодорожный туннель. Он стал частью системы лондонской подземки и используется по сей день.

В 1830 г. двадцатичетырехлетний Брюнель в чрезвычайно острой борьбе выиграл конкурс на строительство подвесного моста через ущелье реки Эйвон в Бристоле. Это была дерзкая конструкция, и после завершения строительства моста в 1864 г., через пять лет после смерти его автора, пролет этого моста стал самым длинным в мире (214 м, из которых 76 проходят над рекой). Отец Брюнеля не верил, что единый пролет такой длины физически возможно соорудить, и советовал Изамбарду сделать мост с центральной опорой – каковым советом тот благополучно пренебрег.

Позднее Брюнель стал главным инженером и проектировщиком Большой западной железной дороги (Great Western Railway), считавшейся лучшей железной дорогой своего времени: она проходила от Лондона до Бристоля и далее на запад. Работая в этой должности, он спроектировал множество прекрасных мостов, виадуков и туннелей – туннель Бокс недалеко от Бата был в то время самым длинным железнодорожным туннелем в мире – и даже вокзалов. Например, многим знаком лондонский вокзал Паддингтон и его великолепный декор из кованого железа.

Одним из самых замечательных его нововведений была уникальная широкая железнодорожная колея с расстоянием 7 футов и ¼ дюйма (2140 мм). Стандартная колея шириной 4 фута и 8½ дюйма (1435 мм), использовавшаяся в то время на всех остальных железных дорогах Великобритании, распространилась по всему миру и до сих пор применяется почти на всех железных дорогах[38]. Брюнель отмечал, что этот стандартный размер – случайно сохранившийся пережиток колей для шахтенных вагонеток, которые строили еще до появления в 1830-х гг. первых пассажирских поездов. Их ширины просто должно было хватать для того, чтобы ломовая лошадь могла поместиться между оглоблями, за которые она тянула вагонетку в шахте. Брюнель справедливо полагал, что следует серьезно обдумать вопрос оптимальной ширины колеи, и пытался внести в эту задачу рациональные соображения. Он утверждал, что, по его расчетам, подкрепленным целой серией опытов, оптимальной является более широкая колея, обеспечивающая более высокие скорости, лучшую устойчивость и большее удобство для пассажиров. Поэтому Большая западная железная дорога, единственная в своем роде, имела колею почти вдвое большей ширины, чем у всех остальных железных дорог. К сожалению, в 1892 г., после создания единой железнодорожной сети, британский парламент обязал Большую западную перейти на стандартную колею, даже несмотря на ее известные недостатки.

Изамбард Кингдом Брюнель позирует с щегольским видом на фоне цепей, сконструированных им для спуска на воду корабля «Грейт Истерн» в 1858 г. На других иллюстрациях – процесс постройки этого гигантского судна и Клифтонский подвесной мост через реку Эйвон, который Брюнель спроектировал в 1830 г., всего двадцати четырех лет от роду

Здесь ясно видны параллели с аналогичными проблемами, с которыми мы сталкиваемся и сегодня, касающимися неизбежных противоречий и компромиссов между оптимизацией, единообразием и исправлением стандартов, сложившихся исторически, особенно в стремительно развивающейся области высоких технологий. Битва за ширину железнодорожной колеи дает поучительный пример того, что инновационные изменения не всегда приводят к оптимальному решению.

Хотя проекты Брюнеля не всегда бывали полностью успешными, в них обычно содержались изобретательные инновационные решения давно существовавших инженерных задач. Вероятно, самые значительные его достижения – как и крупнейшие неудачи – были связаны с судостроением. По мере развития торговли во всемирном масштабе и установления конкурирующих друг с другом империй становилась все более насущной потребность в быстрых и эффективных перевозках на большие расстояния. Брюнель создал грандиозную концепцию непосредственного перехода с поездов Большой западной железной дороги на суда недавно созданной им Большой западной пароходной компании: чтобы пассажир, купивший билет на лондонском вокзале Паддингтон, мог проделать по нему весь путь до Нью-Йорка, перемещаясь исключительно на паровой тяге. Брюнель дал этой системе причудливое название – Океанская железная дорога. Однако тогда считалось, что судно, движущееся только на паровой тяге, не способно перевозить топливо, необходимое для такого путешествия, сохраняя при этом достаточно места для коммерческих грузов, чтобы сделать рейс экономически целесообразным.

Брюнель думал иначе. Его выводы основывались на простом рассуждении о масштабировании. Он понял, что объем груза, который может перевозить судно, увеличивается пропорционально кубу его размеров (как и его вес), а сопротивление, которое оно испытывает при движении в воде, возрастает пропорционально площади поперечного сечения корпуса и, следовательно, лишь квадрату размеров. Это очень похоже на вывод Галилея относительно масштабирования прочности балок и конечностей с увеличением веса. В обоих случаях прочность или сила возрастает медленнее, чем соответствующий вес, в соответствии с законом масштабирования с показателем ⅔. Таким образом, сила гидродинамического сопротивления, воздействующего на единицу веса груза судна, уменьшается прямо пропорционально длине корабля. Или, если взглянуть на эту ситуацию с другой стороны, возможный вес груза на единицу силы сопротивления, которую должны преодолевать двигатели судна, систематически возрастает с увеличением его размеров. Другими словами, более крупному судну требуется для перевозки каждой тонны груза пропорционально меньшее количество топлива, чем судну меньшего размера. Поэтому бо́льшие суда более производительны и более выгодны экономически, чем мелкие, – еще один замечательный пример экономии на масштабе, оказавший огромное влияние на развитие мировой торговли[39].

Хотя эти выводы не казались очевидными и в них мало кто верил, Брюнель и Большая западная пароходная компания были убеждены в их правоте. Брюнель отважно взялся за проектирование первого судна компании, «Грейт Вестерн», которое стало первым пароходом, построенным специально для трансатлантических переходов. Это был колесный пароход, построенный из дерева (и имевший про запас четыре паруса – просто на всякий случай); на момент окончания постройки в 1837 г. он был самым крупным и самым быстрым судном в мире.

Воодушевленный успехом «Грейт Вестерн» и полученным подтверждением справедливости принципа масштабирования – согласно которому крупные суда обладают большей производительностью, чем мелкие, – Брюнель построил еще более крупный корабль, разработанный со смелым использованием новых технологий и материалов, никогда ранее не совмещавшихся в одной конструкции. «Великобритания», спущенная на воду в 1843 г., была построена не из дерева, а из железа, и приводилась в движение не боковыми гребными колесами, а винтом, установленным на корме. Тем самым «Великобритания» была прототипом всех современных кораблей. Она была длиннее всех ранее построенных судов и стала первым винтовым кораблем с железным корпусом, пересекшим Атлантику. Еще и сегодня ее можно видеть полностью отреставрированной и законсервированной в сухом доке в Бристоле, созданном Брюнелем специально для ее постройки.

Покорив Атлантику, Брюнель обратил свое внимание на самую трудную задачу – соединение дальних концов разрастающейся Британской империи для укрепления ее положения в качестве господствующей мировой державы. Он хотел построить судно, которое смогло бы пройти без остановок от Лондона до Сиднея и обратно без дозаправки, на одной-единственной загрузке угля (причем дело было еще до открытия Суэцкого канала). Это означало, что такой корабль должен быть свыше 200 м длиной, более чем в два раза длиннее «Великобритании» и иметь почти в десять раз большее водоизмещение (то есть, по сути, вес). Судно, названное «Грейт Истерн», было спущено на воду в 1858 г. Следующее судно сравнимых размеров появилось почти пятьдесят лет спустя, уже в ХХ в. Чтобы почувствовать масштаб, о котором идет речь, можно отметить, что даже длина гигантских нефтяных супертанкеров, бороздящих океаны сегодня, более 150 лет спустя, превышает длину «Грейт Истерн» лишь немногим более чем в два раза.

Однако, как ни печально, «Грейт Истерн» оказался неудачным проектом. Хотя это судно было замечательным достижением инженерной мысли, поднявшим ее уровень до высоты, вновь достигнутой лишь через долгое время после начала ХХ в., его сооружение, как и многие другие проекты Брюнеля, сопровождалось многочисленными нарушениями сроков изготовления и превышениями бюджета. Но еще более явной была техническая неудача «Грейт Истерн». Судно оказалось тяжеловесным и неуклюжим, испытывало чрезмерную бортовую качку даже при умеренно сильном волнении и, что особенно важно, с трудом перемещало свою гигантскую массу даже на умеренной скорости. Как ни удивительно, не давало оно и большой экономической выгоды, в результате чего так и не было поставлено на службу империи для решения исходно поставленной перед ним грандиозной задачи – перевозки крупных грузов и многочисленных пассажиров в Индию и Австралию и обратно. Корабль совершил несколько трансатлантических переходов, после чего был бесславно преобразован в кабелеукладочное судно. Первый надежный трансатлантический телеграфный кабель, который обеспечил надежную связь между Европой и Северной Америкой и произвел тем самым революцию в области всемирной связи, был уложен в 1866 г. именно с борта «Грейт Истерн».

В конце концов «Грейт Истерн» использовался в Ливерпуле в качестве плавучего мюзик-холла и для установки рекламных плакатов, а в 1889 г. был отправлен на слом. Таков был печальный финал этого прекрасного замысла. В качестве курьезного примечания к этой истории, вероятно интересного только для страстных любителей футбола, можно упомянуть, что в 1891 г., когда был основан знаменитый британский футбольный клуб «Ливерпуль», в качестве флагштока для его нового стадиона была приобретена стеньга «Грейт Истерн». Она гордо возвышается там и по сей день.

Как же это случилось? Как мог столь великолепный замысел, воплощенный под руководством одного из самых блестящих и изобретательных инженеров всех времен, закончиться таким конфузом? «Грейт Истерн» был далеко не первым неудачно спроектированным судном, но сами его размеры, его новаторский замысел и огромная стоимость в сочетании со столь неблестящим результатом сделали его провал особенно впечатляющим.

10. Уильям Фруд и истоки теории моделирования

Когда система не работает или конструкция не соответствует ожиданиям, у такой неудачи обычно бывает множество разнообразных причин. В их число входят недостатки планирования и исполнения, низкое качество работы или материалов, ошибки руководства и даже концептуальные заблуждения. Однако есть ключевые примеры – и именно к ним относится история «Грейт Истерн», – в которых главной причиной неудачи является разработка конструкции без глубокого понимания лежащих в ее основе научных законов и базовых принципов масштабирования. Дело в том, что вплоть до второй половины XIX в. ни наука, ни масштабы не играли сколько-нибудь заметной роли в изготовлении большинства вещей, не говоря уже о морских судах.

Из этого утверждения есть некоторые существенные исключения, и наиболее заметное из них – это развитие паровых двигателей. Понимание взаимосвязей между давлением, температурой и объемом пара помогло создать чрезвычайно большие и производительные паровые котлы, которые и дали инженерам возможность строить гигантские суда вроде «Грейт Истерн», способные ходить по всему миру. Еще важнее то, что стремление разобраться в фундаментальных принципах и характеристиках эффективных двигателей, а также природе и разных формах энергии – тепловой, химической и кинетической – привело к развитию теоретических основ термодинамики. Что еще более существенно, законы термодинамики и концепции энергии и энтропии действуют далеко за пределами узкой области паровых двигателей и затрагивают любые системы, в которых происходит обмен энергией, будь то корабль, самолет, город, экономическая система, человеческий организм или вся Вселенная.

Даже во времена постройки «Грейт Истерн» такая «настоящая наука» почти или вовсе не использовалась в судостроении. Успешное проектирование и постройка кораблей основывались на постепенном накоплении знаний и технологий методом проб и ошибок, которое привело к образованию глубоко укоренившихся традиционных правил и приемов, передававшихся в основном в процессе обучения ремеслу. Как правило, каждый следующий корабль был своего рода вариацией на тему предыдущего, с небольшими изменениями в тех или иных аспектах, соответствующих предполагаемым потребностям и особенностям применения судна. Небольшие ошибки, порожденные простой экстраполяцией решений, работавших раньше, на новые обстоятельства, обычно имели сравнительно небольшой эффект. Например, при увеличении длины судна на 5 % мог получиться корабль, не вполне соответствующий проектным требованиям или ведущий себя несколько неожиданным образом, но от таких «ошибок» легко было избавиться в последующих вариантах при помощи соответствующих исправлений или изобретательных нововведений – иногда это даже приводило к усовершенствованию конструкции. Таким образом, судостроение, подобно почти всем другим отраслям материального производства, развивалось практически органическим путем, имитируя процесс, родственный естественному отбору.

На этот постепенный и, по существу, линейный процесс развития накладывались время от времени случающиеся нелинейные скачки, изобретения и инновации, приводившие к значительным изменениям используемых конструкций и материалов – например, введение парусов или гребного винта, использование пара или железа. Хотя такие инновационные скачки тоже основывались на прежних конструкциях, они требовали переосмысления и зачастую значительной перестройки производства до того, как мог появиться новый работоспособный прототип.

Испытанный на практике процесс простой экстраполяции предыдущих конструкций хорошо работал при проектировании и строительстве новых судов, постольку-поскольку изменения были постепенными. Глубокого научного понимания того, почему что-то работало именно так, как оно работало, не требовалось, потому что длинная последовательность созданных ранее успешных судов обеспечивала наличие решений для большинства возникающих задач. Сущность этой системы была ясно выражена в замечании о корабелах, задолго до того создавших катастрофически неудачное судно, шведский боевой корабль «Ваза»: «Проблема состояла в том, что наука кораблестроения не была в то время полностью освоена. Проектные чертежи не использовались, и корабли проектировали “методом тыка”, в основном опираясь на предыдущий опыт»[40]. Корабелы получали общие размеры судна и должны были создать корабль с высокими мореходными качествами на основе собственного опыта. Задача, казалось бы, довольно простая, и все могло бы быть в порядке, если бы «Ваза» предполагал лишь небольшое увеличение размеров по сравнению с другими судами, построенными на стокгольмской верфи.

Однако король Густав II Адольф потребовал построить судно, которое на 30 % превосходило по длине предыдущие и имело дополнительную палубу для установки необычайно тяжелых пушек. При таких радикальных требованиях малая ошибка проекта уже не могла привести лишь к небольшим отклонениям в поведении готовой конструкции. Судно такого размера – это сложная конструкция, и его динамика, особенно касающаяся его устойчивости, принципиально нелинейна. Малая ошибка проектирования может привести – и приводит – к макроскопическим нарушениям в поведении конструкции, которые заканчиваются катастрофой. К сожалению, у корабелов не было никаких научных знаний, позволяющих правильно масштабировать судно на столь значительную величину. Собственно говоря, никаких научных знаний, позволяющих правильно масштабировать судно на малую величину, у них тоже не было, но это не имело большого значения. В результате корабль получился слишком узким, а его центр тяжести оказался расположен слишком высоко, так что его могло опрокинуть даже легким порывом ветра. Так и случилось еще до того, как судно, отправлявшееся в свой первый рейс, вышло из стокгольмской гавани. Корабль затонул, причем погибло множество людей[41].

То же можно сказать и о «Грейт Истерн»: увеличение размеров в его случае было еще больше, так как длина судна была увеличена в два раза, а его вес – почти в десять раз. Брюнель и его коллеги просто не обладали научными знаниями, необходимыми для правильного масштабирования корабля при таком большом увеличении размеров. К счастью, эта ошибка привела не к потерям человеческих жизней, а лишь к экономической катастрофе. В условиях столь яростной рыночной конкуренции недостаточная эффективность равносильна смерти.

Научная теория, определяющая основы движения судов, была разработана лишь в течение десятилетия, предшествовавшего постройке «Грейт Истерн». Формализованное описание гидродинамики предложили независимо друг от друга французский инженер Клод-Луи Навье и великий ирландский физик и математик Джордж Стокс. Основополагающее уравнение, общеизвестное под названием уравнения Навье – Стокса, было получено в результате применения законов Ньютона к движению текучих сред и, в более широком смысле, к динамике физических объектов, движущихся в таких средах, – например, кораблей в воде или самолетов в воздухе.

Все это звучит весьма запутанно, и вполне возможно, что вы никогда не слыхали об уравнении Навье – Стокса, но оно играло и до сих пор играет важнейшую роль почти во всех аспектах вашей жизни. Помимо многого другого, именно оно лежит в основе конструкции самолетов, автомобилей, гидроэлектростанций и искусственных сердец, определяет понимание течения крови в сосудах и гидрологии рек и систем водоснабжения. Именно на нем основываются понимание и прогнозирование погоды, поведения океанских течений и загрязнения окружающей среды, а потому оно является ключевым элементом теории изменений климата и предсказаний глобального потепления.

Мне неизвестно, знал ли Брюнель об открытии этих уравнений, управляющих движением судов, которые он проектировал, но он точно обладал прозорливостью и чутьем, позволившими ему привлечь к сотрудничеству человека, знакомого с ними. Этим человеком был Уильям Фруд, изучавший математику в Оксфорде и работавший за несколько лет до того на Большой западной железной дороге в качестве начинающего инженера.

Во время постройки «Грейт Истерн» Брюнель поручил Фруду исследовать задачу о бортовой качке и устойчивости судов. Эта работа в конце концов привела его к ответу на важнейший вопрос об оптимальной форме корабельного корпуса, минимизирующей воздействие вязкой силы сопротивления воды. Ее результаты оказали огромное влияние на экономические аспекты судоходства и мировой торговли. Так родилась современная наука о проектировании судов. Однако еще более важными были влияние и долгосрочное значение разработанной Фрудом революционной концепции моделирования систем, позволявшего определить, как будет работать реальное воплощение модели.

Хотя уравнение Навье – Стокса описывает движение текучих сред практически в любых условиях, получить его точное решение чрезвычайно трудно, а в большинстве случаев и вовсе невозможно, в связи с его фундаментальной нелинейностью. Грубо говоря, эта нелинейность порождается механизмами обратной связи, через которые вода взаимодействует сама с собой. Это взаимодействие проявляется в самых разнообразных интересных эффектах и картинах, которые мы видим, например, в завихрениях и водоворотах рек и ручьев, в кильватерной струе проходящих кораблей, в завораживающем величии ураганов и торнадо или в красоте и бесконечном разнообразии морских волн. Все это богатство проявлений турбулентности спрятано в уравнении Навье – Стокса.

Именно изучение турбулентности дало нам первые существенные математические представления о концепции сложности и ее взаимосвязи с нелинейностью. Сложные системы часто проявляют хаотическое поведение, в котором малые изменения или возмущения в одной части системы порождают экспоненциально усиленную реакцию какой-либо другой ее части. Как мы уже говорили, в соответствии с традиционным линейным мышлением малое возмущение должно вызывать соизмеримо малые последствия. Резко противоречащее нашим подсознательным представлением усиление, свойственное нелинейным системам, часто иллюстрируют так называемым эффектом бабочки – когда взмах крыльев бабочки в Бразилии якобы вызывает ураган во Флориде. Несмотря на 150 лет интенсивных теоретических и экспериментальных исследований, общее понимание турбулентности все еще остается нерешенной физической задачей, хотя мы успели узнать о ней чрезвычайно много. По словам знаменитого физика Ричарда Фейнмана, турбулентность – это «самая важная из нерешенных задач классической физики»[42].

Хотя Фруд, возможно, не вполне осознавал, насколько огромная задача перед ним стоит, он хорошо понимал, что судостроению необходима новая прикладная стратегия. Именно исходя из этого он изобрел новую методику моделирования и, таким образом, концепцию теории моделирования, определяющей, как численные результаты исследований на уменьшенном масштабе можно использовать для предсказания поведения корабля реальных размеров. Следуя по стопам Галилея, Фруд понял, что почти любое масштабирование нелинейно, так что традиционные модели, основанные на точном воспроизведении объекта («один к одному»), не помогают понять, как работает реальная система. Его эпохальный вклад состоял в предложении стратегии вычислений, позволяющих провести корректное масштабирование малоразмерной модели до полноразмерного объекта.

Как это часто бывает с новыми идеями, грозящими изменить наши представления о давно известных задачах, знатоки того времени поначалу посчитали достижения Фруда несущественными. Джон Рассел, который в 1860 г. основал в Англии Королевский институт кораблестроения, чтобы позволить проектировщикам судов получать официальное образование, высмеивал Фруда: «Мы получим целый набор прекрасных, увлекательных экспериментиков в уменьшенном масштабе, и мистеру Фруду, несомненно, доставит бесконечное удовольствие их создание… а нам доставят бесконечное удовольствие рассказы о них, но от каких бы то ни было практических результатов в крупном масштабе они будут весьма далеки».

Многим из нас знакома риторика такого типа, которую часто можно услышать в отношении научных исследований, якобы утративших связь с «реальностью». Несомненно, во многих случаях эта связь действительно бывает утрачена. Но во многих других случаях это не так, и, что особенно важно, зачастую бывает трудно сразу оценить потенциальный эффект очередной научной работы, кажущейся невразумительной. Все наше основанное на технологических достижениях общество и необычайно высокий уровень жизни, которого повезло достичь многим из нас, во многом основываются на результатах именно таких исследований. В обществе постоянно возникают противоречия между поддержкой фундаментальных исследований, которые кажутся отвлеченными и не обещают немедленных практических выгод, и исследованиями более узкими, сосредоточенными на «практических, реальных» задачах.

К чести Рассела, нужно сказать, что в 1874 г., после того как Фруд произвел революцию в проектировании кораблей, тот пошел на попятную и стал горячим сторонником методов и идей Фруда. При этом, однако, он довольно неубедительно утверждал, что сам независимо пришел к тем же выводам и провел те же опыты много лет назад. Собственно говоря, Рассел был основным партнером Брюнеля в постройке «Грейт Истерн» и действительно пытался работать с моделями, но, к сожалению, не осознавал ни их значения, ни теории, лежавшей в их основе.

Фруд строил уменьшенные модели кораблей от метра до трех длиной, протягивал их через вытянутые бассейны, наполненные водой, и измерял их сопротивление потоку воды и характеристики их устойчивости. Благодаря своему математическому образованию он обладал техническим аппаратом, позволявшим ему масштабировать полученные результаты на случай крупноразмерных судов.

Он выяснил, что основная величина, определяющая характер относительного движения модели, – это параметр, который назвали впоследствии числом Фруда. Он определяется как отношение квадрата скорости судна к произведению его длины на гравитационное ускорение. Такое труднопроизносимое определение может показаться несколько устрашающим, но на самом деле в нем нет ничего сложного: упоминаемое в нем «гравитационное ускорение» одинаково для всех предметов независимо от их размеров, формы и состава. Последнее утверждение попросту повторяет другими словами утверждение Галилея о том, что падающие предметы разной массы достигают земли за одно и то же время. Таким образом, в том, что касается действительно изменяющихся величин, число Фруда просто пропорционально отношению квадрата скорости к длине судна. Это отношение играет ключевую роль во всех задачах, касающихся движения чего бы то ни было, от летящей пули и бегущего динозавра до летящего самолета и плывущего корабля.

Основная суть открытия Фруда состояла в том, что, поскольку основные физические свойства остаются неизменными, объекты разных размеров, движущиеся с разными скоростями, ведут себя одинаково, если соответствующие им числа Фруда имеют одинаковое значение. Таким образом, подобрав длину и скорость модели так, чтобы ее число Фруда было тем же, что и у реального судна, можно изучать динамическое поведение полноразмерного корабля еще до его постройки.

Приведем простую иллюстрацию этого принципа на примере следующей задачи: с какой скоростью должна двигаться трехметровая модель, чтобы отражать движение корабля «Грейт Истерн» длиной 210 м со скоростью 20 узлов (чуть более 37 км/ч)? Чтобы числа Фруда (то есть отношения квадрата скорости к длине) корабля и модели были одинаковыми, скорость должна быть пропорциональна квадратному корню из длины. Отношение квадратных корней из длин этих объектов равна √(210 м / 3 м), то есть √70 = 8,4. Тогда скорость трехметровой модели, имитирующей движение «Грейт Истерн», должна быть приблизительно равна 20 / 8,4 = 2,5 узла, то есть около скорости пешехода. Другими словами, динамика модели корабля длиной 3 м, движущейся со скоростью всего 2,5 узла, соответствует поведению корабля «Грейт Истерн» длиной 210 м на скорости 20 узлов.

Я привел упрощенное описание этой методики: на самом деле в задачу обычно входят и другие параметры, аналогичные числу Фруда, которые позволяют прямо учесть другие динамические эффекты, например вязкость воды. Тем не менее этот пример иллюстрирует суть метода Фруда и дает общий шаблон для теории моделирования и масштабирования. Он знаменует переход от примитивного метода проб и ошибок, использования кустарных способов, которые верой и правдой служили нам в течение тысячелетий, к более аналитической, научно обоснованной стратегии решения проблем и конструирования самых разнообразных современных изделий, от компьютеров и кораблей до самолетов, зданий и даже компаний. Бассейны, подобные созданным Фрудом, до сих пор применяются для изучения поведения судов, а разработанные на их основе аэродинамические трубы, оказавшие сильное влияние на братьев Райт, играют аналогичную роль в проектировании самолетов и автомобилей. В центре процесса проектирования находятся теперь замысловатые процедуры компьютерного анализа, в которых для оптимизации работы той или иной конструкции используются принципы все той же теории масштабирования. Выражение «компьютерная модель» прочно вошло в наш словарь. Благодаря им мы сейчас можем «решать» уравнения Навье – Стокса или аналогичные им задачи – или моделировать их решения, – что повышает точность наших предсказаний.

Одно из забавных и непреднамеренных последствий этого прогресса состоит в том, что, например, почти все современные автомобили стали похожи друг на друга, потому что их производители, оптимизируя сходные рабочие параметры, решают одни и те же уравнения. Лет пятьдесят назад, когда такие большие вычислительные мощности еще не были доступны и, следовательно, точность прогнозирования была ниже, а мы меньше заботились об экономии топлива и уровне выброса отработанных газов, конструкции автомобилей были гораздо более разнообразными – и потому гораздо более интересными. Сравнить хотя бы «студебекер-хоук» 1957 г. или «роллс-ройс» 1927 г. с относительно скучной на вид «хондой-сивик» 2006 г. или «теслой» 2014 г., хотя последние машины и обладают гораздо лучшими рабочими характеристиками.

11. Сходство и подобие: безразмерные и масштабно-инвариантные числа

Развитие методики масштабирования, предложенной Фрудом, превратило ее к настоящему времени в мощный и сложный элемент инструментария науки и техники, в высшей степени эффективно используемый для решения широчайшего спектра задач. В общем виде эта методика была формализована лишь в начале ХХ в., когда выдающийся специалист по математической физике лорд Рэлей опубликовал в журнале Nature важную статью под названием «Принцип подобия» (The Principle of Similitude)[43]. Этим термином он обозначал то, что мы называем теорией масштабирования. Главным образом он подчеркивал ту важнейшую роль, которую играют в любой физической системе особые величины, обладающие свойством безразмерности. Речь идет о сочетаниях переменных, подобных числу Фруда, значение которых остается неизменным независимо от используемой системы единиц измерения. Позвольте мне рассказать о них поподробнее.

Большинство величин, которые мы привыкли измерять в повседневной жизни, – например, расстояние, время или давление – зависит от того, в каких единицах их измеряют: например, в метрах, секундах, паскалях и так далее. Однако одну и ту же величину можно измерить в разных единицах: например, расстояние от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса равно 3210 милям, но его же можно выразить в виде 5871 км. Эти разные числа выражают одно и то же. Точно так же расстояние от Лондона до Манчестера можно выразить в виде 278 миль или 456 км. Однако отношение расстояний между Нью-Йорком и Лос-Анджелесом и между Лондоном и Манчестером (будь то 3210 миль / 278 миль или 5871 км / 456 км) остается неизменным (и равным 14,89) независимо от того, какие используются единицы измерения.

Это дает нам простейший пример безразмерной величины: это «чистое» число, не изменяющееся, когда для его измерения используется другая система единиц. Такая масштабная инвариантность отражает некое абсолютное качество тех величин, которые представляют такие числа: они не зависят от произвольно выбранных человеком единиц и методов измерения. Конкретные единицы измерения придуманы человеком для удобства выражения мер стандартизованным языком, в особенности когда речь идет о строительстве, торговле и обмене товарами и услугами. Более того, введение стандартизованных мер отмечает важнейший этап развития цивилизации и возникновения городов, так как они были абсолютно необходимы для создания надежной политической системы, подчиняющейся верховенству законов.

Вероятно, самое знаменитое безразмерное число – это число пи (π), отношение длины окружности к ее диаметру. Оно не имеет размерности, потому что это отношение двух длин, и имеет одно и то же значение для всех окружностей, где бы и когда бы они ни существовали, какими бы большими или малыми они ни были. Поэтому в нем воплощается универсальное качество «круглости».

Именно в связи с концепцией «универсальности» в определение числа Фруда было включено гравитационное ускорение, хотя оно и не играет явной роли в масштабировании модели корабля до его реальных размеров. Оказывается, что отношение квадрата скорости к длине не безразмерно и, следовательно, зависит от используемых единиц измерения. Разделив его на ускорение свободного падения, его можно сделать безразмерным и, таким образом, масштабно-инвариантным.

Но почему было выбрано именно гравитационное, а не какое-нибудь другое ускорение? Потому что гравитация влияет на любое движение повсюду на Земле. Это явно чувствуется, когда мы идем или бежим и вынуждены постоянно бороться с гравитацией, поднимая ногу при каждом следующем шаге, – особенно если дорога идет в гору. Ее влияние на движение кораблей не столь очевидно, поскольку силу тяжести уравновешивает выталкивающая сила воды (вспомним закон Архимеда). Однако, когда судно движется в воде, оно постоянно создает кильватерный след и поверхностные волны, поведение которых определяется воздействием гравитации. Собственно говоря, техническое название знакомых нам волн на поверхности морей и озер – гравитационные волны. Поэтому гравитация играет, хоть и не напрямую, важную роль в движении кораблей. Таким образом, число Фруда олицетворяет «универсальное» качество, присущее любому движению на Земле, независимо от конкретных особенностей объекта, совершающего это движение. Поэтому его значение определяет характеристики движения не только кораблей, но и автомобилей, самолетов и нас самих. Более того, по нему можно определить, как именно движение на других планетах, на которых действует отличная от земной сила тяжести, отличается от аналогичного движения на Земле.

Поскольку сущность любой измеримой величины не может зависеть от произвольного выбора единиц измерения, сделанного человеком, не могут от него зависеть и законы физики. Следовательно, все они – и вообще все научные законы – должны быть выражаемы в виде соотношений между масштабно-инвариантными безразмерными величинами, даже если обычно мы записываем их в другой форме для собственного удобства. В этом состоял основной посыл эпохальной статьи Рэлея.

В его работе приводятся изящные иллюстрации применения этой методики на многочисленных, тщательно подобранных примерах, в том числе и научное объяснение одной из величайших загадок жизни, о которой в тот или иной момент задумывался каждый из нас: почему небо синее? Используя изящное рассуждение, основывающееся исключительно на безразмерных величинах, Рэлей показывает, что интенсивность рассеяния световых волн на мелких частицах должна спадать пропорционально четвертой степени длины волны. Поэтому, когда солнечный свет, представляющий собой сочетание всех цветов радуги, рассеивается на микроскопических частицах, взвешенных в атмосфере, наиболее интенсивным оказывается свет с самой короткой длиной волны, то есть синий.

Собственно говоря, Рэлей вывел этот потрясающий результат гораздо раньше, в блестящей работе, основанной на мастерском математическом анализе этой задачи, давшем подробное механистическое объяснение происхождения сдвига к синему краю спектра. Он привел простой вывод этого решения в статье, посвященной подобию, чтобы продемонстрировать, что тот же самый результат можно было получить, по его словам, «всего за несколько минут размышлений» и без применения подробных и замысловатых математических построений, если использовать логику масштабирования, которую он называет «великим принципом подобия». Его рассуждение о масштабировании показывает, что сдвиг в сторону коротких волн является неизбежным результатом любого анализа, проведенного с правильным выбором существенных переменных. Чего в этом выводе недостает, так это более глубокого понимания того механизма, который обеспечивает получение результата. Это характерно для многих рассуждений, касающихся масштабирования: в них можно получить общие результаты, но подробности причин их возникновения иногда остаются неясными.

Проведенный Рэлеем математический анализ рассеяния волн заложил основы так называемой теории рассеяния. Ее приложения ко многим задачам, от волн в воде до волн электромагнитных, в особенности радиолокационных, а в более недавнее время – в области компьютерной связи, имели чрезвычайно большое значение, но не менее важной была и роль, которую она сыграла в развитии квантовой механики. Именно на основе этой теории был построен аппарат, позволяющий извлекать информацию из «экспериментов по рассеянию», которые проводятся на крупных ускорителях элементарных частиц, например в Европейском центре ядерных исследований (CERN) в Женеве, в котором недавно был открыт знаменитый бозон Хиггса.

Если посмотреть на исходную статью, которую он опубликовал в 1870 г., в возрасте всего двадцати восьми лет, можно увидеть, что имя ее автора – вовсе не лорд Рэлей. Тогда он носил гораздо более прозаическое имя Джона Стретта, больше подходящее персонажу из романа Томаса Харди, чем заслуженному профессору физики из Кембриджа. Так звали Рэлея до того, как в 1873 г. он унаследовал свой титул от отца; после этого он и стал называться лорд Рэлей. Фамилия Стретт более всего известна общественности по его младшему брату Эдварду, основавшему знаменитую фирму по торговле недвижимостью под названием Strutt & Parker: сейчас эта компания является одним из крупнейших коллективных собственников недвижимости в Великобритании. В следующий раз, когда будете в Лондоне, обратите внимание на ее фирменные знаки на дорогих зданиях в центре города.

Рэлей был замечательным ученым-универсалом. В число множества его великих достижений входят разработка теории звука и открытие аргона, за которое он получил в 1904 г. одну из первых в истории Нобелевских премий (точнее говоря, четвертую).

Глава 3. Простота, единство и сложность жизни

Как подчеркивалось в первой главе, все живые системы, от мельчайших бактерий до крупнейших городов и экосистем, являются, по сути, адаптивными сложными системами, действующими в широчайшем диапазоне множественных пространственных, временных, энергетических и массовых масштабов. Лишь в том, что касается массы, общий масштаб форм жизни охватывает более тридцати порядков величины (10^30), считая от молекул, обеспечивающих работу обмена веществ и генетического кода, до целых экосистем и городов. Этот диапазон значительно превышает соотношение массы Земли и массы всей нашей галактики, Млечного Пути, составляющее «всего» восемнадцать порядков, и сравним с соотношением массы электрона с массой мыши.

Во всем этом огромном спектре жизнь создает поразительное разнообразие форм, функций и видов динамического поведения, используя, по сути дела, одни и те же основные элементы. Это дает убедительное доказательство силы естественного отбора и эволюционной динамики. Все формы жизни существуют за счет преобразования энергии, получаемой из физических или химических источников, в органические молекулы, метаболизируемые для строительства, содержания и воспроизводства сложных, высокоорганизованных систем. Этот процесс реализуется благодаря работе двух раздельных, но тесно взаимодействующих систем: генетического кода, хранящего и обрабатывающего информацию и «инструкции» по сборке и содержанию организма, и системы обмена веществ, которая принимает, преобразует и распределяет энергию и материалы для его содержания, роста и воспроизводства. В понимании обеих этих систем на разных уровнях, от молекул до целых организмов, были достигнуты большие успехи, и ниже мы поговорим о том, как эти результаты можно распространить на случаи городов и компаний. Однако понимание того, как обработка информации («геномика») объединяется для поддержания жизни с переработкой энергии и ресурсов («метаболикой»), остается весьма затруднительным. Выявление универсальных принципов, лежащих в основе структуры, динамики и интеграции этих систем, является ключом к пониманию жизни и управлению биологическими и социально-экономическими системами в столь разных сферах, как медицина, сельское хозяйство и экология.

Невероятный диапазон жизни, от сложных молекул и микробов до китов и секвой, в сравнении с галактическим и субатомным масштабами

Мы разработали единую систему понимания генетики, которая может объяснить самые разные явления, от репликации, транскрипции и трансляции генов до эволюционного происхождения видов. Однако сравнимая единая теория метаболизма, которая связала бы процессы, благодаря которым преобразования энергии и материалов, вызываемые биохимическими реакциями внутри клетки, масштабируются для поддержания жизни, обеспечения работы биологических механизмов и определения временных масштабов жизненных процессов на всех уровнях, от организмов до экосистем, формируется медленнее.

Поиск фундаментальных принципов, управляющих возникновением сложности жизни из лежащих в ее основе простых элементов, является одной из главных задач науки XXI в. Хотя эта задача относится и будет относиться главным образом к сфере деятельности биологов и химиков, другие дисциплины, в частности физика и информатика, играют в ней все более важную роль. В самом общем смысле, понимание механизмов образования сложности из простоты, важного элемента адаптивных развивающихся систем, – это один из краеугольных камней новой науки, называемой теорией сложности.

Физика занимается фундаментальными принципами и концепциями на всех уровнях организации, количественно измеримыми и «математизируемыми» (то есть поддающимися вычислению), которые поэтому позволяют получать точные предсказания, проверяемые опытами и наблюдениями. С этой точки зрения естественно спросить, существуют ли математизируемые «универсальные законы жизни», которые позволили бы сформулировать положения биологии в виде предсказательной, количественно измеримой науки наподобие физики. Можно ли представить себе, что существуют еще ждущие своего открытия «биологические законы Ньютона», дающие хотя бы принципиальную возможность точного расчета любых биологических процессов – так, чтобы, например, можно было точно предсказать, сколько нам с вами осталось жить?

Это кажется крайне маловероятным. В конце концов, жизнь – это поистине сложная система, проявляющая на самых разных уровнях множество эмерджентных явлений, вызываемых многочисленными случайными последовательностями событий. Тем не менее вполне разумным могло бы быть предположение о том, что общие, грубые черты поведения живых систем могут подчиняться неким универсальным законам, отражающим их основные черты и поддающимся выражению в численном виде. Такая, более умеренная, точка зрения предполагает, что на каждом уровне может быть построена усредненная, идеализированная биологическая система, общие свойства которой можно вычислить. Тогда мы должны быть в состоянии рассчитать среднюю и максимальную продолжительность человеческой жизни, даже если вычислить длительность своей собственной жизни нам никогда не удастся. Это дает нам отправную точку, основу для численного понимания реальных биологических систем, которые можно считать вариациями или возмущениями относительно идеализированных норм, вызванными местными различиями в состоянии окружающей среды или расхождениями в истории эволюционного развития. Ниже я буду гораздо более подробно говорить об этой перспективе, так как она образует идеологическую основу стратегии подхода к разрешению большинства из вопросов, заданных в первой главе.

1. От кварков и струн до клеток и китов

Прежде чем мы займемся некоторыми из упомянутых великих вопросов, я хочу сделать небольшое отступление и описать ту последовательность счастливых случайностей, которая привела меня от исследования фундаментальных проблем физики к фундаментальным проблемам биологии, а затем и к фундаментальным проблемам социально-экономических наук, касающимся основополагающих вопросов глобальной жизнеспособности.

В октябре 1993 г. конгресс США с согласия президента Билла Клинтона официально закрыл крупнейший из когда-либо задуманных научный проект, на реализацию которого уже было потрачено почти три миллиарда долларов. Этот необычайный проект предполагал создание гигантского Сверхпроводящего суперколлайдера (Superconducting Super Collider, SSC). Некоторые считали этот ускоритель в совокупности с детекторами, которые планировалось установить на нем, величайшей инженерной задачей в истории. SSC должен был быть гигантским микроскопом, предназначенным для исследования расстояний до сотен триллионных микрона с целью выявления структуры и динамики фундаментальных составляющих элементов материи. Он мог дать жизненно важные свидетельства для проверки предсказаний, полученных из нашей теории элементарных частиц, возможно, привести к открытию новых явлений и заложить основы так называемой теории Великого объединения всех фундаментальных сил природы. Этот грандиозный проект мог не только дать нам более глубокое понимание того, из чего состоит весь окружающий нас мир, но и открыть важные аспекты эволюции Вселенной с момента Большого взрыва. Во многих отношениях этот проект олицетворял высочайшие идеалы человечества как единого существа, обладающего достаточно высоким уровнем сознания и разумности для проявления интереса к бесконечной задаче раскрытия некоторых из глубочайших тайн Вселенной – а может быть, даже и для определения самого смысла нашего существования, роли человека как проводника самопознания Вселенной.

Масштаб SSC был огромен: он должен был иметь более 80 км в длину и разгонять протоны до энергии 20 триллионов электрон-вольт; стоимость проекта превышала 10 миллиардов долларов. Чтобы получить представление об этом масштабе, нужно вспомнить, что характерная энергия химических реакций, на которых основана жизнь, составляет порядка одного электрон-вольта. Энергия протонов в SSC должна была быть в восемь раз больше, чем в Большом адронном коллайдере, работающем сейчас в Женеве и оказавшемся недавно в центре внимания общественности в связи с открытием бозона Хиггса.

Кончина SSC была связана с несколькими разными, почти предсказуемыми причинами, в том числе с неизбежными финансовыми проблемами, состоянием экономики, негативным политическим образом Техаса, в котором строился ускоритель, недостаточным вдохновением руководства и так далее. Но одной из главных причин краха этого проекта был рост негативных взглядов на традиционную «большую науку» вообще и физику в частности[44]. Они принимали множество разных форм, но особенно часто многим из нас приходилось сталкиваться с одним высказыванием, которое я уже цитировал выше: «Если XIX и XX века были веками физики, то XXI век будет веком биологии».

Даже самому высокомерному и фанатичному физику трудно спорить с мыслью о том, что в XXI в. биология, по всей вероятности, должна затмить физику в качестве «главной науки». Но особенно раздражал многих из нас делавшийся из этого вывод (который часто высказывался прямым текстом) о том, что дальнейшие фундаментальные исследования в физике такого рода больше не нужны, так как мы уже знаем все, что нужно знать. К сожалению, жертвой именно такого ошибочного провинциального мышления и пал проект SSC.

В то время я руководил в Лос-Аламосской национальной лаборатории программой физики высоких энергий, в рамках которой мы принимали значительное участие в создании одного из двух крупных детекторов для SSC. Поясню для тех, кто не знаком с этой терминологией, что «физикой высоких энергий» называют раздел физики, занимающийся решением фундаментальных вопросов об элементарных частицах, взаимодействии между ними и их влиянии на космологические процессы. Я был (и остаюсь до сих пор) физиком-теоретиком, и мои основные исследовательские интересы были в то время сосредоточены именно в этой области. Моя рефлекторная реакция на такие провокационные заявления относительно расхождения путей физики и биологии сводилась к тому, что биология почти наверняка будет главенствующей наукой XXI в., но, чтобы достичь настоящего успеха, она должна будет усвоить некоторые из элементов численной, аналитической, предсказательной культуры, которые уже принесли такой успех физике. Биология должна будет интегрировать в свой традиционный подход, опирающийся на статистические, феноменологические и качественные аргументы, более теоретическую систему, основанную на фундаментальных математических или вычислительных принципах. К стыду своему, должен признать, что в то время я знал о биологии очень мало, и эти выступления проистекали в основном из высокомерия и невежества.

Тем не менее я решил подкрепить слово делом и начал думать о том, как парадигма и культура физики могла помочь в решении интересных задач биологии. Разумеется, уже существовали физики, совершавшие чрезвычайно успешные экскурсы в область биологии, и самым замечательным из них был, пожалуй, Фрэнсис Крик, определивший вместе с Джеймсом Уотсоном структуру ДНК, что произвело настоящую революцию в нашем понимании генома. Другим был великий физик Эрвин Шредингер, один из основателей квантовой механики, прекрасная книжка которого, вышедшая в 1944 г. под названием «Что такое жизнь?», оказала на биологию большое влияние[45]. Эти примеры доказывали самым вдохновляющим образом, что в физике может найтись нечто интересное для биологии, и стимулировали слабый, но постоянно набирающий силу поток физиков, переходящих границу между этими двумя науками, который привел к зарождению новой дисциплины – биофизики.

К моменту кончины SSC мне было слегка за пятьдесят и, как я уже говорил в начале этой книги, я все более остро осознавал неизбежное разрушительное воздействие старения и ограниченность жизни. С учетом неблестящих результатов, показанных мужчинами прошлых поколений моей семьи в области долголетия, мне казалось естественным начать свои размышления о биологии с изучения старения и смертности. Поскольку эти свойства относятся к наиболее универсальным и фундаментальным характеристикам всего живого, я наивно полагал, что о них должно быть известно почти все. Однако, к большому своему удивлению, я не только узнал, что не существует общепринятой теории старения и смертности, но и сама область исследования этих вопросов оказалась маленькой и довольно застойной. Более того, выяснилось, что изучались лишь немногие из тех вопросов, постановка которых казалась бы физикам совершенно естественной, – например, тех, которые я задавал в первой главе. В частности, я имею в виду вопросы о том, откуда берется характерный масштаб продолжительности человеческой жизни в сто лет и какой могла бы быть численная, обладающая предсказательной силой теория старения.

Смертность – важное свойство жизни. Собственно говоря, она неявным образом является значимым элементом теории эволюции. Один из необходимых компонентов процесса эволюции состоит в том, что особи рано или поздно умирают, что позволяет их потомству распространять новые комбинации генов и в конце концов приводит к адаптации новых черт и вариантов в процессе естественного отбора и к росту многообразия видов. Все мы должны умереть, чтобы нечто новое могло расцветать, исследовать, приспосабливаться и развиваться на нашем месте. Эту идею красноречиво выразил Стив Джобс[46]:

Никто не хочет умирать. Даже те, кто мечтает попасть на небо, не готовы ради этого умереть. И тем не менее всем нам суждена смерть. Ее не избежал никто, и так оно и должно быть, потому что смерть – это, по всей вероятности, самое лучшее из всех изобретений жизни. Это проводник изменений жизни. Она убирает старое, чтобы расчистить дорогу новому.

Учитывая огромное значение смерти и ее предшественника, процесса старения, я рассчитывал, что, взяв какой-нибудь учебник вводного курса биологии, я найду в нем целую главу, посвященную смерти в рамках обсуждения основных черт жизни, подобного обсуждениям рождения, роста, воспроизводства, обмена веществ и так далее. Я ожидал встретить дидактическое изложение механистической теории старения, которое содержало бы простой расчет, показывающий, почему мы живем именно около ста лет, и отвечающий на все заданные выше вопросы. Не тут-то было. Я вообще не нашел ни каких-либо упоминаний о такой теории, ни какого-либо намека на то, что эти вопросы кого-либо интересуют. Это было весьма удивительно, особенно с учетом того, что, если не считать рождения, смерть является наиболее выдающимся событием биологической жизни человека. Будучи физиком, я засомневался, до какой степени биологию можно считать «настоящей» наукой (имея в виду, конечно же, ее сходство с физикой!) и как она собирается стать главной наукой XXI в., если не занимается такого рода фундаментальными вопросами.

Кажущееся общее отсутствие интереса к проблеме старения и смертности в биологическом сообществе, не считая сравнительно небольшого числа исследователей, посвятивших свою работу именно им, побудило меня задуматься над этими вопросами. Поскольку казалось, что практически никто не применял к ним численного или аналитического подхода, применение в этой области физических методов, наверное, могло привести к небольшому прогрессу. Поэтому в свободное от возни с кварками, глюонами, темной материей и струнами время я начал думать о смерти.

В самом начале своих исследований в этом новом направлении я получил неожиданную поддержку своим раздумьям о биологии как точной науке и ее отношениях с математикой из довольно неожиданного источника. Я узнал, что идеи, казавшиеся мне бунтовщическими, уже высказывал, к тому же более глубоко и красноречиво, почти за сто лет до того один выдающийся и несколько эксцентричный биолог, сэр Дарси Уэнтворт Томпсон, в своей книге «О росте и форме», опубликованной в 1917 г.[47]. Эта замечательная книга оставалась с тех пор предметом негромкого поклонения не только в биологии, но и в математике, искусстве и архитектуре. Она оказала влияние на многих мыслителей и художников, от Алана Тьюринга и Джулиана Хаксли до Джексона Поллока. О ее неизменной популярности свидетельствует тот факт, что она все еще переиздается. Выдающийся биолог сэр Питер Медавар, пионер пересадки органов, получивший Нобелевскую премию за свою работу по реакциям на пересадку тканей и приобретенной иммунотолерантности, считал, что «О росте и форме» – это «величайшее литературное произведение в анналах науки, записанных на английском языке».

Томпсон был одним из последних «людей Возрождения», представителем той породы много- и междисциплинарных ученых, которая сейчас практически исчезла. Хотя свой основной вклад он внес в биологию, он также был весьма крупным специалистом по классическим языкам и математике. Он был избран президентом Британской ассоциации антиковедов и президентом Королевского географического общества, а его математические таланты позволили ему стать почетным членом Эдинбургского математического общества. Он происходил из шотландского рода с богатыми интеллектуальными традициями и, подобно Изамбарду Кингдому Брюнелю, носил имя, которое отлично подошло бы второстепенному персонажу викторианского романа.

Томпсон начинает свою книгу с цитаты из знаменитого немецкого философа Иммануила Канта, сказавшего, что современная ему химия была «eine Wissenschaft, aber nicht Wissenschaft». В переводе Томпсона это означает, что химия – это «некая наука, но не Наука», причем он уточняет, что «критерием подлинной науки является ее отношение к математике». Далее Томпсон говорит о том, что в его время существует обладающая предсказательной силой и основанная на фундаментальных принципах «математическая химия», что возвышает химию из положения «некой науки» до «Науки» с большой буквы. В то же время биология остается дисциплиной качественной, не имеющей математических основ или принципов, и потому по-прежнему является лишь «наукой» с маленькой буквы. Она сможет стать «Наукой» лишь тогда, когда включит в себя выражаемые математически физические принципы. Я начал понимать, что, несмотря на необычайные успехи, достигнутые за прошедшее с тех пор столетие, суть той провокационной характеристики, которую Томпсон дал биологии, до некоторой степени остается верной и сейчас.

Хотя в 1946 г. Королевское общество наградило Томпсона престижной медалью Дарвина, он критически относился к общепринятой дарвиновской теории эволюции, так как считал, что биологи преувеличивают роль естественного отбора и «выживания наиболее приспособленных» в качестве фундаментальных факторов, определяющих формы и строение живых организмов, недооценивая ту важную роль, которую играют в процессе эволюции физические законы и их математическое выражение. По-прежнему остается без ответа основополагающий вопрос, заложенный в это утверждение: существуют ли «универсальные законы жизни», которые можно было бы выразить математически, чтобы сформулировать биологию в виде численной, предсказательной Науки? Вот как формулировал эту идею сам Томпсон:

Нам надлежит всегда помнить, что для открытия простых вещей в физике потребовались великие мужи. ‹…› Никто не может предвидеть, до какой степени математика сможет описать, а физика – объяснить строение тела. Может оказаться так, что все законы энергии, все свойства материи и вся химия всех коллоидов столь же бессильны объяснить тело, сколь они не в состоянии понять душу. Но лично я так не думаю. Физическая наука не рассказывает мне, как именно душа воплощается в теле; то, как живая материя влияет на разум и испытывает его влияние, остается неразрешимой тайной. Все нервные каналы и нейроны физиологии не позволяют мне понять сознания; и я не ищу в физике объяснений того, почему лицо одного человека светится добром, а в лице другого проступает зло. Но в том, что касается строения и роста и работы тела, как и всего другого, сущего на Земле, единственным нашим учителем и руководителем, по моему скромному мнению, может быть лишь физическая наука.

Это довольно точно выражает кредо современной «науки о сложности», включая даже тот вывод, что сознание есть эмерджентное системное явление, а не результат простого сложения всех «нервных каналов и нейронов» мозга. Книга эта написана в ученом, но чрезвычайно легком для чтения стиле и содержит на удивление мало математики. В ней нет провозглашения грандиозных принципов, за исключением убеждения в том, что физические законы природы, записанные на языке математики, являются одним из главных определяющих факторов биологического роста, формы и развития.

Хотя книга Томпсона не касалась ни старения, ни смерти и не была особенно полезной или сложной с технической точки зрения, ее философия обеспечила поддержку и вдохновение для рассмотрения и приложения взятых из физики идей и методик к самым разнообразным проблемам биологии. Что касается моих собственных размышлений, она побудила меня рассматривать наше тело в виде метафорической машины, которую необходимо подпитывать, обслуживать и ремонтировать, но которая постепенно изнашивается и «умирает» – в точности как наши автомобили и стиральные машины. Однако, чтобы понять, как нечто стареет и умирает, будь то животное, автомобиль, компания или цивилизация, сначала нужно понять, какие процессы и механизмы поддерживают в нем жизнь, а затем выяснить, как они деградируют с течением времени. Это соображение естественным образом приводит нас к рассмотрению энергии и ресурсов, необходимых для поддержки и возможного роста, и их расходования на содержание и восстановление для борьбы с производством энтропии, вызванным разрушительными силами, которые связаны с повреждениями, распадом, износом и так далее. Это направление мысли заставило меня прежде всего сосредоточиться на центральной роли метаболизма в поддержании нашей жизни. Только рассмотрев эту роль, можно задаться вопросом о том, почему метаболизм не может поддерживать ее вечно.

2. Уровень метаболизма и естественный отбор

Метаболизм – это огонь жизни… а пища – топливо жизни. Ни нейроны нашего мозга, ни молекулы наших генов не могли бы работать без получения метаболической энергии, извлеченной из пищи, которую мы едим. Без метаболической энергии мы не смогли бы ни ходить, ни думать, ни даже спать. Она дает организмам энергию, необходимую для выживания, роста и воспроизводства, а также для отдельных процессов – например, кровообращения, сокращения мышц или нервной деятельности.

Уровень метаболизма – это фундаментальный биологический параметр, задающий скорость почти всех жизненных процессов организма, от биохимических реакций, идущих внутри его клеток, до времени, необходимого для достижения зрелости, от скорости поглощения лесом углекислого газа до скорости разложения палой листвы. Как мы уже говорили в первой главе, уровень основного обмена среднего человека составляет всего около 90 ватт, что соответствует мощности обычной лампочки накаливания и эквивалентно ежедневному потреблению приблизительно 2000 пищевых калорий.

Мы, как и все живые существа, развились в процессе естественного отбора, взаимодействуя с другими существами и приспосабливаясь к ним, будь то бактерии и вирусы, муравьи и жуки, змеи и пауки, кошки и собаки, травы и деревья или все остальные элементы неизменно неблагоприятной и постоянно развивающейся среды. Все мы развивались вместе в условиях бесконечной многомерной взаимозависимости контактов, конфликтов и адаптаций. Поэтому у каждого организма, каждого органа и каждой подсистемы, каждого типа клеток и каждого генома есть своя уникальная история развития в своей собственной, постоянно меняющейся экологической нише. Принцип естественного отбора, независимо предложенный Чарльзом Дарвином и Альфредом Расселом Уоллесом, является ключом к теории эволюции и происхождению видов. Естественный отбор, или «выживание наиболее приспособленных», есть постепенный процесс, который закрепляет в популяции успешные варианты некоторых наследуемых черт или характеристик путем преимущественного воспроизводства организмов, развивших такую черту во взаимодействии со своей средой. Как говорил Уоллес, разброс вариантов достаточно широк для того, чтобы «всегда находился материал, на который естественный отбор мог бы воздействовать в некотором потенциально выгодном направлении». Дарвин выразил ту же мысль более лаконично: «любое небольшое изменение, если оно полезно, сохраняется».

Каждый вид выходит из этого плавильного котла со своим собственным набором физиологических черт и характеристик, отражающим его уникальный путь через процесс эволюции, что приводит к необычайному многообразию всего спектра живых существ, от бактерий до китов. Итак, за миллионы лет эволюционных починок и приспособлений, игры в выживание наиболее приспособленных, человек научился ходить на двух ногах, приобрел рост порядка полутора-двух метров, продолжительность жизни около сотни лет, сердце, сокращающееся около шестидесяти раз в минуту и производящее систолическое давление порядка 100 мм ртутного столба, около восьми часов в сутки сна, аорту длиной около 45 см, клетки печени, содержащие порядка пятисот митохондрий каждая, и уровень метаболизма около 90 ватт.

Получилось ли все это исключительно случайным и произвольным образом, в результате миллионов мельчайших событий нашей долгой истории, зафиксированных, по меньшей мере пока что, процессом естественного отбора? Или же существует некий порядок, некая скрытая система, отражающая работу других механизмов?

Он существует, и его объяснение возвращает нас к теме масштабирования.

3. Простота в основе сложности: закон Клайбера, самоподобие и экономия на масштабе

Нам необходимо для жизни около 2000 пищевых калорий в сутки. Сколько пищи и энергии нужно другим животным? Как обстоит дело с кошками и собаками, мышами и слонами? Или, если уж на то пошло, с рыбами, птицами, насекомыми и деревьями? Я уже задавал эти вопросы в начале книги, когда подчеркивал, что в противоположность наивным представлениям о естественном отборе, несмотря на чрезвычайную сложность и многообразие форм жизни, несмотря на то, что метаболизм – это, быть может, самый сложный физико-химический процесс во Вселенной, уровень метаболизма всех организмов ведет себя с поразительной систематической регулярностью. Как было показано на рис. 1, уровень метаболизма изменяется в зависимости от размеров тела наиболее простым образом из всех возможных: его зависимость от массы, построенная в логарифмическом масштабе, есть прямая линия, соответствующая простому степенному закону масштабирования.

О масштабировании уровня метаболизма стало известно более восьмидесяти лет назад. Хотя к концу XIX в. этот закон уже был известен в упрощенном виде, его современное воплощение является заслугой выдающегося физиолога Макса Клайбера, сформулировавшего его в эпохальной статье, опубликованной в 1932 г. в малоизвестном датском журнале[48]. Мое первое знакомство с законом Клайбера произвело на меня весьма сильное впечатление, так, я предполагал, что уникальный исторический путь, заложенный в процесс эволюции каждого из видов, должен был привести к огромным различиям между видами, без какой-либо корреляции между ними. В конце концов, даже между разными млекопитающими – китами, жирафами, людьми и мышами – нет на первый взгляд почти никакого сходства, за исключением некоторых очень общих черт, и все виды существуют в совершенно разных условиях, в которых они сталкиваются с совершенно разными проблемами и возможностями.

Клайбер дал в своей революционной работе обзор уровней метаболизма широкого спектра животных, от маленького голубя массой около 150 г до огромного вола, весящего почти 1000 кг. В последующие годы многочисленные исследователи расширили его анализ на весь диапазон млекопитающих, от самого мелкого, землеройки, до самого крупного, синего кита, охватив в результате восемь порядков величины массы. Замечательно – и не менее важно, – что тот же закон масштабирования оказался справедливым для всех таксономических групп многоклеточных организмов, в том числе рыб, птиц, насекомых, моллюсков и растений, и даже был распространен на бактерий и другие одноклеточные организмы[49]. В общей сложности этот, вероятно, самый универсальный и систематический закон масштабирования во Вселенной охватывает поражающий воображение диапазон в двадцать семь порядков величины.

Поскольку масса животных, изображенных на рис. 1, различается более чем на пять порядков величины (то есть более чем в 100 000 раз), от мыши, весящей всего 20 г (0,02 кг), до слона, весящего почти 10 000 кг, мы вынуждены представлять эти данные в логарифмическом масштабе, то есть откладывать по обеим осям последовательные степени десяти. Например, масса возрастает по горизонтальной оси не линейно, от 1 до 2, 3, 4… кг, а логарифмически от 0,001 до 0,01, 0,1, 1, 10, 100 кг и так далее. Если бы мы попытались изобразить тот же график на листе бумаги стандартного размера с использованием обычного линейного масштаба, все точки, кроме той, которая касается слона, сгрудились бы в левом нижнем углу графика, так как даже животные, следующие непосредственно после слона по порядку уменьшения массы, бык и лошадь, легче его более чем в десять раз. Чтобы различать точки со сколько-нибудь разумным разрешением, потребовался бы несуразно большой лист бумаги шириной более километра. А для получения разрешения, достаточного для изображения восьми порядков величины, отделяющих землеройку от синего кита, его ширина должна была бы превышать 100 км.

Как мы уже видели в предыдущей главе при обсуждении шкалы Рихтера для землетрясений, применение логарифмической шкалы для представления подобных данных, охватывающих несколько порядков величины, имеет ясный практический смысл. Но для этого есть и более глубокие, концептуальные основания, связанные с идеей о том, что исследуемые структуры и процессы обладают свойствами самоподобия, математическим выражением которых являются простые степенные законы. Сейчас я объясню эту мысль.

Как мы уже видели, прямая линия представляет в логарифмическом масштабе степенной закон, показатель которого определяет ее наклон (в случае закона масштабирования силы, представленного на рис. 7, он равен ⅔). На рис. 1 ясно видно, что при увеличении массы на четыре порядка (по горизонтальной оси) уровень метаболизма возрастает всего на три порядка (по вертикальной оси), то есть наклон прямой равен ¾, знаменитому показателю закона Клайбера. Чтобы более ясно представить себе, что именно это означает, возьмем пример кошки, весящей 3 кг, что в 100 раз больше массы мыши, весящей 30 г. Используя закон Клайбера, легко можно вычислить уровни их метаболизма: для кошки получается порядка 32 ватт, а для мыши – около 1 ватта. Таким образом, хотя кошка в 100 раз тяжелее мыши, уровень ее метаболизма больше лишь приблизительно в 32 раза, что дает нам яркий пример экономии на масштабе.

Возьмем теперь корову, масса которой в 100 раз больше массы кошки: закон Клайбера предсказывает, что уровень ее метаболизма должен быть в те же 32 раза выше, а уровень метаболизма кита, еще в 100 раз более тяжелого, должен быть в 32 раза выше, чем у коровы. Такое повторяющееся поведение, наблюдаемое в этом случае, – воспроизведение увеличения уровня метаболизма в 32 раза при повторяющемся увеличении массы в 100 раз, – представляет собой пример общего свойства самоподобия степенных законов. В более общем случае, при увеличении массы в любое произвольное число раз на любом масштабе (в данном примере – в 100 раз) уровень метаболизма возрастает в одно и то же число раз (в данном примере – в 32 раза) независимо от величины исходной массы – то есть независимо от того, идет ли речь о мыши, кошке, корове или ките. Это замечательно систематически повторяющееся поведение называется масштабной инвариантностью или самоподобием и является неотъемлемым свойством степенных законов. Оно тесно связано с концепцией фрактала, о которой мы будем подробно говорить в следующей главе. Фрактальность, масштабная инвариантность и самоподобие в той или иной степени являются повсеместным свойством природы на всех ее уровнях, от галактик и облаков до клеток нашего тела, человеческого мозга, интернета, компаний и городов.

Как мы только что видели, кошке, имеющей в 100 раз большую массу, чем мышь, требуется для выживания всего лишь приблизительно в 32 раза больше энергии, хотя в ее теле содержится приблизительно в 100 раз больше клеток. Это классический пример экономии на масштабе, порожденной принципиально нелинейной природой закона Клайбера. Наивное линейное мышление заставило бы предположить, что уровень метаболизма кошки должен быть выше не в 32, а в 100 раз. Аналогичным образом при удвоении размеров животного необходимое для его жизни количество энергии не увеличивается на 100 %: увеличение составляет лишь около 75 %, что дает приблизительно 25 % экономии при каждом удвоении. Таким образом, существует систематически предсказуемая и численно выражаемая закономерность, в соответствии с которой чем крупнее организм, тем меньше энергии требуется произвести в секунду на каждую его клетку для поддержания жизни каждого грамма его тканей. Ваши клетки работают менее интенсивно, чем клетки вашей собаки, но клетки вашей лошади трудятся еще меньше. Слоны приблизительно в 10 000 раз тяжелее крыс, но уровень их метаболизма выше всего в 1000 раз, хотя он должен поддерживать существование приблизительно в 10 000 раз большего числа клеток. Таким образом, клетки слона работают приблизительно в десять раз менее интенсивно, чем клетки крысы, что приводит к соответствующему снижению уровня клеточных повреждений и, следовательно, к большей продолжительности жизни слона, как объясняется более подробно в главе 4. Этот пример показывает, что экономия на масштабе может иметь далеко идущие последствия, сказывающиеся в течение всей жизни, от рождения и роста до смерти.

4. Всеобщность и магическое число 4, управляющее жизнью

Систематическая регулярность закона Клайбера поразительна, но не менее удивительно и то, что сходные систематические законы масштабирования действуют почти для любых физиологических характеристик или событий жизненного цикла во всем диапазоне форм жизни, от клеток до китов и экосистем. Помимо уровня метаболизма к этим характеристикам относятся такие величины, как скорость роста, длина генома, длина аорты, высота деревьев, количество серого вещества в мозге, скорость эволюции и продолжительность жизни; некоторые примеры этих характеристик представлены на рис. 9–12. Существует, вероятно, более пятидесяти таких законов масштабирования, и – еще одна крупная неожиданность – соответствующие им показатели (аналоги ¾ из закона Клайбера) неизменно очень близки к числам, кратным ¼.

Например, показатель для скорости роста очень близок к ¾, для длины аорты и длины генома он составляет ¼, для площади поперечного сечения аорт и древесных стволов – ¾, для размеров мозга – ¾, для количества белого и серого вещества в мозге – 5/4, для частоты сердцебиения – минус ¼, для плотности митохондрий в клетках – минус ¼, для скорости эволюции – минус ¼, для скорости диффузии через мембраны – минус ¼, для продолжительности жизни – ¼ и так далее. «Минус» просто указывает здесь, что соответствующая величина уменьшается, а не увеличивается с увеличением размеров: например, как показано на рис. 10, частота сердцебиения уменьшается при увеличении размеров тела в соответствии со степенным законом с показателем ¼. Я не могу не обратить ваше внимание на тот интригующий факт, что масштабирование аорт и древесных стволов подчиняется одному и тому же закону.

Особенно интересно постоянное появление во всех этих показателях числа четыре в виде величин, кратных ¼. Это число повсеместно встречается во всех разнообразных формах жизни и, по-видимому, играет некую особую, фундаментальную роль в определении многих измеримых характеристик организмов независимо от истории их развития. Если посмотреть на эту ситуацию через призму масштабирования, проявляется удивительная общая закономерность, свидетельствующая о том, что эволюция с высокой вероятностью определяется не только естественным отбором, но и другими, общими физическими принципами.

Такие систематические соотношения масштабирования резко противоречат нашим подсознательным представлениям. Они показывают, что почти все физиологические характеристики и события жизненного цикла любого организма определяются в первую очередь его размерами. Например, скорость протекания биологической жизни систематическим и предсказуемым образом падает с увеличением размеров: крупные млекопитающие живут дольше, их взросление занимает больше времени, их сердца бьются медленнее, а клетки работают менее интенсивно, чем у мелких млекопитающих, и все эти различия подчиняются одному и тому же предсказуемому соотношению. Удвоение массы млекопитающего увеличивает все его временные масштабы – например, продолжительность жизни и длительность периода взросления – в среднем приблизительно на 25 %, одновременно уменьшая в той же пропорции все скорости процессов его организма, например частоту сердцебиения.

Кит живет в океане, у слона есть хобот, а у жирафа – длинная шея, человек ходит на двух ногах, а мышь бегает и суетится, но, несмотря на все эти явные различия, все мы в большой степени являемся нелинейно масштабированными вариантами друг друга. Дайте мне размер млекопитающего, и я, используя законы масштабирования, смогу рассказать вам почти все о средних значениях его измеримых характеристик: сколько пищи ему требуется в сутки, какова частота его сердцебиения, сколько занимает его взросление, длину и радиус его аорты, продолжительность его жизни, численность его потомства и так далее. Учитывая чрезвычайную сложность и многообразие форм жизни, это поистине поразительно.

К рис.: Малая часть многочисленных примеров масштабирования, иллюстрирующая их замечательную универсальность и многообразие.

Рис. 9. Скорость производства биомассы отдельными насекомыми и их колониями масштабируется в зависимости от массы с показателем ¾, в точности как уровень метаболизма у животных, представленный на рис. 1

Рис. 10. Частота сердцебиения у млекопитающих масштабируется в зависимости от массы с показателем –¼

Рис. 11. Объем белого вещества в мозге млекопитающих масштабируется в зависимости от объема серого вещества с показателем 5/4

Рис. 12. Масштабирование уровня метаболизма отдельных клеток и бактерий в зависимости от массы следует классическому закону Клайбера для многоклеточных животных с показателем ¾

Когда я понял, что мои попытки узнать о некоторых из тайн смерти неожиданно привели меня к пониманию одних из самых удивительных и интригующих тайн жизни, я пришел в большое возбуждение. Передо мной лежала область биологии, которая была подчеркнуто численной, выразимой в математических терминах и в то же время обладала тем духом «всеобщности», который так нравится физикам. Помимо того удивительного факта, что эти «всеобщие» законы, казалось, противоречили наивной интерпретации естественного отбора, не менее удивительным было и то, что большинство биологов, по-видимому, не придают им должного значения, хотя многим из них эти законы и известны. Более того, никакого общего объяснения их причин не существовало. Вот за что надо бы взяться физику!

На самом деле утверждение о том, что биологи совершенно не оценили значения законов масштабирования, не вполне справедливо. Законы масштабирования несомненно и постоянно присутствуют в экологии и привлекали внимание многих выдающихся биологов, в том числе Джулиана Хаксли, Дж. Б. С. Холдейна и Дарси Томпсона, вплоть до начала молекулярной и генетической революции 1950-х[50]. Более того, Хаксли ввел в обращение термин «аллометрия», который он использовал для описания масштабирования физиологических и морфологических характеристик организма с размерами тела, хотя сам он в основном занимался изменениями, происходящими в процессе роста. Аллометрическое масштабирование было введено в качестве обобщения предложенной Галилеем концепции масштабирования изометрического, обсуждавшегося в предыдущей главе, при котором форма и геометрия тела не изменяются при увеличении его размеров, так что все размеры, присущие организму, возрастают в одной и той же пропорции. Греческое слово ἴσος (изос) означает «равный», а μέτρον (метрон) – «мера», «измерение». Однако в термине «аллометрия» использовано греческое слово ἄλλος (аллос), означающее «другой», и он, собственно, относится к более общей ситуации, в которой при увеличении размеров тела изменяются его формы и морфология и разные размеры масштабируются по-разному. Например, радиусы и длины древесных стволов – и, кстати говоря, конечностей животных – масштабируются при увеличении размеров по-разному: радиусы увеличиваются пропорционально массе в степени ⅜, а длины возрастают медленнее, с показателем ¼ (то есть 2/8). Поэтому с увеличением размеров деревьев или животных их стволы или конечности становятся толще и основательнее: сравните, например, ноги слона с ногами мыши. Этот принцип обобщает исходное рассуждение Галилея о прочности. Если бы масштабирование было изометрическим, радиусы и длины увеличивались бы в одинаковой пропорции, форма стволов и конечностей оставалась бы неизменной, и опора животного или дерева с увеличением их размеров становилась бы все более ненадежной. Слон с ногами той же веретенообразной формы, что у мыши, обрушился бы под собственным весом.

Значение введенного Хаксли термина «аллометрический» расширилось по сравнению с исходным более узким геометрическим, морфологическим и онтогенетическим смыслом и распространилось на любые законы масштабирования, о которых мы говорили выше, включая более динамические явления, например масштабирование с размерами тела потоков энергии и ресурсов, отличным примером которых служит уровень метаболизма. Все они теперь широко называются законами аллометрического масштабирования.

Джулиан Хаксли, сам весьма выдающийся биолог, был к тому же внуком знаменитого Томаса Гексли[51], биолога, яростно защищавшего Чарльза Дарвина и его теорию эволюции путем естественного отбора, и братом писателя и футуриста Олдоса Хаксли. Помимо слова «аллометрия» Джулиан Хаксли ввел в биологию еще несколько новых терминов и концепций; в частности, именно он заменил бесславный термин «раса» на словосочетание «этническая группа».

В 1980-х гг. представителями основных направлений биологии было написано несколько превосходных книг, дающих краткий обзор обширной литературы по аллометрии[52]. В них были собраны и проанализированы данные по всем масштабам и всем формам жизни и делался единодушный вывод о том, что степенное масштабирование с показателями, кратными четверти, является повсеместным свойством биологических систем. Однако в них содержалось на удивление мало теоретических или концептуальных обсуждений и не давалось никакого общего объяснения тому, почему такие систематические законы вообще существуют, откуда они берутся или как они соотносятся с естественным отбором по Дарвину.

Мне как физику показалось, что эти «всеобщие» законы степенного масштабирования с показателями, кратными четверти, дают нам какую-то фундаментальную информацию о динамике, строении и организации жизни. Их наличие выглядело весомым аргументом в пользу существования неких основополагающих динамических процессов, выходящих за рамки отдельных видов и влияющих на эволюцию. Это открывало возможность увидеть фундаментальные эмерджентные законы биологии и позволяло заключить, что общее, грубо определенное поведение живых систем подчиняется неким численно представимым законам, которые определяют существенные характеристики этих систем.

Предположение о том, что эти законы масштабирования могут быть совпадением, что каждый из них есть независимое явление, «особый» случай, отражающий только свою собственную уникальную динамику и организацию, причудливый набор случайностей эволюционной динамики, что масштабирование частоты сердцебиения никак не связано с масштабированием уровня метаболизма или высоты деревьев, – такое предположение кажется невозможным, почти дьявольским. Разумеется, каждый организм, каждый биологический вид и каждый экологический комплекс уникален и отражает различия генетического состава, онтогенетических путей, условий окружающей среды и эволюционной истории. Поэтому можно было бы ожидать, что в отсутствие каких бы то ни было физических ограничений разные организмы – или по меньшей мере разные группы родственных организмов, обитающих в сходных условиях, – могут иметь разные связанные с размерами схемы вариаций структуры и функций. То, что это не так, – что данные почти во всех случаях в самом широком диапазоне размеров и вариантов оказываются близки к простому степенному закону, – ставит перед нами весьма непростые вопросы. А тот факт, что показатели этих степенных законов почти всегда равны простым кратным ¼, ставит задачу еще более сложную.

Вопрос о том, каким может быть фундаментальный механизм их происхождения, казался замечательной головоломкой, особенно с учетом моего нездорового интереса к старению и смерти, а также того обстоятельства, что даже продолжительность жизни подчиняется аллометрическому масштабированию с показателем ¼ (хотя и со значительными отклонениями).

5. Энергия, эмерджентные законы и иерархия жизни

Как я уже подчеркивал, никакая жизненная функция невозможна без энергии. Метаболической энергии требует не только любое сокращение мышц или любая деятельность, но и любая случайная мысль, появляющаяся в мозгу, любое движение тела даже во время сна и даже репликация ДНК в клетках организма. На самом базовом биохимическом уровне метаболическая энергия производится входящими в состав клеток полуавтономными молекулярными образованиями, которые называют дыхательными комплексами. Самая важная молекула, играющая центральную роль в метаболизме, носит несколько отталкивающее имя аденозинтрифосфата и обычно обозначается аббревиатурой АТФ. Биохимические подробности метаболизма чрезвычайно сложны, но главным образом он включает в себя разложение молекулы АТФ, сравнительно неустойчивой в среде, существующей внутри клетки, и превращение аденозинтрифосфата (содержащего три остатка фосфорной кислоты) в АДФ, аденозиндифосфат (в котором этих остатков всего два) с высвобождением энергии связи с третьим кислотным остатком. Энергия, получаемая из распада этой связи, и есть источник метаболической энергии, то есть именно она поддерживает нашу жизнь. Обратный процесс снова превращает АДФ в АТФ с использованием энергии, получаемой из пищи при помощи окисляющего дыхания у млекопитающих, например человека (поэтому нам необходимо вдыхать кислород), или фотосинтеза у растений. Цикл высвобождения энергии при распаде АТФ на АДФ и обратного превращения АДФ в АТФ для сохранения энергии в последнем образует непрерывный замкнутый процесс, очень похожий на зарядку и разрядку аккумулятора. Схема этого процесса, представленная на с. 121, к сожалению, не передает всей красоты и элегантности этого невероятного механизма, обеспечивающего питание большинства форм жизни.

С учетом столь важной роли потока АТФ неудивительно, что его часто называют ходячей монетой метаболической энергии почти всех форм жизни. Хотя в каждый момент наше тело содержит всего около 250 г АТФ, нужно помнить об одном совершенно необычном обстоятельстве: в течение суток человеческий организм производит в среднем порядка 2 × 10^26 – то есть двухсот триллионов триллионов – молекул АТФ, суммарная масса которых составляет около 80 кг. Другими словами, за сутки мы производим и перерабатываем АТФ в количестве, эквивалентном массе нашего собственного тела! Вместе взятые, эти молекулы АТФ обеспечивают необходимый нам уровень метаболизма, давая те приблизительно 90 ватт, которые требуются нам для поддержания жизни и питания нашего тела.

Эти маленькие генераторы энергии, дыхательные комплексы, находятся в волнистых мембранах, расположенных внутри митохондрий, образований в форме картофелины, плавающих по внутреннему объему клеток. Каждая митохондрия содержит приблизительно от пятисот до тысячи таких дыхательных комплексов, а внутри каждой клетки нашего тела имеется приблизительно от пятисот до тысячи митохондрий: их число зависит от типа клетки и ее энергетических потребностей. Поскольку мышцы требуют большего притока энергии, их клетки плотно набиты митохондриями, в то время как в жировых клетках их намного меньше. Итак, в среднем каждая клетка человеческого тела может содержать до миллиона таких микроскопических машин, распределенных по митохондриям и работающих круглые сутки, производя то астрономическое количество молекул АТФ, которое необходимо нам для поддержания жизни, сил и здоровья. Скорость производства суммарного количества АТФ есть мера уровня метаболизма.

Человеческое тело содержит около ста триллионов (10^14) 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 10^14 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.

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.

Если вы думаете, что эти перевороты в нашем понимании фундаментальных вопросов физики – всего лишь заумные фокусы ученых, я хотел бы напомнить вам о тех важнейших последствиях, которые они имеют для повседневной жизни каждого жителя нашей планеты. Квантовая механика образует теоретическую основу для понимания материалов и играет важнейшую роль во многих высокотехнологичных приборах и устройствах, которые мы используем. В частности, она привела к изобретению лазера, многочисленные применения которого совершенно изменили нашу жизнь. В число этих применений входят сканеры штрихкодов, проигрыватели лазерных дисков, лазерные принтеры, оптоволоконная связь, лазерная хирургия и многое другое. В свою очередь, теория относительности в сочетании с квантовой механикой породила атомное и термоядерное оружие, изменившее всю динамику международной политики и продолжающее нависать над нами в качестве постоянной, хотя часто вытесняемой из сознания и иногда отрицаемой угрозы самому нашему существованию.

В той или иной степени неполны все теории и модели. Их необходимо постоянно проверять и подвергать сомнению, используя данные экспериментов все более высокой точности и наблюдений во все более широких областях, изменяя или расширяя теории в соответствии с новыми данными. Этот процесс является неотъемлемой частью научного метода. Именно понимание границ применимости теорий и ограничений их предсказательной силы и постоянный поиск исключений, нарушений и несоответствий порождает все более глубокие вопросы и задачи, стимулируя непрекращающееся развитие науки и возникновение новых идей, технологий и концепций.

Важным элементом создания теорий и моделей является определение существенных величин и выявление основной динамики на каждом организационном уровне той или иной системы. Например, если мы рассматриваем Солнечную систему, то массы планет и Солнца, несомненно, представляют собой величину, важнейшую для определения движения планет, а их цвет (красный у Марса, пестро-синий у Земли, белый у Венеры и т. д.) неважен: цвет планет не учитывается в вычислениях параметров их движения. Точно так же нам не нужно знать чего-либо о цвете спутников, позволяющих нам общаться по сотовым телефонам, чтобы рассчитать их траекторию.

Однако это утверждение явно зависит от масштаба: если посмотреть на Землю с очень малого расстояния, например из точки, расположенной всего в нескольких километрах над ее поверхностью, а не в космосе, на удалении миллионов километров, то ее кажущийся цвет будет следствием огромного разнообразия явлений и образований на поверхности Земли, в число которых входит все, от гор и рек до львов, океанов, городов, лесов и нас самих. То, что было несущественным на одном масштабе, приобретает первостепенное значение на другом. Трудность состоит в выделении на каждом уровне наблюдения важных переменных, определяющих доминантное поведение системы.

Физики придумали концепцию, помогающую формализовать первый шаг этого метода, – так называемую игрушечную модель. Ее стратегия заключается в упрощении сложной системы путем выделения ее наиболее существенных компонентов, представленных небольшим числом важнейших переменных, по которым можно определить основные черты поведения системы. Классический пример этого подхода – впервые предложенная в XIX в. идея о том, что газы состоят из молекул, которые можно представить в виде маленьких бильярдных шаров, быстро движущихся и сталкивающихся. Соударения этих шариков друг с другом и со стенками сосуда порождают то, что мы называем давлением. То, что мы называем температурой, можно аналогичным образом представить как меру средней кинетической энергии молекул. Эта чрезвычайно упрощенная модель не была строго верной в деталях, но она позволила впервые выделить и объяснить существенные макроскопические свойства газов – их температуру, давление, теплопроводность и вязкость. Поэтому она стала отправной точкой для развития нашего современного, значительно более углубленного и точного понимания не только газов, но и жидкостей и других материалов, полученного путем уточнения базовой модели и, в конце концов, включения в нее премудростей квантовой механики. Эту упрощенную игрушечную модель, сыгравшую важнейшую роль в развитии современной физики и известную под названием «кинетической теории газов», впервые предложили независимо друг от друга два представителя когорты величайших ученых всех времен – Джеймс Клерк Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в электромагнетизм и совершивший революцию в науке вытекающим из этого объединения предсказанием существования электромагнитных волн, и Людвиг Больцман, давший нам статистическую физику и микроскопическое понимание энтропии.

Родственной идее игрушечной модели является концепция «нулевого порядка» приближения теории: она также подразумевает принятие упрощающих допущений для получения грубого приближения точного результата. Это понятие обычно используют в численном контексте, например: «численность населения агломерации Чикаго по состоянию на 2013 г. составляет в нулевом приближении 10 миллионов человек». Узнав о Чикаго чуть больше, мы можем дать оценку так называемого первого порядка, по которой эта численность составляет 9,5 миллиона человек. Эта цифра определена с более высокой точностью и ближе к реальной численности населения (точное значение которой, по данным переписи, равно 9 537 289 человекам). Можно представить себе, что еще более углубленное исследование позволит получить еще лучшее приближение, 9,54 миллиона, которое будет называться приближением «второго порядка». Принцип понятен: каждый следующий «порядок» дает уточнение, лучшее приближение или увеличение разрешения, сходясь к точному результату, основанному на более углубленных исследованиях и анализе. В дальнейшем тексте я буду использовать термины «грубая оценка» и «нулевой порядок» как равнозначные.

Такова была философская основа, возможности которой мы с Джимом и Брайаном исследовали, начиная свое сотрудничество. Сможем ли мы сначала создать грубую теорию нулевого порядка для понимания всего набора отношений степенного аллометрического масштабирования с четвертными показателями на основе общих основополагающих принципов, которые отражали бы существенные характеристики организмов? И сможем ли мы затем использовать ее в качестве отправной точки для численного вывода более точных предсказаний, поправок высших порядков к интерпретации доминирующего поведения реальных биологических систем?

Впоследствии я узнал, что по сравнению с большинством биологов Джим и Брайан были скорее исключением, чем правилом с точки зрения понимания ценности этой методики. Несмотря на все эпохальные вклады физики и физиков в развитие биологии – главным примером которых является открытие структуры ДНК, – многие биологи, по-видимому, все так же подозрительно и недоверчиво относятся к теориям и математическим доказательствам.

Непрерывное взаимовлияние между развитием теорий и проверкой их предсказаний и следствий в специально проводимых для этого экспериментах принесло физике огромную пользу. Прекрасный пример этого дает недавнее открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере в CERN в Женеве. Хотя его существование было предсказано много лет назад несколькими теоретиками как жизненно важный элемент нашего понимания фундаментальных законов физики, для разработки необходимых технологий и создания большой группы экспериментаторов, способной организовать его успешные поиски, потребовалось почти пятьдесят лет. Физики считают само собой разумеющимся существование «теоретика», который занимается «только» теорией; для большинства биологов эта идея вовсе не очевидна. У «настоящего» биолога должна быть «лаборатория» или опытная площадка с оборудованием, ассистентами и техниками, которые наблюдают, измеряют и анализируют данные. Заниматься биологией с использованием лишь бумаги, карандаша и компьютера – то есть так, как многие из нас занимаются физикой, – считается некоторым дилетантством и вообще не делом. Существуют, конечно, важные разделы биологии – например, биомеханика, генетика, эволюционная биология, – в которых это не так. Я подозреваю, что это положение изменится по мере все разрастающегося проникновения во все отрасли науки «больших данных» и интенсивных вычислений, а также нашего энергичного исследования некоторых из величайших вопросов – например, понимания мозга и сознания, экологической устойчивости и рака. Однако я согласен со следующим провокационным высказыванием Сиднея Бреннера, выдающегося биолога, получившего Нобелевскую премию за работу над расшифровкой генетического кода: «Технологии дают нам инструменты для анализа организмов на всех масштабных уровнях, но мы тонем в море данных и задыхаемся без теоретической основы, которая позволила бы осознать их… Нам нужна теория и уверенное понимание природы тех объектов, которые мы изучаем, чтобы предсказывать все остальное». Кстати, его статья начинается с поразительного утверждения о том, что «биологические исследования переживают кризис»[54].

Многие признают существование культурного раскола между биологией и физикой[55]. Тем не менее мы живем в поразительно интересную эпоху все более тесной интеграции этих двух дисциплин, в результате которой возникают такие новые междисциплинарные отрасли, как биологическая физика и системная биология. Кажется, сейчас самое время вернуться к задаче, сформулированной Дарси Томпсоном: «Никто не может предвидеть, до какой степени математика сможет описать, а физика – объяснить строение тела. Может оказаться так, что все законы энергии, все свойства материи и вся химия… столь же бессильны объяснить тело, сколь они не в состоянии понять душу. Но лично я так не думаю». Многие согласились бы с духом этого заявления, хотя для достижения этой возвышенной цели могут потребоваться новые инструменты и концепции, в том числе и более тесное сотрудничество. Мне хотелось бы верить, что наша необычайно приятная совместная работа с Джимом и Брайаном, а также всеми нашими коллегами, постдокторантами и студентами внесла хотя бы небольшой вклад в осуществление этой мечты.

8. Сетевые принципы и истоки аллометрического масштабирования

До этого отступления о взаимоотношениях культур биологии и физики я утверждал, что механистические истоки законов масштабирования в биологии лежат в универсальных математических, динамических и организационных свойствах множественных сетей, обеспечивающих подачу энергии, материалов и информации к локальным микроскопическим площадкам, например клеткам и митохондриям у животных. Я также утверждал, что с учетом столь выраженного разнообразия структур биологических сетей, явно контрастирующего с единообразием законов масштабирования, должен существовать общий набор сетевых свойств, действующих независимо от того, состоят ли такие сети из трубок (как в системах кровообращения млекопитающих), волокон (как в деревьях и других растениях) или диффузионных каналов (как в клетках).

Формулирование набора общих сетевых принципов и выделение существенных характеристик, свойственных всему огромному разнообразию биологических сетей, оказалось трудной задачей, решение которой заняло многие месяцы. При исследовании доселе неизведанной территории и разработке новых идей и способов решения задачи часто бывает так, что результат, к которому в конце концов приводят сделанные открытия, кажется невероятно очевидным. Трудно поверить, что его получение заняло столько времени, и трудно понять, почему то же нельзя было сделать всего за несколько дней. Отчаяние и бесполезная работа, тупики и случайные озарения составляют неотъемлемую часть процесса творчества. Кажется, что в самой природе такой работы заложен некий период созревания. Однако когда задача наконец становится ясно видна и находится ее решение, это приносит огромную радость и удовлетворение.

Именно эти чувства испытывали все мы, когда разрабатывали свое объяснение происхождения законов аллометрического масштабирования. Когда картина наконец прояснилась, мы предложили следующий набор общих сетевых свойств, возникших, по нашему мнению, в результате процесса естественного отбора и порождающих законы масштабирования, математическое выражение которых дает степенные зависимости с показателями, кратными одной четверти. При их рассмотрении может быть полезно вспоминать об их возможных аналогах в системах городов, экономик, компаний и корпораций, о которых мы поговорим подробнее в следующих главах.

I. Заполнение пространства

В основе концепции заполнения пространства лежит простая и понятная идея. Грубо говоря, этот принцип означает, что «щупальца» сети должны распространяться во все места системы, которую она обслуживает, как показано на иллюстрациях сетей, приведенных на с. 123. Говоря более конкретно, какой бы ни были геометрия и топология сети, она должна обслуживать все биологически активные подмодули организма или подсистемы. Поясним этот принцип на знакомом примере: наша система кровообращения – это классическая разветвленная иерархическая сеть, в которой сердце прогоняет кровь через все многочисленные сетевые уровни: сначала через основные артерии, потом через сосуды все меньших и меньших размеров и в конце концов через капилляры, самые мелкие из сосудов, после чего кровь возвращается в сердце по венозной сетевой системе. Принцип заполнения пространства означает всего лишь, что капилляры, являющиеся концевыми модулями или последними ветвями сети, должны обслуживать все клетки нашего тела, эффективно обеспечивая их достаточным количеством крови и кислорода. Собственно говоря, для этого требуется только, чтобы капилляры были расположены достаточно близко к клеткам, чтобы обеспечить возможность эффективной диффузии кислорода сквозь стенки капилляров и внутрь клеток сквозь их внешние мембраны.

Точно так же заполняют пространство многие из сетей городской инфраструктуры: например, концевые модули или конечные точки коммунальных сетей – газовой, водопроводной и электрической – должны в конце концов обеспечить обслуживание всех разнообразных зданий, составляющих город. Труба, связывающая ваш дом с водопроводной линией, проложенной на улице, и электрический кабель, соединяющий его с линией электропередачи, – это аналоги капилляров, а ваш дом можно считать аналогом клетки. Аналогичным образом работники компании, которых можно рассматривать как концевые модули, должны получать ресурсы (например зарплату) и информацию по множественным сетям, связывающим их с генеральным директором и руководством фирмы.

II. Неизменность концевых модулей

Этот принцип означает попросту, что все концевые элементы сетей данного типа, например только что обсуждавшиеся капилляры в системе кровообращения, имеют приблизительно одинаковые размеры и характеристики независимо от размеров организма. Концевые элементы являются важнейшими элементами сети, так как они играют роль точек доставки и передачи, в которых происходит обмен энергией и ресурсами. В числе других примеров можно назвать митохондрии в клетках, клетки в теле и черешки листьев (то есть последние ветки) деревьев и других растений. Когда индивидуум вырастает из новорожденного во взрослую особь или когда развивается новый вид с другими размерами, концевые модули не изобретаются заново и не испытывают значительных изменений конфигурации или размеров. Например, все млекопитающие, будь то дети, взрослые, мыши, слоны или киты, имеют, по сути дела, одинаковые капилляры, несмотря на огромный диапазон и разнообразие размеров их тел.

Такую неизменность концевых модулей можно объяснить экономностью естественного отбора. Капилляры, митохондрии, клетки и так далее выступают в роли готовых кирпичиков соответствующих сетей для новых видов, которые масштабируются соответствующим образом. Постоянные свойства концевых модулей в рамках определенной конструкции характеризуют тот таксономический класс, к которому она относится. Например, у всех млекопитающих одинаковые капилляры. Разные виды, относящиеся к этому классу, – например, слоны, люди или мыши, – отличаются друг от друга большими или меньшими, но близкородственными сетевыми системами. С этой точки зрения различия между разными таксономическими группами, то есть, например, между млекопитающими, растениями и рыбами, характеризуются разными свойствами концевых модулей соответствующих сетей у каждой из них. Например, хотя все млекопитающие (или все рыбы) имеют сходные капилляры или митохондрии, у млекопитающих они не такие, как у рыб, ни по размерам, ни по общим характеристикам.

Аналогичным образом приблизительно неизменны концевые модули сетей, обслуживающих и поддерживающих существование зданий города, – скажем, электрические розетки или водопроводные краны. Например, электрические розетки, имеющиеся в вашем доме, по сути дела, идентичны тем, что можно встретить почти в любом здании в любой точке мира, как бы велико или мало ни было это здание. Детали конструкции могут варьироваться от места к месту, но все эти устройства более или менее одного размера. Хотя Эмпайр-стейт-билдинг и многие другие небоскребы в Дубае, Шанхае или Сан-Паулу могут быть в пятьдесят раз выше вашего дома, во всех этих зданиях, в том числе и у вас дома, установлены очень похожие розетки и краны. Если бы размеры розетки масштабировались с высотой здания изометрически, то стандартная электрическая розетка в Эмпайр-стейт-билдинг должна была бы быть более чем в пятьдесят раз крупнее, чем та, что стоит в вашем доме: ее высота составляла бы более трех метров, а ширина – более метра, а не несколько сантиметров. Как и в биологии, основные концевые модули, например те же краны и электрические розетки, не изобретаются заново при проектировании каждого следующего здания независимо от того, где оно будет построено и какого оно будет размера.

III. Оптимизация

Последний постулат утверждает, что непрерывная работа многочисленных механизмов обратной связи и тонкой настройки, заложенных в постоянно продолжающихся процессах естественного отбора и действовавших в течение огромного времени, привела к «оптимизации» работы системы. Например, энергия, используемая сердцем любых млекопитающих, в том числе и нас с вами, для обеспечения циркуляции крови по системе кровообращения, в среднем минимизирована. Это означает, что используется минимальная энергия, возможная с учетом конфигурации сети и различных ограничений, которые она накладывает. Говоря несколько другими словами, из всего бесконечного множества возможных вариантов архитектуры и динамики систем кровообращения, которые могли развиться с соблюдением принципов заполнения пространства и неизменности концевых модулей, в реальности развились и присутствуют у всех млекопитающих те, которые используют минимальную энергию работы сердца. Сети развились таким образом, чтобы минимизировать энергию, необходимую для поддержания жизни средней особи и выполнения ею повседневных задач существования, и максимизировать количество энергии, остающееся на секс, воспроизводство и выращивание потомства. Максимизация роли потомства есть выражение так называемой дарвиновской приспособленности, которая является генетическим вкладом средней особи в генофонд следующих поколений.

Отсюда естественным образом следует вопрос о том, являются ли динамика и структура городов и компаний результатом оптимизации, следующей тем же принципам. Что именно оптимизировано – и оптимизировано ли вообще что-либо – в их сетевых системах? Стремится ли организация городов к максимизации социального взаимодействия или к оптимизации транспортной системы с точки зрения минимизации времени перемещения, или же в ее основе лежит стремление каждого жителя и каждой компании к максимизации активов, прибылей и капиталов? Мы вернемся к этим вопросам в главах 8, 9 и 10.

Принцип оптимизации лежит в самом сердце всех фундаментальных законов природы, будь то законы Ньютона, теория электромагнетизма Максвелла, квантовая механика, теория относительности Эйнштейна или теория Великого объединения элементарных частиц. Их современные формулировки образуют общую математическую систему, в которой минимизируется величина, называемая действием, связанная, хотя и не напрямую, с энергией. Все законы физики можно вывести из принципа наименьшего действия, утверждающего, грубо говоря, что из всех возможных состояний, в которых система может находиться – или которые она может принимать с течением времени, – физически реализуется то состояние, которое минимизирует действие системы. Соответственно, динамика, структура и история развития Вселенной с момента Большого взрыва, все от черных дыр до спутников, передающих сообщения с вашего мобильного телефона на другие, до самих этих сообщений, электронов, фотонов и бозонов Хиггса, да и вообще практически все физически существующее определяется таким принципом оптимизации. Почему же жизнь должна быть исключением?

Этот вопрос возвращает нас к более раннему разговору о различиях между простотой и сложностью. Как вы, возможно, помните, законы физики попадают в категорию простых в первую очередь потому, что их можно выразить экономным образом в виде всего нескольких компактных математических формул. Так, законы Ньютона, уравнения Максвелла, теория относительности Эйнштейна и тому подобные законы могут быть сформулированы и элегантно выведены из принципа наименьшего действия. В этом состоит одно из величайших достижений точных наук, внесшее огромный вклад в наше понимание окружающего мира и поразительное развитие современного технологического общества. Можно ли предположить, что грубо определенные динамика и структура сложных адаптивных систем, будь то организмы, города или компании, могут быть аналогичным образом сформулированы и выведены из такого принципа?

Важно иметь в виду, что три сформулированных выше постулата следует понимать в грубом, усредненном смысле. Позвольте мне объяснить. Вам, возможно, уже пришло в голову, что среди почти триллиона капилляров, существующих в теле каждого человека, как и у любого вида каждой таксономической группы, должны существовать различия, так что, строго говоря, капилляры не могут быть неизменными. Однако такие различия следует рассматривать с учетом разницы масштабов. Дело в том, что любые различия капилляров чрезвычайно малы по сравнению с вариациями размеров организмов, охватывающими многие порядки величины. Например, даже если длина капилляров у млекопитающих варьируется в пределах одного-двух порядков, такое различие все равно остается малым по сравнению с разбросом массы тела, которая может различаться в 100 миллионов раз. Точно так же размеры черешков, последних отростков ветвей дерева, соединяющих их с листьями, да даже и размеры самих листьев, за время роста дерева от маленького саженца до взрослого дерева, которое может достигать в высоту десятков метров, изменяются сравнительно мало. Это же справедливо и относительно сравнения разных видов деревьев: размеры листьев могут быть разными, но эти различия относительно малы, несмотря на огромную разницу в высоте и массе деревьев. Если одно дерево в двадцать раз выше другого, это не означает, что диаметр его листьев тоже будет в двадцать раз больше. Таким образом, колебания размеров концевых модулей в рамках той или иной конструкции – это сравнительно слабый вторичный эффект. То же справедливо и в отношении возможных отклонений от других постулатов: сети могут не обеспечивать абсолютного заполнения пространства или не быть точно оптимизированными. Поправки, связанные с такими отклонениями, можно считать факторами «высшего порядка» в том смысле, о котором мы говорили выше.

Эти постулаты определяют нулевое приближение, грубую теорию структуры, организации и динамики биологических сетей и позволяют нам рассчитывать многие из существенных характеристик того, что я называю усредненным идеализированным организмом некоторого размера. Для применения этой стратегии к вычислению конкретных величин – уровня метаболизма, скорости роста, высоты деревьев или числа митохондрий в клетке – эти постулаты нужно выразить в виде математических формул. Задача состоит в определении следствий, выводов и предсказаний, вытекающих из теории, и их сравнении с данными и результатами наблюдений. Детали математического выражения зависят от того, о какой именно сети идет речь. Как мы уже говорили выше, наша система кровообращения есть сеть трубок, приводимая в действие бьющимся сердцем, а деревья и другие растения представляют собой сети пучков тонких волокон, работающие под воздействием непульсирующего гидростатического давления. Фундаментальное положение концепции нашей теории заключается в том, что, несмотря на совершенно разные физические конструкции этих сетей, они подчиняются одним и тем же трем постулатам: они заполняют пространство, содержат неизменные концевые модули и минимизируют энергию, необходимую для обеспечения циркуляции текучих сред в системе.

Реализация этой стратегии оказалась непростой задачей, как с концептуальной, так и с технической точки зрения. Доводка деталей заняла у нас почти год, но в конце концов нам удалось показать, что в основе закона Клайбера для метаболизма – и вообще степенного масштабирования с четвертными показателями – действительно лежат динамика и геометрия оптимизированных, заполняющих пространство разветвленных сетей. Наверное, наибольшее удовлетворение принесла нам демонстрация того, как и откуда возникает «магическое число» 4[56].

В следующих разделах я хочу пересказать математическое описание того, как все это происходит, на человеческом языке, чтобы продемонстрировать вам некоторые удивительные особенности работы человеческого организма и наши тесные связи не только со всеми формами жизни, но и со всем окружающим нас физическим миром. Я надеюсь, что этот необычайный опыт будет для вас таким же интересным и поразительным, каким он был для меня. Не меньшее удовольствие доставило нам распространение этой системы на другие, самые разнообразные вопросы: леса, сон, темпы эволюции, а также старение и смертность. К некоторым из них мы вернемся в следующей главе.

9. Метаболизм и системы циркуляции млекопитающих, деревьев и других растений

Как было объяснено выше, кислород играет ключевую роль в поддержании непрерывного снабжения молекулами АТФ, являющимися основным источником метаболической энергии, поддерживающей нашу жизнь: именно поэтому нам все время необходимо дышать. Вдыхаемый кислород проходит сквозь поверхностные мембраны наших легких, изобилующих капиллярами, поглощается кровью и передается по сердечно-сосудистой системе в клетки организма. Молекулы кислорода прикрепляются к богатому железом гемоглобину клеток крови, выполняющих функцию переносчиков кислорода. Именно этот процесс окисления и делает нашу кровь красной подобно тому, как краснеет железо, окисляющееся до ржавчины под воздействием атмосферы. После того как кровь доставляет кислород в клетки, она теряет свой ярко-красный цвет и приобретает синеватый оттенок, и поэтому вены, то есть сосуды, по которым кровь возвращается к сердцу, кажутся синими.

Таким образом, мерой уровня метаболизма является скорость доставки кислорода в клетки, а также скорость циркуляции крови в сердечно-сосудистой системе. Также определяет уровень метаболизма та скорость, с которой мы вдыхаем кислород и он поступает в дыхательную систему. Эти две системы находятся в тесном взаимодействии, и скорость течения крови, частота дыхания и уровень метаболизма пропорциональны друг другу и связаны между собой простыми линейными соотношениями. Так, сердце совершает около четырех сокращений на каждый вдох независимо от размеров млекопитающего. Именно такая тесная взаимосвязь между системами доставки кислорода обусловливает ту важную роль, которую свойства сердечно-сосудистой и дыхательной сетей играют в определении и ограничении уровня метаболизма.

Скорость расходования энергии на прокачку крови по сосудам системы кровообращения называется выходной мощностью сердца. Эта энергия тратится на преодоление вязкого сопротивления, то есть трения, крови при течении по все более узким сосудам при ее перемещении по аорте, первой артерии, выходящей из сердца, и далее по множественным уровням сети вплоть до мельчайших капилляров, обеспечивающих питание клеток. Человеческая аорта – это трубка приблизительно цилиндрической формы, длиной около 45 см и диаметром около 2,5 см, а ширина капилляров составляет всего около 5 микрометров, что несколько меньше толщины волоса[57]. Хотя диаметр аорты синего кита достигает 30 см, его капилляры имеют приблизительно те же размеры, что и наши с вами. Это дает нам яркую иллюстрацию неизменности концевых модулей таких сетей.

Поскольку перемещать текучую среду по узкой трубке гораздо труднее, чем по широкой, почти вся энергия, которую расходует сердце, уходит на прокачку крови по самым тонким сосудам, расположенным на концах сети. Представьте себе сито, через которое фильтруют сок, только в данном случае сито состоит приблизительно из 10 миллиардов мельчайших отверстий. Вместе с тем на прокачку крови по артериям – или по любым другим крупным трубкам сети – тратится сравнительно мало энергии, хотя именно в них находится бо́льшая часть крови.

Один из основных постулатов нашей теории гласит, что получившаяся в результате эволюции конфигурация сети минимизирует мощность сердца, то есть энергию, необходимую для обеспечения циркуляции крови в системе. В произвольной системе, в которой ток жидкости создается пульсирующим насосом, подобным нашему сердцу, в дополнение к потерям энергии на вязкое сопротивление крови, протекающей по капиллярам и другим малым сосудам, существует еще один потенциальный источник энергозатрат. Речь идет о тонком эффекте, связанном с пульсирующим характером нашего «насоса» и прекрасно иллюстрирующем всю красоту конструкции нашей сердечно-сосудистой системы, возникшей в результате оптимизации ее производительности.

Когда кровь покидает сердце, она перемещается вдоль по аорте волнами, создаваемыми биениями сердца. Частота этих волн совпадает с частотой пульса, составляющей около шестидесяти ударов в минуту. Аорта разветвляется на две артерии, и, когда кровь достигает этого первого разветвления, часть ее поступает в одну из них, а часть – в другую, причем волнообразное движение сохраняется в обеих. Одно из общих свойств волн заключается в том, что при столкновении с барьером они отражаются от него, как особенно ясно видно на примере зеркала. Свет представляет собой электромагнитную волну, и изображение, которое мы видим в зеркале, – это попросту световые волны, поступающие от нас и отражающиеся от зеркала. Другие знакомые нам примеры – это отражение волн в воде от препятствия или эхо, отражение звуковых волн от твердой поверхности.

Волна крови, перемещающаяся вдоль по аорте, также частично отражается от точки разветвления, а остальная кровь продолжает движение по дочерним артериям. Такие отражения могут иметь очень нежелательные последствия, так как из-за них сердце может, по сути дела, качать кровь, преодолевая свое собственное сопротивление. Более того, этот эффект многократно усиливается по мере течения крови по всем уровням иерархии сосудов, так как во всех следующих точках разветвления сети возникает то же самое явление, и в результате бо́льшая часть энергии, расходуемой сердцем, уходит только на преодоление многочисленных отражений. Такая конструкция была бы чрезвычайно неэффективной и создавала бы огромную нагрузку на сердце и огромные траты энергии.

Чтобы избежать такого потенциального затруднения и минимизировать работу, которую должно выполнять сердце, геометрия нашей системы кровообращения эволюционировала до такого состояния, в котором ни в одной точке разветвления сети не происходит никакого отражения. Математические и физические принципы получения такого состояния довольно сложны, но вытекающий из них результат прост и изящен: теория предсказывает, что в точке разветвления не возникает отражения, если сумма площадей поперечного сечения дочерних каналов, выходящих из разветвления, точно равна площади поперечного сечения исходного канала, разветвляющегося в нем.

Например, рассмотрим простой случай, в котором две дочерние трубки одинаковы и, следовательно, имеют одинаковое поперечное сечение (что приблизительно так и есть в реальных системах циркуляции). Пусть площадь поперечного сечения исходной трубки равна 2 см². Тогда, чтобы обеспечить отсутствие отражений, площадь поперечного сечения каждой из дочерних трубок должна быть равна 1 см². Поскольку площадь поперечного сечения любого сосуда пропорциональна квадрату его радиуса, тот же результат также можно сформулировать следующим образом: квадрат радиуса исходной трубки должен быть равен удвоенному квадрату радиуса каждой из дочерних трубок. Итак, чтобы исключить потери энергии на отражения, возникающие при движении по сети, радиусы последовательно расположенных сосудов должны масштабироваться регулярным самоподобным образом, уменьшаясь на каждом разветвлении в постоянное число раз, равное квадратному корню из двух (√2).

И действительно, наша сосудистая система организована именно по этому принципу, так называемого ветвления с сохранением площади. Это подтверждают многочисленные измерения, произведенные у множества разных млекопитающих – а также множества разных деревьев и других растений. Это обстоятельство на первый взгляд кажется удивительным, поскольку у растений нет сердцебиения – по их сосудистой системе идет постоянный, непульсирующий ток, – и тем не менее масштабирование их сосудов совершенно аналогично тому, что мы видим в системах пульсирующей циркуляции. Однако если представить себе дерево в виде пучка тесно объединенных волокон, начинающихся в стволе и последовательно расходящихся по всем его ветвям, становится ясно, что по всей этой иерархии необходимо сохранять неизменной суммарную площадь поперечного сечения. Приведенная ниже иллюстрация позволяет сравнить структуру такого пучка волокон с трубчатой структурой сосудов млекопитающих. Одно из интересных последствий ветвления с сохранением площади состоит в том, что площадь поперечного сечения ствола равна сумме площадей поперечного сечения всех мелких веток, которыми заканчивается сеть (черешков). Как это ни удивительно, это было известно Леонардо да Винчи. Соответствующая страница его дневников, на которой он демонстрирует этот факт, также приведена на иллюстрации.

Схема иерархической структуры трубчатых сосудов млекопитающих (слева) и волоконного пучка сосудистой системы растений (справа). Последовательное «развертывание» волокон образует физическую структуру ветвей. В обоих случаях суммарная площадь поперечных сечений на любом уровне ветвления остается постоянной во всей сети

Страница из дневников Леонардо да Винчи, демонстрирующая, что он понимал принцип сохранения площади в ветвлении деревьев

Хотя этот простой геометрический рисунок показывает, почему деревья подчиняются принципу ветвления с сохранением площади, на самом деле он дает упрощенную картину. Однако правило сохранения площади можно вывести и из гораздо более реалистичной модели с использованием сформулированных выше общих принципов устройства сетей, заполнения пространства и оптимизации, в сочетании с биомеханическими ограничениями, требующими, чтобы ветви могли выдерживать колебания, вызванные ветром, не ломаясь. Такой анализ показывает, что, несмотря на совершенно другую физическую конструкцию, деревья и другие растения, как отдельные особи, так и разные виды, почти во всех отношениях подобны млекопитающим в том, что касается степенного закона масштабирования уровня метаболизма с показателем ¾[58].

10. Отступление о Николе Тесле, согласовании импедансов и переменном и постоянном токе

Приятно сознавать, что оптимальная конструкция нашей сердечно-сосудистой системы подчиняется тем же простым правилам ветвления с сохранением площади, что и деревья и другие растения. Но не меньшее удовлетворение приносит и тот факт, что условие отсутствия отражений волн в точках ветвления, по сути дела, идентично принципам проектирования сетей электропередачи, которые разрабатывают с прицелом на повышение эффективности передачи электроэнергии на большие расстояния.

Это условие отсутствия отражений называют согласованием импедансов. Этот принцип имеет многочисленные применения не только в работе человеческого тела, но и в широчайшем спектре технологий, играющих важную роль в нашей повседневной жизни. Например, телефонные сети используют согласование импедансов для минимизации эха в дальних линиях связи; в большинстве громкоговорителей и музыкальных инструментов имеются механизмы согласования импедансов; кости среднего уха обеспечивают согласование импедансов барабанной перепонки и внутреннего уха. Если вы когда-нибудь проходили ультразвуковое исследование – или присутствовали при нем, – вы знаете, что перед тем, как приложить зонд к коже пациента, медсестра или оператор наносят на нее некий липкий гель. Возможно, вы думали, что он действует в качестве смазки, но на самом деле он обеспечивает согласование импедансов. Без такого геля несоответствие импедансов в процедуре ультразвукового исследования привело бы к отражению почти всей энергии от кожи; лишь очень малая ее часть смогла бы проникнуть внутрь тела и отразиться там от исследуемого органа или зародыша.

Термин «согласование импедансов» чрезвычайно удобен в качестве метафоры, выражающей важные аспекты социального взаимодействия. Например, для бесперебойного и эффективного функционирования социальных сетей, будь то в обществе в целом, в компании, в коллективной деятельности или – и даже в особенности – в личных отношениях, например в браке или дружбе, необходимы хорошие каналы связи, обеспечивающие достоверную передачу информации между группами и отдельными индивидами. Если информация рассеивается или «отражается», например когда один из собеседников не слушает другого, это делает невозможным ее точную или эффективную обработку, что неизбежно приводит к неправильной интерпретации, аналогичной потерям энергии в отсутствие согласования импедансов.

В XIX в., по мере расширения использования электричества в качестве основного источника энергии, все более насущной становилась потребность в его передаче на большие расстояния. Поэтому неудивительно, что Томас Эдисон много размышлял над возможностями решения этой задачи. Впоследствии он стал ярым сторонником передачи электроэнергии с использованием постоянного тока. Как вы, наверное, знаете, мы используем два основных вида электричества: постоянный ток, столь дорогой Эдисону, в котором электроэнергия течет непрерывным потоком, подобно реке, и переменный ток, использующий пульсирующее, волнообразное движение, сходное с морскими волнами или с током крови в наших артериях. До 1880-х гг. на практике использовался только постоянный ток, отчасти потому, что электродвигатели на переменном токе еще не были изобретены, а отчасти потому, что передача энергии производилась по большей части на сравнительно короткие расстояния. Однако в пользу предпочтительного использования переменнотоковой передачи, особенно на большие расстояния, есть вполне здравые научные доводы, и не самый последний из них связан с возможностью выгодного использования пульсирующей природы переменного тока и согласования импедансов в точках ветвления для минимизации потерь энергии – точно так же, как это происходит в нашей системе кровообращения.

Появление индукционного электродвигателя переменного тока и трансформатора, которые создал в 1886 г. блестящий и вдохновенный изобретатель-футурист Никола Тесла, стало поворотным моментом, положившим начало «войне токов». В США эта война свелась к генеральному сражению между собственной компанией Эдисона (переименованной впоследствии в General Electric) и компанией George Westinghouse. По иронии судьбы Тесла приехал из своей родной Сербии в Соединенные Штаты именно на работу к Эдисону: он должен был усовершенствовать технологию постояннотоковой передачи. Несмотря на успешное решение этой задачи, он продолжил работу и разработал еще более совершенную систему на переменном токе, патенты на которую он в конце концов продал компании Westinghouse. Хотя переменный ток в конце концов одержал победу и господствует сейчас в системах электропередачи всего мира, постоянный ток долго применялся еще и в ХХ в. Я вырос в английских домах с постояннотоковым электричеством и хорошо помню, как наш район перевели на переменный ток и мы вступили наконец в ХХ век.

Вы, несомненно, слышали о Николе Тесле – главным образом в связи с тем, что его имя использует одна широко разрекламированная компания, производящая изящные, роскошные электромобили. Однако до недавнего времени он был забыт почти всеми, если не считать физиков и инженеров-электротехников. При жизни он был знаменит не только своими великими достижениями в области электротехники, но и своими несколько необузданными идеями и эпатажными выходками: благодаря своей славе он даже попал на обложку журнала Time. А благодаря своим исследованиям и гипотезам о молниях, лучах смерти и усилении разума при помощи электрических импульсов, а также своей фотографической памяти, кажущемуся отсутствию потребности во сне и потребности в близких отношениях с людьми, он стал, со своим восточноевропейским акцентом, прототипом кинематографического образа «безумного профессора». Хотя его патенты принесли ему немалое состояние, он тратил все на свои исследования и умер в бедности: это случилось в Нью-Йорке в 1943 г. За последние двадцать лет его имя снова приобрело большую известность в популярной культуре, вплоть до столь уместного его использования автомобильной компанией.

11. Возвращаясь к метаболизму, сердцебиению и кровообращению[59]

Описанные в предыдущих разделах теоретические принципы объясняют масштабирование сердечно-сосудистой системы у разных видов, от землеройки до синего кита. Что не менее важно, они объясняют масштабирование внутри обычной особи, от аорты до капилляров. Поэтому, если вам по каким-либо странным причинам захочется узнать значения радиуса, длины, расхода крови, частоты пульса, скорости, давления и так далее для четырнадцатой ветви системы кровообращения среднего гиппопотама, теория даст вам ответ на эти вопросы. Собственно говоря, теория даст вам значения этих величин для любой ветви сети любого животного.

По мере того как кровь течет по сети, перемещаясь по все более и более мелким сосудам, силы вязкого сопротивления становятся все большими, что приводит к рассеянию все большего количества энергии. Эти потери энергии приводят к постепенному затуханию волны, продвигающейся вниз по иерархической сети, и в конце концов она теряет свои пульсирующие свойства и превращается в равномерный поток. Другими словами, сама природа потока порождает переход от пульсирующего движения в более крупных сосудах к равномерному в более мелких. Именно поэтому мы измеряем пульс на одной из основных артерий: в более мелких сосудах от него не остается почти никаких следов. Говоря языком электропередачи, природа тока крови превращает его по мере продвижения вниз по сети из переменного в постоянный.

Таким образом, к тому моменту, когда кровь достигает капилляров, ее вязкость обеспечивает устранение ее пульсации и чрезвычайно сильно замедляет ее движение. Скорость движения крови падает приблизительно до одного миллиметра в секунду, что чрезвычайно мало по сравнению со скоростью 40 см в секунду, с которой кровь покидает сердце. Это очень важно, потому что такая низкая скорость дает кислороду, переносимому кровью, достаточно времени для эффективной диффузии сквозь стенки капилляров и быстрой доставки в клетки для их питания. Интересно отметить, что согласно предсказаниям теории эти значения скорости на двух концах сети, в капиллярах и в аорте, должны быть одинаковыми для всех млекопитающих, – как и показывают наблюдения. Скорее всего, вы знаете об этой огромной разнице скоростей в аорте и в капиллярах. Если уколоть кожу, кровь будет крайне медленно сочиться из капилляров, и повреждения организма будут незначительными. Если же перерезать одну из крупных артерий – аорту, сонную или бедренную артерию, – то кровь хлынет из нее струей, и человек может умереть всего за несколько минут.

Но по-настоящему удивительно другое предсказание теории: кровяное давление тоже должно быть одинаковым у всех млекопитающих независимо от их размеров. Хотя сердце землеройки весит всего около 12 мг, столько же, сколько приблизительно 25 крупинок соли, а радиус ее аорты составляет всего около 0,1 мм – то есть ее трудно даже увидеть, а сердце кита весит около тонны, почти как малолитражный автомобиль, а радиус его аорты составляет около 30 см, уровни их кровяного давления приблизительно одинаковы. Это совершенно поразительно, стоит только подумать о том огромном напряжении, которое испытывают стенки малюсенькой аорты и артерий землеройки, по сравнению с давлением на наши артерии, не говоря уже о ките. Неудивительно, что этот зверек живет всего год или два.

Физику тока крови первым стал изучать замечательный ученый-энциклопедист Томас Юнг. В 1808 г. он вывел формулу зависимости его скорости от плотности и упругости стенок артерий. Его эпохальные открытия сыграли важнейшую роль в понимании работы сердечно-сосудистой системы и разработке методов использования измерений пульсовых волн и скорости тока крови для изучения и диагностики ее заболеваний. Например, по мере старения артерии затвердевают, что приводит к значительным изменениям их плотности и упругости и, следовательно, к предсказуемым изменениям тока крови и частоты пульса.

Юнг знаменит не только своими исследованиями сердечно-сосудистой системы, но и несколькими другими разнообразными и глубокими открытиями. Наверное, более всего он известен созданием волновой теории света, согласно которой каждому цвету соответствует определенная длина волны. Но он также внес свой вклад в ранние работы по лингвистике и египетской иероглифике, первым расшифровав знаменитый Розеттский камень, хранящийся сейчас в Британском музее в Лондоне. Достойной данью уважения этому великому человеку стала вдохновенная биография Юнга, написанная Эндрю Робинсоном и озаглавленная «Последний человек, знавший все: Томас Юнг, незаметный ученый-универсал, который в числе других гениальных свершений доказал неправоту Ньютона, объяснил, как мы видим, излечивал больных, расшифровал Розеттский камень»[60]. Я питаю к Юнгу особую слабость, потому что он родился в городе Милвертоне в графстве Сомерсет на западе Англии, всего в нескольких милях от города Тонтона, в котором родился я.

12. Самоподобие и происхождение магического числа 4

В большинстве своем биологические сети, подобные системе кровообращения, проявляют одно любопытное геометрическое свойство: они фрактальны. Вы, вероятно, знакомы с этим понятием. Попросту говоря, фракталы – это объекты, которые выглядят приблизительно одинаково независимо от масштаба или степени увеличения. Классический пример фрактала – кочан цветной капусты или брокколи, изображенный на с. 149. Фракталы повсеместно распространены в природе и встречаются всюду, от легких и экосистем для городов, компаний, облаков и рек. Я хочу посвятить этот раздел разговору о том, что они собой представляют, что они означают, как они связаны со степенными законами масштабирования и как они проявляются в обсуждаемой системе кровообращения.

Если головку брокколи разделить на меньшие части, каждая такая часть выглядит как уменьшенная копия исходной головки. При увеличении до размера целой головки кажется, что такую часть невозможно отличить от целого. Если каждую из этих частей также разделить на еще меньшие части, то и эти меньшие части будут выглядеть как уменьшенные копии исходной головки. Можно представить себе многократное повторение этой процедуры с практически одним и тем же результатом: каждая, все более мелкая, часть будет выглядеть как уменьшенная копия исходного целого. Говоря несколько другими словами, если сфотографировать любую часть брокколи и увеличить снимок до размеров исходной головки, отличить такую увеличенную фотографию от оригинала будет трудно.

Такое положение вещей резко отличается от того, что мы привыкли видеть, например, когда мы смотрим на некий объект в микроскоп, используя все большее и большее увеличение, чтобы рассмотреть его более подробно и выявить новые структуры, качественно отличающиеся от целого. Очевидные примеры такой ситуации касаются, например, клеток в ткани, молекул в веществе или протонов в атоме. Однако если рассматриваемый объект – фрактал, увеличение разрешения не приводит к появлению никаких новых структур или деталей; вместо этого снова и снова повторяется та же самая структура. На самом деле это описание, конечно, идеализировано: изображения, получаемые с разным разрешением, несколько отличаются друг от друга, и в конце концов такое рекурсивное повторение прекращается, и появляются структуры новых типов. Если продолжать делить брокколи на все меньшие кусочки, рано или поздно они утратят геометрические характеристики головки брокколи, и можно будет увидеть структуру ее тканей, клеток и молекул.

A)

B)

C)

D)

Примеры классических фракталов и масштабной инвариантности. Определение абсолютного масштаба во всех этих случаях затруднительно. A) и B): Два снимка капусты романеско, сделанные с разным разрешением, ясно показывают самоподобие. С) Русло пересохшей реки в Калифорнии. Очевидно сходство с зимним деревом, сухим листом или сосудистой системой человека. D) Большой каньон. Точно так же выглядит грунтовая дорога к моему дому, размытая после большой грозы

Такое повторяющееся явление, называемое самоподобием, является общей характеристикой фракталов. Аналоги повторяющегося масштабирования брокколи можно найти в бесконечной последовательности отражений в параллельных зеркалах или в наборе помещающихся друг в друга матрешек все меньшего и меньшего размера. Задолго до изобретения этой концепции принцип самоподобия выразил в стихотворной форме ирландский сатирик Джонатан Свифт, автор «Путешествий Гулливера», написавший следующее ироническое четверостишие:

Так, блох кусают маленькие блошки,

А тех – свои, совсем, должно быть, крошки,

Но и на них есть место паразитам…

И так оно идет ad infinitum[61].

Так же обстоит дело и с иерархическими сетями, о которых мы говорим. Если вырезать фрагмент сети и увеличить его до соответствующего размера, полученная сеть будет выглядеть в точности как исходная. Каждый уровень сети, по сути дела, образует локальную масштабированную копию смежных с ним уровней. Явный пример этой ситуации мы видели, когда говорили о последствиях согласования импедансов для пульсирующего режима работы системы кровообращения: ветвление с сохранением площади приводит к тому, что радиусы последовательно расположенных сосудов уменьшаются при каждом следующем разветвлении в постоянное число (√2 = 1,41…) раз. Поэтому, например, если сравнить радиусы сосудов, которые разделяет 10 таких разветвлений, их отношение будет равно (√2)10 = 32. Поскольку радиус нашей аорты равен приблизительно 1,5 см, это означает, что радиус сосуда, расположенного на десятом уровне ветвления, составляет всего около половины миллиметра.

Поскольку при продвижении вниз по сети ток крови превращается из пульсирующего в непульсирующий, наша кровеносная система на самом деле не полностью самоподобна и, следовательно, не образует точного фрактала. В области непульсирующего течения, в которой велико влияние на ток вязких сил, минимизация диссипации энергии порождает самоподобие, в котором радиус сосудов уменьшается с постоянным отношением, равным не квадратному корню из двух (√2 = 1,41…), как это было в области пульсирования, а кубическому (3√2 = 1,26…). Таким образом, фрактальная природа системы кровообращения несколько изменяется при переходе от аорты к капиллярам, что отражает изменение природы тока крови от пульсирующей к непульсирующей. И вместе с тем в деревьях от ствола до листьев сохраняется приблизительно одно и то же самоподобие, и радиусы ответвлений последовательно уменьшаются в соответствии с правилом сохранения площади, сохраняя коэффициент √2.

Требование заполнения пространства, согласно которому сеть должна обслуживать весь объем организма на всех масштабных уровнях, также приводит к самоподобию с точки зрения длины сосудов. Чтобы обеспечить заполнение трехмерного пространства, длина сосудов последовательных уровней должна уменьшаться при каждом следующем разветвлении с постоянным коэффициентом 3√2, причем, в отличие от ситуации с радиусами, это отношение остается неизменным на всех уровнях сети, как при пульсирующем, так и при непульсирующем токе.

Раз мы установили, как сеть масштабируется по этим простым правилам внутри каждой особи, нам остается сделать последний шаг: установить, какие связи существуют между видами с разными массами. Для этого можно использовать еще одно следствие из принципа минимизации энергии, а именно то обстоятельство, что суммарный объем сети – то есть суммарный объем крови, содержащейся в организме, – должен быть прямо пропорционален объему самого организма, а следовательно, его массе, что и наблюдается на опыте. Другими словами, отношение объема крови к объему тела постоянно и не зависит от размеров. В случае дерева это очевидно, так как сеть его сосудов и образует дерево – между его ветвями нет ничего аналогичного нашей плоти, так что объем сети просто равен объему дерева[62].

Объем же сети попросту равен сумме объемов всех ее сосудов или ветвей, а их объем легко вычислить, зная правила масштабирования их длин и радиусов, что связывает самоподобие внутренней сети с размерами организма. Именно математическое взаимодействие между кубическим корнем, определяющим масштабирование длин, и квадратным корнем, определяющим масштабирование радиусов, с учетом линейного масштабирования объема крови и неизменности концевых модулей и приводит к тому, что аллометрическое масштабирование между разными видами подчиняется степенным законам с показателями, кратными одной четвертой.

Получающееся магическое число 4, по сути дела, порождается расширением обычных трех измерений объема, обслуживаемого сетью, за счет дополнительного измерения, внесенного фрактальной природой этой сети. Мы поговорим об этом более подробно в следующей главе, в которой мы обсудим общую концепцию фрактальной размерности, но пока достаточно сказать, что естественный отбор воспользовался математическими чудесами фрактальных сетей для оптимизации распределения энергии в организмах таким образом, что организмы работают так, будто они существуют в четырех измерениях, а не в классических трех. В этом смысле повсеместно встречающееся число 4 на самом деле есть 3 + 1. В более общем случае оно равно сумме числа измерений обслуживаемого пространства и единицы. Поэтому, если бы мы жили во вселенной с одиннадцатью измерениями, магическое число было бы равно 11 + 1 = 12, и мы говорили бы об универсальности степенных законов масштабирования с показателями, кратными 1/12, а не ¼.

13. Фракталы: загадка удлиняющихся границ

Математики давно поняли, что существуют геометрии, лежащие за каноническими пределами классической евклидовой геометрии, с древних времен служившей основой математики и физики. Постулаты традиционной системы, которую многие из нас радостно или мучительно усвоили в свое время, по умолчанию считают все линии и поверхности гладкими и непрерывными. Новаторские идеи, использовавшие концепции прерывистости или морщинистости, заложенные в современную концепцию фракталов, считались интересными формальными продолжениями академической математики, но в целом не предполагалось, что они могут играть сколько-нибудь заметную роль в реальном мире. Совершить фундаментальное открытие, показавшее, что морщинистость, разрывность, шероховатость и самоподобие – словом, свойства фрактальности, – напротив, повсеместно распространены в том сложном мире, в котором мы живем, выпало французскому математику Бенуа Мандельброту[63].

Задним числом кажется весьма удивительным, что эта идея не приходила в голову величайшим математикам, физикам и философам в течение более чем двух тысяч лет. Подобно многим великим прорывам, открытие Мандельброта теперь представляется почти «очевидным», и трудно поверить в то, что это наблюдение не было сделано несколькими веками раньше. В конце концов, «натуральная философия» в течение очень долгого времени была одним из главных направлений интеллектуальных поисков человечества, и почти все мы знакомы с цветной капустой, сосудистыми системами, ручьями, реками и горными хребтами – то есть теми самыми объектами, которые считаются сейчас фрактальными. Однако почти никто не обдумывал ни общую для них структурную и организационную регулярность, ни математические средства для их описания. Вероятно, подобно Аристотелеву предположению о том, что тяжелые предметы «очевидно» падают быстрее, платоновский идеал гладкости, воплощенный в классической евклидовой геометрии, настолько прочно укоренился в нашей душе, что проверки его справедливости на реальных примерах пришлось ждать очень долгое время. Человеком, осуществившим такую проверку, был необычный британский эрудит по имени Льюис Фрай Ричардсон, почти случайно заложивший основу, вдохновившую Мандельброта на изобретение фракталов. История о том, как Ричардсону это удалось, необычайно интересна, и я вкратце перескажу ее здесь.

Идеи Мандельброта предполагают, что при рассмотрении через грубую линзу с переменным разрешением проступают скрытые простота и регулярность, лежащие в основе необычайной сложности и многообразия многих черт окружающего нас мира. Более того, математика, описывающая самоподобие и заложенные в нем рекурсивные изменения масштаба, совпадает со степенными законами масштабирования, описанными в предыдущих главах. Другими словами, степенные законы масштабирования – это математическое выражение самоподобия и фрактальности. Поэтому, так как животные подчиняются степенным законам масштабирования, как внутри отдельных особей, в отношении геометрии и динамики структуры их внутренних сетей, так и при переходах от вида к виду, они – а значит, и все мы – живые проявления самоподобных фракталов.

Льюис Фрай Ричардсон был математиком, физиком и метеорологом. В сорок шесть лет он получил еще и ученую степень по психологии. Ричардсон родился в 1881 г. и в самом начале своей карьеры внес фундаментальный вклад в современную методику прогнозирования погоды. Он впервые высказал идею о численном моделировании погоды с использованием фундаментальных уравнений гидродинамики (тех самых уравнений Навье – Стокса, о которых мы говорили выше в приложении к моделированию судов), подкрепленных постоянным вводом в них все новых реальных метеорологических данных, например изменений давления, температуры, плотности и влажности воздуха и скорости ветра. Он разработал эту стратегию в начале ХХ в., задолго до создания современных высокоскоростных компьютеров, так что его трудоемкие вычисления приходилось производить вручную, и их предсказательная сила была очень ограниченной. Тем не менее эта стратегия и общие математические методы, которые он разработал, легли в основу научного прогнозирования и в основном составляют модель, используемую до сих пор для получения сравнительно точных метеорологических прогнозов на срок до нескольких недель. Появление высокоскоростных компьютеров в сочетании с почти поминутным поступлением огромных объемов местных данных, собранных по всему миру, чрезвычайно усилило нашу способность предсказывать погоду.

Жизненный путь и Ричардсона, и Мандельброта был довольно необычным. Хотя оба они получили математическое образование, ни тот ни другой не пошел по стандартной для ученого карьерной стезе. Ричардсон был квакером и во время Первой мировой войны отказался служить по этическим соображениям, за что впоследствии ему запретили заниматься научной работой в университетах; по нынешним временам это решение кажется особенно злобным[64]. Что касается Мандельброта, он впервые получил должность штатного профессора только в возрасте семидесяти пяти лет, в результате чего стал старейшим вновь получившим кафедру профессором в истории Йельского университета. Возможно, для революционных преобразований наших взглядов на мир как раз и необходимы такие белые вороны и бунтари, как Ричардсон и Мандельброт, работающие за пределами основного направления исследований.

До войны Ричардсон работал в Метеорологической службе; когда война закончилась, он возобновил свою работу в ней, но всего через два года вынужден был уволиться, и снова по этическим соображениям: его учреждение стало частью Министерства авиации, заведовавшего Королевскими военно-воздушными силами. Кажется на удивление естественным то, что именно его глубоко прочувствованный пацифизм и связанное с ним вытеснение на периферию традиционных научных исследований позволили ему сделать самое интересное и важное из его наблюдений: что измерение длины не так просто, как кажется. Именно этот вывод привел к появлению идеи о роли фракталов в реальном мире. Чтобы понять, как был получен этот результат, сделаем небольшое отступление, посвященное другим достижениям Ричардсона.

Страстный пацифизм Ричардсона побудил его взяться за следующее грандиозное предприятие: он решил разработать численную теорию, позволяющую понять причины войн и международных конфликтов и создать стратегию, которая в конце концов обеспечила бы их предотвращение. Его целью было не что иное, как создание теории войны. Основной его тезис сводился к тому, что динамика конфликтов определяется в первую очередь скоростью наращивания странами вооружений и что именно их непрерывное накопление является основной причиной войн. Он видел в накоплении вооружений выражение коллективных психологических устремлений, которые отражают исторические, политические, экономические и культурные особенности, но выходят за их пределы и динамика которых неизбежно приводит к конфликтам и нестабильности. Ричардсон использовал для построения модели все большего ускорения гонки вооружений, в которой арсенал каждой страны разрастается в ответ на увеличение арсеналов всех остальных стран, математический аппарат, разработанный для описания динамики химических реакций и распространения инфекционных заболеваний.

Его теория не пыталась объяснить фундаментальные причины войн, то есть то, почему мы, взятые коллективно, прибегаем для урегулирования конфликтов к репрессиям и насилию; она скорее должна была показать, как возрастают темпы гонки вооружений и как этот рост приводит к катастрофическим конфликтам. Хотя его теория была чрезвычайно упрощенной, Ричардсону удалось добиться некоторого успеха в сравнении результатов своего анализа с данными, но еще важнее то, что он создал альтернативную систему количественного рассмотрения причин войн, допускающую сопоставление с реальными данными. Более того, эта система показывала, какие из параметров существенны, особенно с точки зрения разработки сценариев, в которых имеется возможность достижения и сохранения мирного положения. В отличие от традиционных, более качественных теорий конфликтов в теории Ричардсона не играли большой роли действия руководства, культурная и историческая вражда или конкретные события и личности[65].

Стремясь разработать поддающуюся научной проверке систему, Ричардсон собрал огромное количество данных по истории войн и других конфликтов. Чтобы выразить их в численном виде, он ввел обобщающую концепцию, которую назвал «смертельной ссорой» (deadly quarrel): он определил ее как любой человеческий конфликт с применением силы, приводящий к смерти. В таком случае войну можно считать одним из частных случаев смертельной ссоры, а единичное убийство – другим частным случаем. Он выразил их численную величину в соответствии с количеством смертей, вызванных такими ссорами: таким образом, величина смертельной ссоры для отдельного убийства равна единице, для Второй мировой войны эта цифра составляет более 50 миллионов (точное число зависит от того, как именно учитываются смерти среди гражданского населения). Затем Ричардсон сделал смелый шаг: он задался вопросом о том, существует ли непрерывный спектр смертельных ссор, простирающийся от единичного убийства до бандитизма, массовых беспорядков, малых вооруженных конфликтов и так далее, вплоть до двух мировых войн, то есть охватывающий диапазон шириной почти в восемь порядков величины. При попытке отложить все эти величины на одной и той же оси возникает та же проблема, с которой мы столкнулись, когда пытались изобразить в простом линейном масштабе все землетрясения или все уровни метаболизма у млекопитающих. Это попросту невозможно с практической точки зрения, и поэтому для представления всего спектра смертельных ссор приходится использовать логарифмический масштаб.

Таким образом, подобно шкале Рихтера шкала Ричардсона начинается с нуля (что соответствует одному отдельному убийству) и заканчивается около восьми, величиной двух мировых войн (так как восьмой порядок соответствует ста миллионам смертей). Между этими крайними точками помещается все остальное: мелкий бунт с десятью жертвами получает величину, равную единице, стычка, в которой убивают сто человек, – двум и так далее. Разумеется, войн с величиной около семи крайне мало, а конфликтов, величина которых находится между нулем и единицей, имеется огромное количество. Построив в логарифмическом масштабе график зависимости числа смертельных ссор от их величины, Ричардсон получил приблизительно прямую линию, подобную тем прямым, которые мы видели на графиках зависимости физиологических величин – например, уровня метаболизма – от размеров животных (см. рис. 1).

Следовательно, распределение вероятности войн подчиняется простому степенному закону масштабирования, что говорит о том, что конфликты приблизительно самоподобны[66]. Этот замечательный результат приводит к тому неожиданному выводу, что в грубом приближении крупную войну можно считать всего лишь увеличенной копией мелкого конфликта, так же как слона можно считать приблизительной увеличенной копией мыши. Таким образом, за всей необычайной сложностью войн и других конфликтов, по-видимому, скрывается общая динамика, действующая на всех масштабах. Недавние работы подтвердили справедливость этих выводов в отношении современных войн, терактов и даже кибернетического терроризма[67]. Пока что не было предложено никакой общей теории, объясняющей эти закономерности, но, по всей вероятности, они отражают фрактальные сетевые характеристики национальных экономик, социального поведения и рыночных сил. Как бы то ни было, любая всеобъемлющая теория войн должна их объяснять.

Тут мы наконец подходим к тому моменту, ради которого и рассказывается история Льюиса Ричардсона. В степенном законе масштабирования конфликтов он видел лишь одну из, возможно, многих систематических закономерностей, касающихся войн, из которых он надеялся вывести общие законы, управляющие насилием у человека. Пытаясь разработать эту теорию, он предположил, что вероятность войны между двумя соседними государствами должна быть пропорциональная длине их общей границы. Чтобы проверить свою гипотезу, он занялся рассмотрением методик измерения длины границ… и именно это привело его к нечаянному открытию фракталов.

В рамках проверки своей теории Ричардсон стал собирать информацию по длинам границ и, к удивлению своему, обнаружил, что в опубликованных данных встречаются значительные расхождения. Например, он выяснил, что длину границы между Испанией и Португалией иногда называют равной 987 км, а иногда – 1214 км; сходным образом в некоторых случаях утверждается, что граница между Нидерландами и Бельгией имеет в длину 380 км, а в других – целых 449 км. Трудно было поверить, чтобы такие большие расхождения были связаны с ошибками измерений. К тому времени топография уже была хорошо развитой, почтенной и точной наукой. Например, высота Эвереста была известна к концу XIX в. с точностью до нескольких десятков сантиметров. Поэтому расхождения в длинах границ, составлявшие сотни километров, выглядели очень странно. Ясно было, что тут что-то не так.

До исследований Ричардсона методика измерения длин воспринималась как нечто само собой разумеющееся. Ее идея настолько проста, что какие-либо ошибки казались невозможными. Давайте проанализируем процедуру измерения длины. Предположим, что вы хотите грубо оценить длину своей гостиной. Сделать это очень просто: вам нужно взять метровую линейку и сосчитать, сколько раз ее можно переложить (по прямой линии) от одной стены до другой. Выполнив эту операцию, вы выясняете, что линейка помещается на длине комнаты 6 с небольшим раз, и заключаете, что длина комнаты чуть больше 6 м. Через некоторое время вы понимаете, что вам нужна более точная оценка, и получаете ее, используя более высокое разрешение – линейку длиной 10 см. Аккуратно перекладывая ее по комнате, вы насчитываете чуть меньше 63 таких переложений, что дает вам более точную оценку длины комнаты: 63 × 10 см, то есть 630 см, или 6,3 м. Разумеется, эту процедуру можно повторять снова и снова, используя все более высокое разрешение – все зависит от того, насколько точный результат вам нужен. Например, измерив длину комнаты с точностью до миллиметра, вы можете узнать, что она составляет 6,289 м.

В реальности мы обычно не занимаемся перекладыванием линеек: вместо этой скучной процедуры удобнее использовать непрерывную рулетку соответствующей длины или другие измерительные приборы. Но принцип остается тем же: рулетка или любое другое измерительное устройство – это просто последовательность скрепленных друг с другом коротких линеек заданной стандартной длины, например по 1 м или по 10 см.

Наша процедура измерений, какой бы она ни была, основана на предположении о том, что по мере увеличения разрешения результат сходится ко все более точному неизменному числу, которое мы называем длиной комнаты и считаем объективным ее свойством. В приведенном примере такое схождение с увеличением разрешения давало результаты 6, 6,3 и 6,289 м. Это схождение к точно определенной длине кажется совершенно очевидным, и в нем действительно никто не сомневался в течение нескольких тысяч лет, до самого 1950 г., в котором Ричардсон натолкнулся на удивительную загадку удлиняющихся границ и береговых линий.

Теперь представим себе измерение длины границы между двумя соседними странами – или же длины береговой линии некоторой страны – в соответствии с обрисованной выше стандартной процедурой. Чтобы получить очень грубую оценку, мы можем для начала использовать отрезки длиной по 100 км, выложенные встык друг за другом по всей длине измеряемой линии. Допустим, что при этом разрешении мы нашли, что на границе помещается чуть более 12 таких отрезков, то есть ее длина, грубо говоря, составляет чуть больше 1200 км. Чтобы получить более точный результат, можно оценить эту длину, используя отрезки по 10 км. Применяя обычные «правила измерений», описанные в примере с длиной комнаты, мы можем насчитать что-нибудь около 124 таких сегментов, что дает нам более точную оценку длины границы – 1240 км. Увеличение разрешения до 1 км еще более повысит точность; в этом случае мы насчитываем, скажем, 1243 сегмента, что дает длину в 1243 км. Так можно продолжать, используя все большее и большее разрешение, вплоть до получения результата сколь угодно высокой требуемой точности.

Однако Ричардсон, проведя измерения по этой стандартной итеративной методике при помощи кронциркуля и подробных карт, обнаружил, к своему огромному удивлению, что это вовсе не так. Более того, он выяснил, что чем большее разрешение он использует и, следовательно, чем выше ожидаемая точность, тем длиннее становится граница и ее длина вовсе не сходится к некоторому конкретному значению! В отличие от длин гостиных длины границ и береговых линий не сходятся к некоему фиксированному числу, а становятся все больше, нарушая тем самым основные законы измерений, которые никто не подвергал сомнению в течение нескольких тысяч лет. Не менее удивительной была и установленная Ричардсоном систематичность этого увеличения длины. Когда он построил в логарифмическом масштабе график зависимости длин различных границ и береговых линий от разрешения измерений, он получил ту же прямую линию, свидетельствующую о действии степенного закона масштабирования, которую мы уже встречали во многих других местах (см. рис. 14). Это было чрезвычайно странно, так как свидетельствовало о том, что, в противоположность привычным нам представлениям, такие длины, по-видимому, зависят от масштаба единиц, использованных для их измерения, и с этой точки зрения отнюдь не являются объективным свойством измеряемого объекта[68].

Что же тут происходит? Чтобы это понять, достаточно секундного размышления. В отличие от стен вашей гостиной границы и береговые линии обычно не прямолинейны. Гораздо чаще они бывают изогнутыми, извилистыми линиями, обусловленными местными географическими особенностями или «произвольно» определенными по политическим, культурным или историческим соображениям. Если положить между двумя точками границы или побережья прямую линейку длиной 100 км – а именно это, по сути дела, и делается при топографической съемке, – многие из расположенных между этими точками изгибов и извивов, очевидно, не будут учтены (см. рис. 13). Однако если вместо этого использовать линейку длиной 10 км, это позволит измерить все пропущенные ранее изгибы и извивы, размеры которых превышают 10 км. Более высокое разрешение позволяет рассмотреть более мелкие подробности и более точно проследить извилистые участки, что неизбежно приведет к получению оценки большей, чем была получена при применении более грубой, стокилометровой шкалы. Измерение с шагом 10 км точно так же может не замечать аналогичных изгибов и извивов, размеры которых меньше 10 км; однако их можно учесть, если увеличить разрешение измерений до 1 км, и это снова приведет к увеличению длины. Таким образом, в случае линий, содержащих множество изгибов и извивов, подобно границам и береговым линиям, которые изучал Ричардсон, легко понять, почему при увеличении разрешения их длина систематически растет.

Поскольку этот рост подчиняется простому степенному закону, такие границы на самом деле представляют собой самоподобные фракталы. Другими словами, изгибы и извивы одного масштабного уровня в среднем являются масштабированными копиями изгибов и извивов другого. Поэтому, если вам когда-нибудь казалось, что размытый берег ручейка выглядит в точности как уменьшенная копия размытого берега большой реки или даже как миниатюрная модель Большого каньона, знайте, что вам это не привиделось. Так оно и есть (см. с. 149).

Рис. 13. Как показывают примеры, длина систематически увеличивается с увеличением разрешения в соответствии со степенным законом

Рис. 14. Наклон зависимости определяет фрактальную размерность берего-вой линии: чем более извилиста эта линия, тем больше наклон

Замечательное открытие. Мы снова видим, что рассмотрение через грубую линзу масштабирования позволяет заметить за головокружительной сложностью мира природы удивительную простоту, регулярность и цельность. Хотя Ричардсон открыл в своих исследованиях границ и побережий это странное, революционное, идущее вразрез со здравым смыслом поведение и даже понял его происхождение, он не осознал его потрясающей всеобщности и далеко идущих следствий. Это, более крупное, открытие совершил Бенуа Мандельброт.

Открытие Ричардсона осталось почти не замеченным научным сообществом. Это и не удивительно, потому что оно было опубликовано в сравнительно малоизвестном журнале, да к тому же и сам Ричардсон был слишком занят своими исследованиями происхождения войн. Его статья, опубликованная в 1961 г., вышла под замечательно невразумительным названием: «Проблема смежности: приложение к статистике смертельных ссор» (The Problem of Contiguity: An Appendix to Statistics of Deadly Quarrels). Даже специалисту было непросто понять из него, о чем идет речь в статье. Кто же мог знать, что эта работа провозглашает важнейшее изменение в нашем мировоззрении?

Понять это смог Бенуа Мандельброт. Ему следует поставить в заслугу не только воскрешение работ Ричардсона, но и осознание их глубокого значения. В 1967 г. он опубликовал во влиятельном журнале Science статью под более понятным названием: «Какова протяженность береговой линии Британии? Статистическое самоподобие и фрактальная размерность»[69]. Эта работа заново открыла труды Ричардсона, расширив его результаты и обобщив его идеи. Численной мерой морщинистости, которую впоследствии стали называть фрактальностью, был выбран наклон соответствующих прямых на логарифмических графиках Ричардсона: чем круче наклон, тем большей морщинистостью обладает кривая. Величина наклона соответствует показателю степенного закона, связывающего длину с разрешением, аналогичному показателю ¾, который связывает уровень метаболизма с массой организма. Для очень гладких классических кривых, например окружностей, угол наклона – или степенной показатель – равен нулю, так как длина такой кривой не изменяется с увеличением разрешения, а лишь сходится к определенному значению, как в примере с измерением длины гостиной. Однако для неровных, морщинистых береговых линий этот показатель отличен от нуля. Например, для западного побережья Британии он составляет 0,25. Для еще более морщинистых берегов Норвегии с их великолепными фьордами и многоуровневыми заливами и бухтами, которые последовательно разветвляются на все меньшие заливы и бухты, показатель доходит до огромного значения в 0,52. Тем не менее Ричардсон выяснил, что побережье Южной Африки не похоже почти ни на одну другую береговую линию и имеет показатель, равный всего лишь 0,02, близкий к гладкой кривой. Что же касается границы между Португалией и Испанией, «расхождения» длины которой и навели его на эту задачу, ее показатель оказался равным 0,18, см. рис. 14.

Чтобы понять, что означают все эти числа на человеческом языке, представим себе, что разрешение измерений увеличилось в два раза. Тогда, например, измеренная длина западного побережья Британии увеличится приблизительно на 25 %, а побережья Норвегии – более чем на 50 %. Этот сильнейший эффект совершенно не принимался во внимание, пока Ричардсон не наткнулся на него всего семьдесят лет назад. Таким образом, для придания процессу измерения осмысленности совершенно необходимо знать разрешение, являющееся неотъемлемой частью всего этого процесса.

Вывод ясен. В общем случае измеренная длина не имеет смысла, если не указан масштаб разрешения, использованный при ее определении. В принципе, говорить о ней так же бессмысленно, как сказать, что длина равна 543, 27 или 1,289176, не указывая, в каких единицах она измерена. Необходимо знать, какое разрешение было использовано, а также идет ли речь о милях, сантиметрах или ангстремах.

Мандельброт ввел понятие фрактальной размерности, равной сумме 1 и показателя степенного закона (то есть наклона прямой). Так, фрактальная размерность побережья Южной Африки равна 1,02, Норвегии – 1,52 и так далее. Смысл добавления единицы состоит в привязке идеи фракталов к общепринятой концепции обычной размерности, о которой мы говорили в главе 2. Вспомним, что размерность гладкой линии равна 1, размерность гладкой поверхности – 2, а размерность объема – 3. Таким образом, побережье Южной Африки очень близко к гладкой линии, так как его фрактальная размерность, 1,02, очень близка к 1, а побережье Норвегии сильно от нее отличается, поскольку его фрактальная размерность, равная 1,52, значительно больше 1.

Можно представить себе предельный случай кривой, настолько морщинистой и извилистой, что она, по сути дела, заполняет целую поверхность. Тогда, даже хотя она и остается линией с «обычной» размерностью, равной 1, с точки зрения свойств масштабирования она ведет себя как поверхность, и ее фрактальная размерность равна 2. Такое любопытное обретение дополнительного измерения есть общее свойство заполняющих пространство кривых, к которому мы вернемся в следующей главе.

В мире природы нет почти ничего гладкого: в нем по большей части встречаются объекты морщинистые, неправильные и зубчатые, и очень часто самоподобные. Взять хотя бы леса, горные хребты, овощи, облака или поверхность океанов. Поэтому большинство физических объектов не имеет абсолютной объективной длины, и при их измерении чрезвычайно важно учитывать, с каким разрешением оно производится. Почему же осознание столь фундаментального и, как теперь кажется, столь очевидного факта заняло более двух тысяч лет? По всей вероятности, это связано с двойственностью, которая возникла по мере того, как человек постепенно разрывал тесные связи с миром природы и все более отдалялся от естественных сил, определяющих нашу биологию. Когда мы изобрели язык, научились с выгодой для себя использовать экономию на масштабе, образовали сообщества и начали изготавливать искусственные предметы, мы, по сути дела, изменили геометрию своего повседневного мира и его ближайших окрестностей. В проектировании и изготовлении разработанных человеком предметов, будь то примитивные керамические горшки и орудия или современные автомобили, компьютеры и небоскребы, мы используем и ценим простоту прямых линий, гладких кривых и гладких поверхностей. Этот подход был блестяще формализован и отражен в развитии количественных измерений и изобретении математики, в частности в идеализированной парадигме евклидовой геометрии. Эта математика соответствует миру окружающих нас рукотворных объектов, который мы создали в процессе развития из ничем не заметного млекопитающего в общественного Homo sapiens.

Существуя в этом новом мире артефактов, мы неизбежно приучились рассматривать его сквозь линзу евклидовой геометрии – прямых линий, гладких кривых и гладких поверхностей, – не видя, по меньшей мере с научной и технологической точек зрения, того, как нам кажется, беспорядочного, сложного, запутанного мира природы, из которого мы возникли. Он в основном остался в воображении художников и писателей. Хотя в нашем новом, более правильном искусственном мире измерения и играют центральную роль, мир этот обладает изящной евклидовой простотой, так что о неприятных вопросах, например о разрешении, можно не беспокоиться. В этом новом мире длина есть длина, и дело с концом. Однако в «природном» мире, непосредственно окружающем нас, это совсем не так. В лаконичной формулировке Мандельброта: «Гладкие формы редки в дикой природе, зато имеют огромное значение в башнях из слоновой кости и на фабриках».

Математики рассматривали негладкие кривые и поверхности еще с начала XIX в., но их не занимала распространенность такой геометрии в естественном мире. Они стремились лишь к изучению новых идей и концепций, представлявших в первую очередь теоретический интерес, например, чтобы понять, можно ли сформулировать непротиворечивые геометрические системы, нарушающие священные постулаты Евклида.

Ответ на этот вопрос оказался утвердительным, и Мандельброт имел все возможности воспользоваться этим обстоятельством. В отличие от Ричардсона он получил образование в более формальных традициях классической французской математики и был знаком со странным миром абстрактных, покрытых морщинами, неевклидовых кривых и поверхностей. Его великий вклад состоял в том, что он увидел, что открытию Ричардсона может быть придано твердое математическое основание и что экзотические геометрии, с которыми играли теоретики от математики и которые, казалось бы, не имеют ничего общего с «реальностью», на самом деле имеют к ней самое непосредственное отношение – в некоторых аспектах, возможно, даже более непосредственное, чем евклидова геометрия.

Вероятно, еще большее значение имело осознание им возможности обобщения этих идей на области гораздо более широкие, чем вопросы длин границ и побережий, на практически любые измерения, в том числе даже времени и частот. В число таких примеров входят наш мозг, шарики скомканной бумаги, молнии, речные системы и временные последовательности – например, электрокардиограммы (ЭКГ) или поведение фондового рынка. Выяснилось, что в течение одного часа торговли финансовые рынки испытывают в среднем такие же колебания, что и в течение суток, месяца, года или десятилетия. Рисунки этих колебаний оказываются попросту нелинейно масштабированными копиями друг друга. Поэтому, взглянув на характерный график изменений индекса Доу – Джонса за некоторый период, нельзя сказать, идет ли речь о последнем часе или о последних пяти годах: распределение спадов, подъемов и пиков остается приблизительно одинаковым независимо от длительности временного отрезка. Другими словами, поведение фондового рынка образует самоподобную фрактальную кривую, повторяющуюся на всех временных масштабах в соответствии со степенным законом масштабирования, численным выражением которого служит степенной показатель или, что то же, фрактальная размерность.

Вы можете решить, что это знание позволит вам быстро разбогатеть. Хотя оно, несомненно, позволяет по-новому взглянуть на скрытые регулярные черты фондовых рынков, предсказательной силой оно обладает только в грубом, усредненном смысле и никакой конкретной информации о поведении отдельных курсов не дает. Тем не менее оно является важной частью понимания динамики рынков на разных временных масштабах. Это обстоятельство способствовало развитию новой междисциплинарной отрасли финансовой науки, называемой эконофизикой, и побудило инвестиционные компании нанимать физиков, математиков и специалистов по информатике для разработки новых инвестиционных стратегий с использованием идей такого рода[70]. Многие из них весьма разбогатели, хотя не вполне ясно, насколько именно большую роль в их успехе сыграли физика и математика.

Самоподобие, наблюдаемое в ЭКГ, также может стать важным показателем состояния сердца. Можно было бы подумать, что у более здорового сердца должна быть более гладкая и регулярная кардиограмма, то есть здоровое сердце должно иметь меньшую фрактальную размерность, чем больное. На самом деле все обстоит как раз наоборот. Здоровые сердца имеют относительно высокие фрактальные размерности, что дает большее количество пиков и неровностей ЭКГ, а у сердец, пораженных заболеваниями, эта величина оказывается меньшей, а ЭКГ более гладкой. Собственно говоря, у пациентов с наиболее опасными кардиологическими заболеваниями фрактальная размерность близка к единице, а ЭКГ обладает нетипичной гладкостью. Таким образом, фрактальная размерность ЭКГ позволяет получить потенциально мощное дополнительное средство диагностики для количественного выражения заболеваний и состояния здоровья сердца[71].

Причина того, что лучшее состояние здоровья и бо́льшая надежность соответствуют бо́льшим колебаниям и флуктуациям, а значит, и большей фрактальной размерности ЭКГ, тесно связана с устойчивостью таких систем. Чрезмерная жесткость и ограниченность означают отсутствие достаточной гибкости для изменений, необходимых, чтобы выдержать мелкие потрясения и возмущения, которым неизбежно подвержена любая система. Стоит только вспомнить о всех тех стрессах и напряжениях, часто неожиданных, которые ежедневно воздействуют на наше сердце. Способность выдерживать их и приспосабливаться к ним естественным образом чрезвычайно важна для долговременного выживания. Эти непрерывные изменения и атаки вынуждают все наши органы, в том числе мозг и заключенную в нем душу, быть гибкими и упругими и, следовательно, иметь значительную фрактальную размерность.

Это утверждение можно распространить, хотя бы метафорически, с людей на компании, города, государства и даже саму жизнь. Многообразие и наличие множества взаимозаменяемых, приспосабливаемых компонентов – это также проявления той же концепции. Естественный отбор продолжается с прежней силой и, следовательно, все более увеличивает многообразие. Устойчивыми оказываются те экосистемы, которые содержат большее количество разнообразных видов. Не случайно наибольшего успеха достигают именно те города, в которых имеется более широкий спектр возможностей трудоустройства и развития собственного дела, а также компании, располагающие многообразием видов продукции и сотрудников, достаточно гибкие для изменений, адаптации и преобразований в соответствии с изменениями рынков. Более подробно мы поговорим об этом ниже, в главах 8 и 9, когда будем обсуждать города и компании.

В 1982 г. Мандельброт опубликовал чрезвычайно влиятельную и очень увлекательную научно-популярную книгу под названием «Фрактальная геометрия природы»[72]. Она пробудила огромный интерес к фракталам, поскольку демонстрировала их повсеместное распространение как в науке, так и в природе. В результате возникла целая мини-отрасль, посвященная поиску фракталов, обнаружению их буквально повсюду, определению их размерностей и демонстрации великолепных, экзотических геометрических фигур, отражающих их волшебные свойства.

Мандельброт показал, что сравнительно простые алгоритмические правила, основанные на математике фракталов, могут порождать неожиданно сложные системы. Он, а впоследствии и многие другие создавали поразительно реалистичные модели горных хребтов и ландшафтов, а также интригующие психоделические узоры. Эти методы с большим энтузиазмом взяли на вооружение кинематографисты и средства массовой информации, так что многое из того, что вы видите сейчас на экранах и в рекламе, будь то «реалистичные» батальные сцены, захватывающие пейзажи или футуристические фантазии, основано именно на фракталах. «Властелин колец», «Парк юрского периода» и «Игра престолов» были бы лишь тусклыми отражениями реалистичной фантазии, если бы не ранние работы и открытия, связанные с фракталами.

Фракталы обнаружились даже в музыке, живописи и архитектуре. Утверждается, что фрактальная размерность музыкальных произведений позволяет выразить в численном виде индивидуальные особенности и характеристики композиторов, разные, например, у Баха, Бетховена и Моцарта, а фрактальные размерности полотен Джексона Поллока были успешно использованы для того, чтобы отличить подделки от подлинников[73].

Несмотря на наличие математической системы описания и численного представления фракталов, никакой основанной на физических принципах фундаментальной теории, которая позволила бы понять, почему они вообще возникают, или рассчитать их размерности, до сих пор не создано. Почему береговые линии и границы фрактальны, какая динамика породила их удивительную регулярность и привела к тому, что Южная Африка имеет сравнительно гладкое побережье, а Норвегия – изломанное? И какие общие принципы и динамические процессы связывают эти не зависящие друг от друга явления с поведением фондового рынка, городов, сосудистых систем и ЭКГ?

Фрактальная размерность – лишь одна из многих характеристик таких систем. Мы склонны придавать таким отдельным параметрам поразительно большое значение. Взять хотя бы почти религиозную веру в промышленный индекс Доу – Джонса как показатель общего состояния американской экономики – так же как температура тела обычно считается показателем общего состояния здоровья. Гораздо лучше иметь целый набор таких характеристик, аналогичный, например, результатам ежегодного медосмотра или всем тем параметрам, которые экономисты вычисляют, чтобы получить более полную картину состояния экономики. Но еще лучше иметь общую численную теорию и концептуальную систему, которые в сочетании с динамическими моделями дают точное механистическое объяснение причин появления именно таких значений различных параметров и позволяют предсказать их дальнейшие изменения.

С этой точки зрения простое знание закона Клайбера для масштабирования уровня метаболизма и даже знание всех законов аллометрического масштабирования, которым подчиняются организмы, еще не образует теории. Такие феноменологические законы скорее представляют собой замысловатые выжимки из огромных объемов данных, демонстрирующих и заключающих в себе систематические, общие черты жизни. Способность вывести их аналитически из лаконичного набора общих основополагающих принципов, таких как геометрия и динамика сетей, со все более высоким разрешением позволяет глубоко осознать их происхождение и открывает возможности рассмотрения и прогнозирования других и новых явлений. В следующей главе я покажу, как теория сетей образует такую систему, и опишу несколько особенно ярких примеров, иллюстрирующих это положение.

В заключение следует отметить, что сам Мандельброт проявлял на удивление мало интереса к пониманию механизмов возникновения фракталов. Открыв миру их поразительную всеобщность, он с гораздо большим энтузиазмом занимался их математическим описанием, чем физическим происхождением. Его точка зрения, по-видимому, сводилась к тому, что фракталы – это восхитительное свойство природы и нам следует наслаждаться их повсеместным распространением, простотой, сложностью и великолепием. Нам нужно разработать математический аппарат для их описания и использования, но не следует слишком заботиться о принципах, лежащих в основе их возникновения. Одним словом, он рассматривал фракталы с точки зрения математика, а не физика. Возможно, это было одной из причин того, что его великое открытие не было вполне оценено по достоинству физическим сообществом, в результате чего он так и не получил Нобелевской премии, несмотря на широкое признание в самых разных кругах и присуждение множества других престижных наград и премий.

Глава 4. Четвертое измерение жизни

Рост, старение и смерть

Почти все сети, поддерживающие жизнь, представляют собой приблизительно самоподобные фракталы. В предыдущей главе я объяснял, что природа и происхождение этих фрактальных структур вытекают из некоторых геометрических, математических и физических принципов, например принципов оптимизации и заполнения пространства, из которых можно вывести принципы масштабирования таких сетей как в пределах средней особи, так и при переходе от одного вида к другому.

Бо́льшая часть моего описания касалась систем циркуляции, но те же самые принципы действуют и в отношении дыхательных систем, деревьев и других растений, насекомых и клеток. Собственно говоря, тот факт, что один и тот же набор принципов устройства сетей порождает в системах с весьма разными сложившимися в процессе эволюции конструкциями сходные законы масштабирования, является крупным успехом этой теории. Эти принципы не только объясняют происхождение вездесущего в разных таксономических группах степенного масштабирования с четвертными показателями, но и показывают, например, почему аорты масштабируются так же, как стволы деревьев. Теория позволяет вычислить многие такие величины, и некоторые из них представлены в приведенных ниже таблицах, взятых из наших собственных статей, опубликованных в журналах Science и Nature, чтобы проиллюстрировать ее предсказательную силу. Мы сравниваем предсказанные значения самых разных величин, касающихся кровеносных и дыхательных систем, растений и лесных систем, с результатами наблюдений. Легко видеть, что в большинстве случаев наблюдается превосходное согласие.

Таблица 1. Сердечно-сосудистая система

Таблица 2. Дыхательная система

Таблица 3. Предсказанные значения показателей масштабирования для физиологических и анатомических переменных сосудистой системы растений

Несмотря на то что в основе всегда лежит один и тот же набор принципов, конкретные математические описания и динамические картины в каждом случае обычно бывают весьма разными, что отражает разные физические структуры сетей. Я не стану углубляться в подробности того, как одни и те же принципы применяются во всех этих различных системах, но во всех случаях получаются очень близкие результаты и проявляется степенное масштабирование с четвертными показателями.

Все это очень приятно, но не дает ответа на один навязчивый вопрос: почему во всех этих, очень разных, сетях возникает именно степенной показатель ¼? Почему в одной сети он не может быть равен, скажем, 1/6, в другой – 1/8 и так далее? Другими словами, чем обусловлен тот факт, что применение этого одинакового для всех набора правил к разным сетевым системам с самыми разными структурами и динамическими особенностями дает одни и те же показатели степенных законов масштабирования? Существуют ли какие-то дополнительные конструктивные принципы, не зависящие от динамики конкретных систем, которые обеспечивают возникновение этой четверти практически во всех группах организмов? Этот вопрос имеет большое концептуальное значение, особенно для понимания причин, по которым такое всеобщее поведение охватывает даже такие системы, как бактерии, для которых выявить явную, иерархически разветвленную сетевую структуру гораздо труднее.

1. Четвертое измерение жизни

Общее рассуждение при рассмотрении этого вопроса может быть основано на том утверждении, что естественный отбор привел не только к минимизации потерь энергии, но и к максимизации метаболической способности, так как именно метаболизм производит энергетические и материальные ресурсы, необходимые для поддержания и воспроизводства жизни[74]. Для этого была максимизирована площадь поверхностей, через которые эти ресурсы передаются. Эти поверхности составляют на самом деле суммарную площадь поверхности всех концевых модулей сети. Например, вся наша метаболическая энергия передается для питания наших клеток через суммарную площадь поверхности всех капилляров, а метаболизм деревьев определяется передачей энергии, извлеченной из солнечного света всеми его листьями для обеспечения процесса фотосинтеза, и воды, собираемой из почвы всеми концевыми волокнами корневой системы. Таким образом, концевые модули важны не только по причине своей неизменности, но и потому, что они обеспечивают взаимодействие с поставляющей ресурсы средой, они могут быть и внутренними, как в случае капилляров, и внешними, как в случае листьев. Как мы увидим в дальнейшем, эта центральная роль шлюза для обмена энергией принципиально важна для многих аспектов жизни, от определения длительности сна до определения продолжительности жизни.

Естественный отбор использовал фрактальную природу заполняющих пространство сетей для максимизации суммарной эффективной поверхности этих концевых модулей и тем самым максимизации интенсивности метаболизма. С геометрической точки зрения вложенные уровни постоянного ветвления и извилистости, присущие фракталоподобным структурам, оптимизируют передачу информации, энергии и материалов путем максимизации площади поверхности, через которую протекают эти необходимые для жизни элементы. Благодаря своей фрактальной природе эти поверхности гораздо больше, чем их кажущиеся физические размеры. Проиллюстрируем это положение несколькими замечательными примерами, взятыми из нашего собственного тела.

Хотя размер наших легких приблизительно равен размеру футбольного мяча, имеющего объем порядка 5–6 л, суммарная площадь поверхности альвеол, то есть концевых модулей дыхательной системы, в которых происходит обмен углекислого газа и кислорода с кровью, почти равна площади теннисного корта, а суммарная длина всех воздушных каналов составляет около 2500 км, что почти равно расстоянию от Лос-Анджелеса до Чикаго или от Лондона до Москвы. Еще поразительнее тот факт, что длина всех артерий, вен и капилляров человеческого тела, выложенных в одну линию, составила бы около 100 000 км, что почти в 2,5 раза больше окружности Земли и превышает треть расстояния до Луны… И все это умещается в нашем теле высотой от полутора до двух метров. Несмотря на всю свою фантастичность, это лишь одно из удивительных свойств нашего тела, результата использования естественным отбором чудес физики, химии и математики.

Это замечательное явление – предельное проявление того же принципа, который Ричардсон открыл, а Мандельброт сформулировал в приложении к береговым линиям и границам, а именно что длины и площади – не всегда то, чем они кажутся. Как было объяснено в предыдущей главе, достаточно морщинистая линия, заполняющая пространство, может масштабироваться так, как будто она – поверхность. Ее фрактальность, по сути дела, придает ей дополнительное измерение. Ее обычная евклидова размерность, обсуждавшаяся в главе 2, по-прежнему остается равной 1, что говорит о том, что это именно линия, но ее фрактальная размерность равна 2, что свидетельствует о ее максимальной фрактальности и о том, что ее длина масштабируется как площадь. Точно так же и поверхность, если она достаточно измята, может вести себя как объемное тело, там самым приобретая дополнительное измерение. Ее евклидова размерность равна 2, поскольку это поверхность, но ее фрактальная размерность равна 3.

Поясним это положение на знакомом примере. Представим себе стирку простыней. Заботясь об экономии энергии и в то же время стремясь сэкономить собственные деньги и время, мы ждем несколько недель, пока у нас не накопится достаточно грязных простыней, чтобы заполнить весь барабан стиральной машины. Поэтому, когда приходит время стирки, мы набиваем в машину как можно больше простыней – столько, сколько позволяет объем ее барабана. Вспомним теперь, что обычные объемы растут быстрее, чем площади, так что, если бы можно было увеличить все размеры стиральной машины в два раза, сохраняя ее форму неизменной, ее объем возрос бы в восемь (2^3) раз, а площади всех ее поверхностей – в четыре (2^2) раза. Поэтому можно наивно предположить, что раз простыни, по существу, представляют собой поверхности и, следовательно, двумерны (так как их толщина пренебрежимо мала), то в стиральную машину удвоенных размеров поместится в четыре раза больше простыней. Однако если забить все простыни в барабан так, чтобы они заполнили весь его объем, увеличившийся в восемь раз, окажется, что в машину помещается в восемь, а не в четыре раза больше простыней. Другими словами, суммарная эффективная площадь двумерных простыней, заполняющих трехмерную стиральную машину, масштабируется не как площадь, а как объем, так что в этом смысле мы превращаем площадь в объем.

Это происходит потому, что мы берем гладкую евклидову поверхность, простыню, и комкаем ее, создавая большое число складок и морщин, тем самым превращая ее во фрактал. И в самом деле, распределение размеров складок подчиняется классическому степенному закону: существует несколько очень длинных складок и множество очень мелких, и их количество следует степенному распределению. Это обстоятельство было изучено и проверено на опытах со скомканной бумагой[75]. В реальности невозможно скомкать все простыни в стиральной машине – или листы бумаги – так, чтобы они полностью заполняли объем, но можно довольно близко подойти к этому пределу. В связи с этим измеренные фрактальные размерности таких объектов бывают слегка меньше 2. Собственно, вам и ни к чему полностью скомканные простыни: стиральная машина, скорее всего, не сможет выстирать их как следует, если они будут полностью сжаты.

А вот биологические сети, побуждаемые силами естественного отбора к максимизации поверхностей обмена, достигают максимального заполнения пространства и, следовательно, масштабируются как трехмерные объемные тела, а не двумерные евклидовы поверхности. Это дополнительное измерение, возникающее из оптимизации производительности сети, приводит к тому, что организмы работают так, как если бы они действовали в четырех измерениях. В этом состоит геометрическая причина возникновения показателей, кратных одной четверти. Вместо показателей ⅓, которые действовали бы для гладких, нефрактальных евклидовых объектов, в их масштабировании работают показатели ¼. Хотя живые существа занимают трехмерный объем, их внутренняя физиология и анатомия ведут себя так, как будто они четырехмерны.

Поэтому вовсе не случайно, что ветвление с сохранением площади является чертой многих биологических сетей, хотя в разных анатомических конструкциях могут использоваться разные динамические сценарии. В отличие от генетического кода, развившегося в истории форм жизни всего один раз, фрактальные распределительные сети, создающие дополнительное четвертое измерение, возникали неоднократно. Их примеры можно найти в поверхностях листьев, жабр, легких, кишечника, почек, митохондрий и в разветвленной архитектуре дыхательных и циркуляционных систем самых разных организмов, от деревьев до губок. Таким образом, неудивительно, что даже одноклеточные организмы, например бактерии, используют это свойство и демонстрируют степенное масштабирование.

Вероятно, степенные законы масштабирования с четвертными показателями так же универсальны и так же относятся исключительно к области биологии, как биохимические каналы метаболизма, структура и принципы работы генетического кода или процесс естественного отбора. У подавляющего большинства организмов показатель степенного закона масштабирования уровня метаболизма очень близок к ¾, а внутренних временных параметров и расстояний – к ¼. Это, соответственно, максимальное и минимальное значение эффективной размерности площади поверхности и длины линии в заполняющей пространство фракталоподобной сети. Использование вариаций этой фрактальной темы для создания невероятного многообразия биологических форм и функций свидетельствует о могуществе естественного отбора. Но кроме того, оно свидетельствует о наличии жестких геометрических и физических ограничений процессов метаболизма, вынуждающих все эти организмы подчиняться набору общих степенных законов масштабирования с четвертными показателями. Фрактальная геометрия в буквальном смысле слова придает жизни дополнительное измерение.

Радикально отличное положение существует с почти всеми рукотворными, разработанными человеком артефактами и системами, будь то автомобили, дома, стиральные машины или телевизоры: ни в каких из них не применяется оптимизация производительности за счет возможностей фракталов. В очень ограниченной степени она используется в электронном оборудовании, например компьютерах и смартфонах, но по сравнению с работой нашего организма функционирование этих устройств остается чрезвычайно примитивным. Тем не менее те создаваемые человеком системы, которые растут органически – например, города и, в ограниченной степени, корпорации, – бессознательно развивают в себе самоподобные фрактальные структуры, оптимизирующие их работу. Мы вернемся к этому вопросу в главах 8 и 9.

2. Почему не бывает млекопитающих, маленьких как муравьи?

Идеализированные математические фракталы продолжаются «вечно». Их повторяющееся самоподобие сохраняется до бесконечности, неограниченно, от сколь угодно малого до сколь угодно большого. Однако в реальности существуют ясные пределы. Головку брокколи можно разделить лишь конечное число раз, после чего они утратят наконец свойство самоподобия, и начнет проявляться скрывающаяся под ним геометрия тканей, клеток и в конце концов молекулярных составляющих. Спрашивается, насколько далеко можно масштабировать в сторону уменьшения – или, если уж на то пошло, увеличения – млекопитающее так, чтобы оно все еще оставалось млекопитающим? А может быть, никаких пределов и нет? Но тогда можно спросить, почему не существует млекопитающих мельче землеройки, весящей всего несколько граммов, или крупнее синего кита, весящего более ста миллионов граммов.

Ответ на этот вопрос лежит в тонкостях устройства сетей и их взаимодействия с физиологическими пределами и следует той же логике, что и классическое рассуждение Галилея о существовании пределов для максимальных размеров конструкций. В отличие от большинства биологических сетей система кровообращения млекопитающих – это не один, а смесь двух самоподобных фракталов, что отражает переход природы тока крови с преимущественно пульсирующей («переменного тока») на преимущественно непульсирующую («постоянный ток») по мере перемещения крови из аорты в капилляры. Бо́льшая часть крови находится в крупных сосудах верхней части сети, в которой превалирует переменный ток, что и дает степенной закон масштабирования уровня метаболизма с показателем ¾.

Хотя переход ветвления с одного режима на другой происходит постепенно, область, в которой он происходит, сравнительно узка, и ее расположение (выраженное в числе разветвлений, считая от капилляров) не зависит от размеров организма, то есть одинаково для всех млекопитающих. Другими словами, кровеносные системы всех млекопитающих содержат приблизительно одно и то же число (около пятнадцати) уровней ветвления, на которых ток крови имеет преимущественно непульсирующий характер. Различия между разными млекопитающими по мере увеличения их размеров выражаются в увеличении числа уровней, на которых ток пульсирует. Например, у человека таких уровней семь или восемь, у кита – приблизительно от семнадцати до восемнадцати, а у землеройки – всего один или два. Согласование импедансов в этих сосудах гарантирует сравнительно малые затраты энергии на прокачку крови по ним, так что чем их больше, тем лучше. Почти вся мощность сердца уходит на прокачку крови по гораздо меньшим сосудам, работающим в непульсирующем режиме, а число их уровней приблизительно одинаково у всех млекопитающих. Таким образом, доля сети, на которую сердце расходует бо́льшую часть своей энергии, систематически уменьшается с увеличением размеров млекопитающих, что лишний раз подтверждает то правило, что крупные млекопитающие более эффективны, чем мелкие: подача крови в каждую клетку тела кита требует лишь сотую часть энергии, которая затрачивается на это у землеройки.

Размеры млекопитающих варьируются от землеройки массой 2 г (справа вверху) до синего кита массой 20 000 кг. Почему мы не можем быть размером с муравья массой 2 мг или Годзиллу массой 2 млн кг? Справа внизу показано самое крупное наземное млекопитающее в истории, парацератерий, весивший 20 000 кг

Представим себе постепенное уменьшение размеров животного. Одновременно с ним уменьшается число сохраняющих площадь разветвлений, сосуды которых достаточно велики для поддержки пульсирующего тока, пока наконец не достигается переломная точка, после которой сеть может поддерживать только непульсирующий, постоянный ток. На этом этапе даже основные артерии становятся настолько маленькими и тесными, что уже не могут поддерживать распространение пульсирующих волн. Вязкость крови вызывает в таких сосудах настолько сильное затухание волн, что их распространение станет невозможным, и ток крови полностью превращается в постоянный, подобный течению воды в водопроводных трубах у нас дома. Пульсирующие волны, создаваемые биениями сердца, затухают непосредственно при входе в аорту.

Это очень странно. У такого животного было бы бьющееся сердце, но не было бы пульса! Что еще важнее, такая конструкция была бы не только странной, но и чрезвычайно непроизводительной, так как она полностью утратила бы все выгоды согласования импедансов, что привело бы к большому рассеянию энергии во всех сосудах ее системы кровообращения. Такая потеря производительности отражается в масштабировании уровня метаболизма. Как показывают расчеты, вместо классического сублинейного степенного закона с показателем ¾ в этом случае метаболизм должен масштабироваться линейно – то есть прямо пропорционально массе тела, – и все преимущества экономии на масштабе будут утрачены. В таком, чисто постояннотоковом, случае мощность, необходимая для поддержки существования одного грамма ткани, не уменьшалась бы в соответствии со степенным законом масштабирования с четвертным показателем, а оставалось бы одинаковой независимо от размеров. Таким образом, увеличение размеров не приносило бы никакого эволюционного преимущества.

Это рассуждение показывает, почему могли развиться только достаточно крупные млекопитающие, системы кровообращения которых могут поддерживать распространение пульсирующих волн по меньшей мере на паре первых уровней ветвления, тем самым определяя фундаментальную причину существования минимального размера[76]. Из теории можно вывести формулу, определяющую, где находится такая переломная точка. Ее значение зависит от общих величин, таких как плотность и вязкость крови и упругость стенок артерий. Согласно расчету минимальная возможная масса самого мелкого млекопитающего должна составлять всего около 2 г, что сравнимо с массой карликовой многозубки, самого мелкого из известных млекопитающих. Ее длина составляет всего около 4 см, и она легко умещается на ладони. Ее миниатюрное сердце совершает более тысячи ударов в минуту – около двадцати в секунду, – подавая кровь под тем же давлением и с той же скоростью, что и сердце человека или, что еще более поразительно, синего кита. Вся эта кровь проходит через крошечную аорту, длина которой составляет всего пару миллиметров, а ширина, что поразительно, пару десятых миллиметра, немногим больше толщины волоса. Как я уже отмечал, неудивительно, что этот несчастный зверек долго не живет.

3. А почему не бывает млекопитающих, огромных как Годзилла?

Это один из самых интересных фундаментальных вопросов, заданных Галилеем, – хотя он, разумеется, не призывал духа Годзиллы. Как мы помним из главы 2, его рассуждение было основано на обманчиво простой идее о том, что вес животного увеличивается быстрее, чем способность его членов поддерживать его, и при условии сохранения неизменными конструкции, формы и материалов увеличение размеров в конце концов приведет к тому, что такое животное обрушится под собственным весом. Это рассуждение изящно демонстрировало необходимость существования пределов для размеров животных, растений и построек и давало модель для рассмотрения пределов роста и жизнеспособности.

Однако практическое воплощение этой логики и получение количественных оценок максимальных размеров животных требовали подробного анализа их биомеханики, выходящего за пределы статической ситуации, которую рассматривал Галилей. Наибольшая механическая нагрузка возникает во время движения, особенно бега, который является важным фактором выживания для любого животного. Самыми крупными из когда-либо существовавших наземных млекопитающих были парацератерии, своего рода предки современных носорогов, длина которых была чуть менее 10 м, а масса – до 20 т (20 000 кг). Их изображение приведено на с. 180. Крупнейшими из наземных животных были, вероятно, самые крупные из динозавров, длина которых превышала 25 м, а масса – 50 т. Имеются некоторые свидетельства о существовании еще более крупных экземпляров, но они основаны на фрагментах костей, и восстановление структуры и анатомии таких животных требует значительной экстраполяции. Было даже высказано предположение, что некоторые динозавры были такими крупными, что их огромный вес вынуждал их вести земноводный образ жизни, но достаточных доказательств справедливости этой гипотезы у нас нет. Независимо от того, насколько она верна, она естественным образом вытекает из предположения о том, что для расширения пределов, ограничивающих максимальные размеры, животным пришлось избавиться от бремени гравитации и вернуться в море.

Без необходимости борьбы с силой тяжести рассуждение Галилея теряет свой смысл, поэтому неудивительно, что крупнейшие из когда-либо существовавших животных живут и сейчас и, пока на сцене не появился современный человек, процветали в огромных океанах нашей планеты. Самый крупный из них – синий кит, млекопитающее, которое достигает 30 м в длину и весит почти 200 т, что более чем в 20 раз превосходит массу пресловутого тираннозавра. Можно ли предположить, что в будущем могут развиться еще более крупные млекопитающие? На морских животных, так же как и на животных сухопутных, тоже воздействуют некоторые биомеханические и экологические ограничения. Китам нужно плавать достаточно быстро для того, чтобы покрывать большие расстояния, необходимые для получения того огромного количества пищи, которого требует их гигантский уровень метаболизма. Он эквивалентен почти миллиону пищевых калорий в сутки, что приблизительно в 400 раз больше съедаемого человеком. Учет таких ограничений в физических и математических формулах для численного определения максимальных размеров водных организмов – задача еще более сложная, чем в случае наземных животных; никаких достоверных оценок этой величины до сих пор получено не было.

Однако, как я сейчас покажу, существуют и другие ограничения максимальных размеров организма, не зависящие от экологической биомеханики и вытекающие из фундаментальной потребности в обеспечении всех клеток достаточным количеством кислорода. Речь идет, таким образом, о геометрии и динамике сетевых транспортных систем. Приведем здесь упрощенный вариант этого рассуждения, чтобы показать, как оно позволяет получить грубую оценку максимального размера тела.

Один из наиболее таинственных результатов сетевой теории состоит в том, что среднее расстояние между концевыми модулями, например капиллярами, масштабируется с изменением массы тела по степенному закону с показателем 1/12 (= 0,0833…). Этот необычайно малый показатель отражает чрезвычайно медленное изменение этой величины в зависимости от размеров организма, в результате чего при увеличении размеров мы наблюдаем очень постепенное расширение и разрежение сети. Например, кроны крупных деревьев обычно бывают более редкими, чем у мелких, и среднее расстояние между листьями очень медленно увеличивается с размерами в соответствии с этим законом. Соответственно, хотя синий кит в сто миллионов (10^8) раз тяжелее землеройки, увеличение среднего расстояния между его капиллярами составляет лишь около (10^8)1/12 = 4,6 раза.

Капилляры обслуживают клетки, поэтому расширение сети означает, что по мере увеличения размеров между соседними капиллярами оказывается все больше и больше ткани, требующей такого обслуживания. Таким образом, средний капилляр должен обслуживать все большее количество клеток, что есть еще одно проявление усиления экономии на масштабах, о которой мы говорили выше. Однако у этого процесса есть предел. Поскольку капилляр – это неизменяемый концевой модуль, он может передавать в ткани лишь некоторое определенное количество кислорода. Поэтому если группа клеток, получающих кислород от одного и того же капилляра, станет слишком большой, некоторые из них неизбежно будут испытывать недостаток кислорода: на профессиональном языке такую ситуацию называют гипоксией.

Физику диффузии кислорода сквозь стенки капилляров и ткани для питания клеток впервые численно описал более ста лет назад датский физиолог Август Крог, получивший за свою работу Нобелевскую премию. Он установил, что существует предельная дальность диффузии кислорода, за которой его количество становится недостаточным для содержания клеток, расположенных слишком далеко от капилляра. Это расстояние называют радиусом тканевого цилиндра Крога – то есть воображаемого цилиндра, окружающего капилляр подобно футляру и содержащего все клетки, которые может питать этот капилляр (вспомним, что длина капилляра составляет около половины миллиметра и превышает его диаметр приблизительно в пять раз). Исходя из этого, можно рассчитать, до каких размеров может увеличиться животное, пока расстояние, разделяющее его капилляры, не станет настолько большим, что вызовет значительную гипоксию. По такой оценке максимальная масса составляет около 100 т, что приблизительно соответствует массе синих китов и заставляет предположить, что именно на них достигается предел, установленный для класса млекопитающих.

Прежде чем мы перейдем к рассмотрению других важных следствий из тонкостей взаимодействия между капиллярами и клетками, например их влияния на наш рост, старение и последующую смерть, я хотел бы ненадолго вернуться к вопросу о Годзилле. Из сказанного выше ясно, что, если Годзилла хоть в чем-то похож на других обитателей нашей биосферы, он должен остаться фигурой мифической. Даже если бы он не обрушился под собственным весом, как предсказывал Галилей, он не мог бы обеспечивать большинство своих клеток кислородом и, следовательно, не был бы жизнеспособным. Разумеется, подобно Супермену он может состоять из совершенно других материалов, способных выдерживать огромную нагрузку, связанную с его поддержкой и подвижностью, и обладать свойствами, позволяющими его внутренним сетям доставлять в его предполагаемые клетки достаточное количество питательных материалов, чтобы он мог действовать так, как нам показывают в кино.

В принципе, используя описанные выше идеи, можно оценить значения различных параметров материалов, из которых он должен состоять, чтобы функционировать подобно нам. Например, можно оценить, какими должны быть прочность его членов на сжатие, вязкость его «крови», упругость его тканей и так далее, чтобы он мог существовать. Я не вполне уверен, насколько полезным может быть такое упражнение, потому что любое «подкручивание» параметров и конструктивных принципов сложных адаптивных систем может приводить к огромным непредвиденным последствиям и, стало быть, не всегда оправданно. Чтобы можно было поверить даже в гипотетическую возможность существования такого организма, нужно сначала очень тщательно и глубоко подумать о всех мириадах взаимосвязей и точных последствиях внесения таких изменений. Эта задача обычно – и, возможно, по необходимости – упускается из виду в произвольных фантазиях об альтернативных конструкциях и сценариях, столь изобильных в научной фантастике. Тем не менее такие фантазии могут служить прекрасным упражнением для воображения, не стесненного некоторыми установленными наукой фактами и ограничениями, и, возможно, стимулировать появление новых и необычных точек зрения на некоторые из великих вопросов, стоящих перед нами. Поэтому фантазировать нужно, но не менее важно не делать из этого чересчур многочисленных выводов и не предпринимать на основе фантазии, какой бы она ни была, каких бы то ни было действий, не учитывая научных фактов.

Когда журналисты спросили меня о различных характеристиках Годзиллы – сколько он весит, как долго спит, как быстро ходит и так далее, – я немедленно вошел в образ серьезного профессионала и ответил, что, как известно любому ученому, Годзилла просто не может существовать, и дело с концом. Однако, не желая уж совсем становиться занудой, который портит всем праздник, я добавил, что готов забыть о фундаментальных положениях науки и рассчитать, какими были бы различные характеристики его физиологии и жизненного цикла, исходя из наивного аллометрического масштабирования в предположении, что Годзилла – обычное животное. Хотя такие посылки исходно противоречивы, это упражнение оказалось весьма забавным. Итак, вот «факты» о Годзилле.

В последнем воплощении Годзиллы его длина составляла около 110 м, что соответствует массе около 20 000 т, приблизительно в 100 раз тяжелее самых крупных синих китов. Для поддержки существования этого гигантского количества тканей Годзилла должен съедать около 25 т пищи в сутки, что соответствует суточному метаболизму порядка 20 млн пищевых калорий: такое количество пищи требуется небольшому городу с населением 10 тысяч человек. Его сердцу, которое должно весить около 100 т и обладать диаметром около 15 м, пришлось бы прокачивать по его телу почти 2 млн л крови. Зато биться оно должно было бы всего чуть чаще двух раз в минуту, поддерживая кровяное давление, подобное нашему. Отметим, кстати, что одно лишь такое сердце сравнимо по размерам с целым синим китом. Его аорта, по которой должен протекать этот гигантский поток крови, имела бы в поперечнике около 3 м, то есть человек мог бы свободно ходить внутри ее. Годзилла мог бы прожить до двух тысяч лет, а спать ему было бы необходимо менее часа в сутки. Он имел бы относительно маленький мозг, на который приходилось бы менее 0,01 % массы его тела – у нас эта величина составляет около 2 %. Это не значит, что он был бы глупым, но такого мозга было бы достаточно для выполнения всех физиологических и неврологических функций. Что касается менее изящных сторон его жизни, он производил бы в сутки около 20 000 л мочи, что сравнимо с объемом небольшого плавательного бассейна, и около трех тонн, то есть приличного размера грузовик, кала. Строить предположения об особенностях его половой жизни я предоставляю воображению читателя.

Оценки скорости его ходьбы и бега еще более умозрительны в связи с биомеханическими противоречиями, заложенными в концепцию такого животного. Однако слепая экстраполяция свойств других животных позволяет оценить скорость его ходьбы в скромные 24 км/ч, так что средний человек без труда смог бы избежать его когтей, если бы Годзилла вел себя агрессивно. Но это подводит нас к главной проблеме в этой истории: диаметр каждой из его ног должен был бы составлять около 20 м, а бедер, вероятно, гораздо больше, возможно более 30 м. Другими словами, чтобы не обрушиваться под собственным весом и сохранять подвижность, он должен был бы почти целиком состоять из ног, так что вся конструкция оказывается неосуществимой. Как я подчеркивал выше, для создания структуры столь больших размеров требуются новые материалы и, вероятно, новые конструктивные принципы.

Можно предположить, что естественный отбор уже начал работу над таким великим эволюционным проектом, отобрав на первом этапе человека, как существо достаточно разумное для разработки таких огромных «организмов». В конце концов, на нашей планете существуют теперь «деревья», «птицы» и «киты», значительно превосходящие размерами свои «природные» аналоги: мы называем их небоскребами, самолетами и кораблями, хотя мы и не создали еще подвижных наземных «животных», которые были бы крупнее динозавров. Тем не менее мы создаем «организмы», движущиеся и вычисляющие быстрее и запоминающие больше фактов, чем любой «естественный» организм, не исключая и нас самих. Более того, многие считают, что мы движемся к созданию киборгов, которые превзойдут всё, на что способны мы, простые смертные. Несмотря на перечисленные великолепные достижения, все они пока что представляют собой в лучшем случае бледные имитации своих природных прототипов, и многие усомнились бы в том, что их вообще можно считать «организмами», хотя они и обладают многими характеристиками традиционных форм жизни.

Есть, однако, одно изобретение человека, развившееся в этом процессе, которое вполне сравнимо с тем, что произвел до сих пор естественный отбор, и это изобретение – город. Города явно имеют органическую природу и проявляют многие черты обычных организмов. Они производят обмен веществ, растут, развиваются, спят, стареют, заболевают, переносят травмы и восстанавливаются и так далее. Однако они редко размножаются и не так-то легко умирают. Более того, их размеры несоизмеримо больше, чем даже размеры мифического Годзиллы. Годзилла был всего около сотни метров длиной, а уровень его метаболизма составлял 20 млн пищевых калорий в сутки, то есть около миллиона ватт. Город Нью-Йорк насчитывает более 24 км в поперечнике, а уровень его метаболизма значительно превышает 10 млрд ватт. В этом смысле города, вероятно, представляют собой самые поразительные из всех когда-либо развивавшихся «организмов». Главы 7 и 8 посвящены попыткам понять некоторые из их характеристик, в том числе и их отличия от «естественно» развившихся организмов. Какие новые материалы и конструктивные принципы породили их?

4. Рост

Все мы знакомы с ростом. Мы все испытали его на глубоко личном уровне и видим в нем важную и повсеместно распространенную черту жизни. Возможно, менее распространено понимание того, что рост, по сути своей, есть явление масштабирования. Как было отмечено выше, термин «аллометрический», который мы используем для описания масштабирования характеристик организмов разных видов, был изначально введен Джулианом Хаксли для описания того, как эти характеристики изменяются в процессе роста организмов одного и того же вида. Биологи используют для обозначения процесса развития, происходящего во время роста особи, от оплодотворения яйцеклетки до рождения и далее до достижения зрелости, термин «онтогенез». Корень онто пришел в это слово из греческого ὄντως, что означает «бытие», а генез – от γένεσις, «происхождение». Таким образом, онтогенез, или онтогения, выражает идею изучения истоков нашего существования.

Рост не может происходить без постоянного притока энергетических и материальных ресурсов. Мы едим, осуществляем обмен веществ и передаем метаболическую энергию по сетям в свои клетки, в которых часть ее выделяется на восстановление и содержание существующих клеток, часть – на замену отмерших, а часть – на создание новых, увеличивающих общую биомассу организма. В соответствии с этой последовательностью событий, проиллюстрированной ниже, происходит рост чего угодно, будь то организм, город, компания или даже экономика страны. Грубо говоря, поступающие энергия и материалы выделяются, с одной стороны, на общее обслуживание и ремонт, а с другой – на создание новых элементов, будь то клетки, люди или инфраструктура. Это утверждение выражает не что иное, как закон сохранения энергии: все, что поступает внутрь системы, должно быть учтено с точки зрения распределения между различными категориями того, на что оно влияет или что оно производит. Существуют подкатегории деятельности, такие как воспроизводство, движение или производство отходов, которые либо можно явным образом включить в одну или другую из двух основных категорий, либо, если это более уместно, рассматривать отдельно.

Символическое уравнение, представляющее энергетический баланс процесса роста, в котором метаболическая энергия распределяется между общим обслуживанием и новым ростом

Одна из любопытных особенностей схемы нашего роста, которая, вполне возможно, привлекала к себе ваше внимание на разных этапах вашей жизни, состоит в том, что в какой-то момент мы перестаем расти, хотя продолжаем есть и осуществлять обмен веществ в течение всей своей жизни. Почему же мы достигаем сравнительно неизменного размера и не продолжаем расти, набирая все больше и больше тканей, как делают некоторые другие организмы? Разумеется, существуют другие, менее резкие, гораздо более мелкие изменения размеров и формы тела, происходящие с возрастом или с изменением диеты и образа жизни. Многим из нас они – например, набор лишнего веса или появление брюшка – доставляют немало переживаний и мучений, но они вторичны по сравнению с основным вопросом онтогенетического роста, который начинается с рождения и заканчивается по достижении зрелости. Здесь я не буду учитывать такие вторичные и гораздо менее значительные изменения, хотя систему, о которой я буду говорить, в принципе можно приспособить и для их описания.

Вместо этого я хочу сосредоточиться на онтогенетическом росте и показать, что сетевая теория естественным образом приводит к численному описанию изменений массы организма с возрастом и, в частности, объясняет, почему мы прекращаем расти[77]. Все млекопитающие и многие другие животные имеют одну и ту же траекторию роста, соответствующую так называемому биологами ограниченному росту, в отличие от роста неограниченного, обычно наблюдаемого у рыб, деревьев и других растений, которые продолжают расти до самой смерти. Поскольку теория, которую я хочу представить, основана на общих принципах, она дает объединяющую систему, которая описывает оба типа роста. В следующем ниже описании я в основном сосредоточу свое внимание на ограниченном росте, отметив только, что данные и анализ подтверждают гипотезу о том, что организмы с неограниченным ростом умирают раньше, чем достигают устойчивых размеров.

Поскольку поступающая метаболическая энергия распределяется между обслуживанием уже существующих клеток и созданием новых, количество энергии, расходуемой на создание новых тканей, попросту равно разности между уровнем метаболизма и количеством, необходимым для обслуживания существующих клеток. Последняя величина прямо пропорциональна числу существующих клеток, а следовательно, линейно возрастает при увеличении массы организма, в то время как уровень метаболизма возрастает сублинейно, по степенному закону с показателем ¾. Так как разница между масштабированием этих двух величин играет в росте центральную роль, очень важно понимать, что именно она означает. Проиллюстрируем эту идею на одном простом примере. Предположим, что размеры организма удваиваются; тогда удваивается и количество клеток, в результате чего количество энергии, необходимое для их обслуживания, тоже увеличивается в два раза. Однако уровень метаболизма (то есть источник энергии) увеличивается всего лишь в 23/4 = 1,682… раза, что меньше двух. Таким образом, потребность в энергии растет быстрее, чем количество имеющейся метаболической энергии, в результате чего количество энергии, которое может быть выделено на рост, систематически уменьшается и в конце концов падает до нуля, что и приводит к прекращению роста. Другими словами, мы перестаем расти из-за несоответствия скоростей роста потребностей в обслуживании и поступлений энергии при увеличении размеров.

Я попытаюсь разобрать механизм этого процесса еще чуть более подробно. Вспомним, что причиной сублинейного масштабирования уровня метаболизма с показателем ¾ является господство сетевых структур. Кроме того, поскольку весь поток, проходящий через сеть, в конце концов проходит через все капилляры, а они не только одинаковы у разных видов, но и неизменны в процессе онтогенеза (у мышей, у слонов, у их детенышей и у нас с вами приблизительно одинаковые капилляры), их число также масштабируется с показателем ¾. Поэтому по мере роста организма и увеличения его размеров каждый капилляр систематически обслуживает все большее число клеток, растущее с показателем ¼. Именно это несоответствие в критической точке взаимодействия между капиллярами и клетками регулирует рост и в конце концов приводит к его прекращению: увеличение числа единиц снабжения (капилляров) отстает от роста спроса, вызванного увеличением числа потребителей (клеток).

Все это можно выразить в виде математических уравнений, аналитическое решение которых дает компактную формулу, предсказывающую, как размеры изменяются с возрастом. Она объясняет в численном виде, почему мы быстро растем при рождении, затем постепенно замедляемся и, наконец, останавливаемся. Одно из замечательных свойств уравнения роста состоит в том, что оно зависит от очень малого количества «универсальных» параметров, общих для разных видов – например, массы средней клетки, количества энергии, требуемого для создания клетки, и общего масштабного уровня метаболизма. Эти параметры определяют кривую роста любого животного. На рис. 15–18 показаны примеры таких предсказаний, из которых видно, что одно и то же уравнение со сходными параметрами позволяет создать для весьма широкого спектра животных (в данном случае двух млекопитающих, одной птицы и одной рыбы) предсказания кривых роста, хорошо согласующиеся с опытными данными.

Кривые роста для некоторых животных, показывающие, как их масса увеличивается с возрастом и в конце концов прекращает рост по достижении зрелости. Сплошными линиями представлены предсказания общей теории, объясняемой в тексте

Универсальность принципов роста можно изящно продемонстрировать, выразив результаты в безразмерных величинах, о которых мы упоминали в главе 2. Как мы помним, речь идет о масштабно-инвариантных комбинациях переменных, не зависящих от единиц их измерения. Тривиальный пример – отношение двух масс, значение которого остается тем же независимо от того, измеряем ли мы эти массы в фунтах или в килограммах. Я подчеркивал, что через соотношения между такими величинами можно выразить все научные законы. Поэтому, если мы возьмем не простые графики зависимости массы от возраста, подобные приведенным на рис. 15–18, на которых величины зависят от единиц измерения (в данном случае килограммов и суток), а построим зависимости безразмерной меры массы от соответствующим образом определенной безразмерной меры времени, мы получим масштабно-инвариантную кривую, применимую ко всем животным. Точные математические выражения комбинаций переменных, дающих эти безразмерные величины, определяются из теории; их можно найти в исходных публикациях.

Итак, будучи выражены в таких безразмерных комбинациях переменных, кривые роста всех животных сводятся к единой универсальной кривой. В этом представлении видно, что все животные следуют одной и той же траектории роста, проиллюстрированной на рис. 19–21. Теория показывает, как именно следует масштабировать временные и пространственные параметры животных, чтобы увидеть, что все они растут одинаковым образом и с одинаковой скоростью. Траектории роста широкого спектра различных млекопитающих, птиц, рыб и ракообразных с весьма разным строением организма и продолжительностью жизни сводятся к единой кривой, математическое выражение которой предсказывает теория. Как вы видите, она прекрасно совпадает с данными и дает видимое свидетельство скрытой общности и единства, лежащих в основе онтогенеза всех животных. И теория объясняет, почему это так: рост определяется в первую очередь тем, как происходит доставка энергии в клетки, а этот процесс регулируется общими для всех свойствами сетей, не зависящими от особенностей строения организма. Один из многих аспектов роста, которые можно вывести из этой теории, предсказывает, как изменяется с возрастом распределение метаболической энергии между обслуживанием и ростом. При рождении почти вся энергия уходит на рост, и лишь малая часть ее – на обслуживание, а после достижения зрелости вся она тратится на содержание, ремонт и замену.

Эта же теория была распространена на вопросы роста опухолей, растений, насекомых, лесов[78] и сообществ общественных насекомых[79], например муравьев и пчел. Эти приложения предвосхищают методы, которые можно использовать при рассмотрении роста человеческих организаций, например городов и компаний, к которым мы обратимся в главах 8 и 9. Каждая из этих очень разных систем представляет собой одну из вариаций на общую тему структуры уравнения роста. Например, опухоли – это паразиты, использующие для своего роста метаболическую энергию, получаемую от носителя. Поэтому интенсивность их сосудистой деятельности и метаболизма зависит не только от их собственных размеров, но и от размеров носителя[80]. Осознание этого обстоятельства позволяет понять, как можно масштабировать базовые свойства опухолей, а также потенциальные стратегии их лечения, с наблюдений, сделанных на мышах, на человека[81]. И в то же время рассмотрение деревьев осложняется тем, что по мере их роста все бо́льшая часть их физической структуры превращается в омертвевшую древесину, не принимающую участия в балансе метаболической энергии, но играющую важную роль с точки зрения механической устойчивости[82]. Рис. 19–21 показывают, что все эти организмы в той или иной степени соответствуют всеобщему уравнению роста.

Рис. 22

Графики, показывающие, что при соответствующем миасштабировании скорость роста всех организмов оказывается одинаковой. Сплошные линии, а также масштабы по осям, полученные из теории, одинаковы на всех трех графиках

Рис. 19. Примеры из мира птиц, рыб и млекопитающих

Рис. 20. Примеры из мира насекомых и сообществ общественных насекомых

Рис. 21. Те же данные, что на рис. 19, с добавлением примеров опухолей

Рис. 22. Схема, иллюстрирующая питание сети опухоли от сети носителя

В целом теория показывает чрезвычайно удовлетворительное согласие с данными. Более того, я нахожу необычайное единство и взаимосвязанность форм жизни, проявляющиеся в этой картине, вдохновляющими в духе того пантеизма, который выражал философ Барух Спиноза. Как писал Эйнштейн[83]: «Мы, последователи Спинозы, видим нашего Бога в чудесном порядке и законосообразности, которым подчиняется все сущее, и в его душе, которая проявляется в человеке и в животном». Независимо от системы верований каждого из нас в понимании того, что даже для малой части окружающего нас таинственного, хаотического мира существуют правила и принципы, действующие несмотря на его поразительную сложность и кажущуюся бесцельность, есть нечто величественное и внушающее уверенность.

Как я уже говорил, аналитические модели, подобные теории роста, представляют собой намеренное упрощение гораздо более сложной реальности. Их ценность зависит от того, насколько они отражают фундаментальные черты природных механизмов, насколько разумны их предположения, насколько здрава их логика и насколько они просты и способны объяснить факты, а также непротиворечивы – как внутренне, так и относительно результатов наблюдений. Поскольку теория есть намеренно упрощенное представление, результаты измерений реальных организмов неизбежно будут в той или иной степени отклоняться от предсказаний ее модели. Как видно из рис. 19, теория дает удивительно хорошее согласие с данными, и точек, существенно отклоняющихся от идеализированной кривой роста, сравнительно немного. Одно из таких отклонений – это мы, приматы. Например, наше взросление длится дольше, чем «следует» исходя из массы нашего тела. Это результат нашей быстрой эволюции, превратившей нас из чисто биологических в сложные социально-экономические существа. Сейчас эффективный уровень нашего метаболизма в сто раз больше, чем был, когда мы действительно были «биологическими» животными, и это оказывает огромное влияние на наш жизненный цикл. Мы дольше взрослеем, имеем меньше потомства и дольше живем – и все эти изменения соответствуют на качественном уровне увеличению эффективного уровня метаболизма, вызванному социально-экономической деятельностью. Мы еще вернемся к этому поразительному изменению, когда будем обсуждать применение этих идей к городам.

Главный вывод, который можно сделать в этом разделе, состоит в том, что сублинейное масштабирование и связанная с ним экономия на масштабе, порождаемые оптимизацией производительности сетевых систем, приводят к ограничению роста и систематическому снижению темпов жизни. Такое динамическое поведение является господствующим в биологии. Его преобразование в неограниченный рост и увеличение темпов жизни, а также его связь с огромным усилением нашего «социального» метаболизма будут основной темой глав 8 и 9.

5. Глобальное потепление, экспоненциальное масштабирование температуры и метаболическая теория экологии

Поскольку мы теплокровны (гомойотермны), то есть температура нашего тела все время остается приблизительно постоянной, нам свойственно забывать, какую важную роль играет температура почти для всех форм жизни. Мы – исключение. Возможно, только с началом глобального потепления мы начинаем понимать, насколько природа и окружающая среда чувствительны к малейшим изменениям температуры и чем такие изменения угрожают. Поразительно, насколько немногие люди, в том числе и ученые, сознают, что такая чувствительность к температуре экспоненциальна. Причина этой чувствительности заключается в том, что скорости протекания химических реакций экспоненциально зависят от температуры. В предыдущей главе я объяснял, что метаболизм происходит в результате производства в клетках молекул АТФ. Соответственно, и уровень метаболизма увеличивается с ростом температуры экспоненциально, а не по степенному закону, по которому он масштабируется в зависимости от массы. А поскольку уровень метаболизма – то есть интенсивность поступления энергии в клетки – это фундаментальный фактор, определяющий интенсивность и временные параметры всех биологических процессов, все основные характеристики жизни, от созревания зародыша и роста до смертности, обладают экспоненциальной чувствительностью к температуре.

Поскольку производство АТФ есть общая черта почти всех животных, эта экспоненциальная зависимость всеобща, так же как степенное масштабирование с четвертными показателями в зависимости от массы. Общий масштаб этой зависимости регулируется всего одним «универсальным» параметром: средней пороговой энергией, необходимой для производства молекулы АТФ в химической реакции окисления, о которой я говорил в предыдущей главе. Эта величина составляет около 0,65 эВ (электрон-вольта, упоминавшегося в главе 2), что есть характерная энергия химической реакции, усредненная по многочисленным вторичным процессам. Это приводит к тому интереснейшему выводу, что все скорости и временные параметры биологических процессов всех форм жизни, например связанные с ростом, развитием зародышей, продолжительностью жизни и процессами эволюции, определяются единым, универсальным законом масштабирования, который регулируют всего два параметра: число ¼, возникающее из параметров сетей, управляющих зависимостью от массы, и величиной 0,65 эВ, происходящей из динамических свойств химической реакции производства АТФ. Тот же результат можно выразить несколько иным образом: с учетом поправок на размеры и температуру, определяемых лишь этими двумя числами, все организмы с хорошей точностью управляются одними и теми же временными последовательностями с одинаковыми скоростями метаболизма, роста и эволюции.

Эта лаконичная формулировка действующей в грубом приближении зависимости от массы и температуры была предложена в кратком изложении исследований масштабирования, опубликованном в 2004 г. в журнале Ecology в статье под названием «К метаболической теории экологии» (Toward a Metabolic Theory of Ecology). Ее соавторами были Джим Браун, трое работавших тогда с нами постдокторантов – Вэн Сэвидж, Джейми Гиллули и Дрю Аллен – и я. Еще до этого Джим заслуженно получил от Экологического общества Америки его самую престижную награду – премию имени Роберта Х. Макартура, за «важный вклад в экологию». Темой своего благодарственного выступления на ежегодном собрании этого общества он выбрал нашу работу по масштабированию, и эта речь легла в основу нашей совместной статьи. Хотя в ней описывалась лишь часть наших исследований, именно с момента этой публикации термин «метаболическая теория экологии» (МЭТ) зажил собственной жизнью.

Рис. 23. Экспоненциальное масштабирование длительности эмбрионального развития в зависимости от температуры яиц (в градусах Цельсия) у птиц и водных холоднокровных, перенормированной в соответствии со степенным законом масштабирования с показателем ¼ для устранения зависимости от массы (см. в тексте). «Скорректированная по массе» длительность отложена по вертикальной оси в логарифмическом масштабе; температура отложена по горизонтальной оси в линейном масштабе. На таких полулогарифмических графиках экспонента выглядит как прямая линия, что и видно на рисунке

Рис. 24. Аналогичным образом «скорректированный по массе» график экспоненциальной зависимости продолжительности жизни различных беспозвоночных от температуры. По техническим соображениям, изложенным в тексте, данные представлены в зависимости от обратной абсолютной температуры (в м/К), то есть температура возрастает справа налево

Помимо чисто аллометрической степенной зависимости от массы с четвертными показателями, о которой я уже говорил, метаболическая теория была проверена на самых разнообразных организмах, в том числе растениях, бактериях, рыбах, пресмыкающихся и земноводных. Например, на рис. 23 представлен график зависимости длительности эмбрионального развития в яйцах птиц и водных холоднокровных организмов (рыб, земноводных, зоопланктона и водных насекомых) от температуры, построенный в полулогарифмическом масштабе, в котором экспонента выглядит как прямая линия. Поскольку такая длительность зависит не только от температуры, но и от массы, зависимость от массы была устранена путем перенормировки данных в соответствии со степенным законом масштабирования с показателем ¼: это позволило показать чистую температурную зависимость. На рис. 24 показан аналогичный перенормированный на массу график продолжительности жизни некоторых беспозвоночных в зависимости от обратной абсолютной температуры. Данные представлены таким замысловатым образом по техническим соображениям: строго говоря, согласно основной теории химических реакций скорость реакции пропорциональна экспоненте обратной абсолютной температуры, то есть температуры по шкале Кельвина, ноль которой соответствует –273 °C. Оказывается, что предсказание экспоненциальной зависимости от температуры, выраженной в обычных градусах Цельсия, подтверждается с очень хорошей точностью при условии сравнительно небольших колебаний, как в случае, представленном на рис. 23.

Я хотел бы подчеркнуть, насколько замечателен этот результат. Два самых важных события в жизни организма, его рождение и его смерть, которые обычно считают не зависящими друг от друга, оказываются тесно взаимосвязанными: наклоны прямых на обоих графиках определяются одним и тем же параметром, средней энергией, затрачиваемой на производство одной молекулы АТФ, равной 0,65 эВ. Мы более подробно рассмотрим это положение ниже, когда будем говорить о более фундаментальной теории старения, основанной на динамике сетей и объясняющей механику возникновения такой температурной зависимости.

Самый важный вывод, который можно здесь сделать, состоит в том, что эти радикально различные события жизненного цикла масштабируются предсказанным образом в зависимости как от температуры, так и от массы, причем, что не менее важно, соответствующие показатели определяются одними и теми же параметрами. Таким образом, рождение, рост и смерть регулируются на фундаментальном уровне одним и тем же динамическим поведением, определяемым уровнем метаболизма и заложенным в динамику и структуру сетей.

Экспоненциальная зависимость производства АТФ, определяемая пороговой энергией, равной 0,65 эВ, может быть выражена следующим простым утверждением: при увеличении температуры на каждые 10 °C уровень производства АТФ удваивается. Соответственно, сравнительно небольшое повышение температуры на 10 °C приводит к двукратному увеличению уровня метаболизма и, следовательно, к удвоению темпа жизни. Кстати говоря, именно поэтому по утрам, пока еще прохладно, мы встречаем мало насекомых: они ждут, пока станет теплее и уровень их метаболизма увеличится.

Еще существеннее то, что скромное изменение температуры окружающей среды всего на 2 °C вызывает увеличение скорости роста и уровня смертности на 20–30 %[84]. Это очень много, и в этом заключается наша проблема. Если глобальное потепление приведет к повышению температуры на 2 °C или около того – а именно к этому сейчас и идет, – то темпы всех форм биологической жизни всех масштабов увеличатся на целых 20–30 %. Такое изменение чрезвычайно нетривиально и может привести к хаосу всей экосистемы. Оно аналогично тому большому скачку, который пытался осуществить Брюнель, когда строил свой гигантский корабль «Грейт Истерн»: это предприятие закончилось неудачей главным образом потому, что еще не была достаточно развита теория судостроения. Но по сравнению с глубочайшей сложностью экосистем и общественного устройства корабли можно считать чрезвычайно простыми конструкциями. Когда дело доходит до достоверного и подробного прогнозирования последствий такого огромного изменения климата, в особенности его последствий для сельскохозяйственного производства, не говоря уже об экологическом состоянии планеты в целом, без всеобъемлющей, системной научной основы для понимания общей картины мы оказываемся в том же положении, что и Брюнель. Развитие метаболической теории экологии – это лишь малый шаг в этом направлении.

И последнее замечание: физические и химические основы теории реакций известны уже давно. Их разработал шведский физик, а впоследствии химик, Сванте Август Аррениус, получивший Нобелевскую премию в 1903 г. Ему принадлежат лавры первого из шведов, удостоившихся этой награды. Аррениус был человеком широких интересов, и его многочисленные идеи и научные работы оказали большое влияние на развитие науки.

Он одним из первых всерьез предположил, что жизнь могла возникнуть на Земле из спор, занесенных с других планет. Эта весьма умозрительная теория, обладающая на удивление большим числом сторонников, известна сейчас под названием панспермии. Однако более важно то, что он первым из ученых рассчитал, как изменения содержания углекислого газа в атмосфере могут влиять на температуру на поверхности Земли посредством парникового эффекта, и установил, что сжигание ископаемого топлива производится в таких масштабах, что может привести к значительному глобальному потеплению. Что особенно замечательно, он получил все эти результаты еще до 1900 г. Это наводит на довольно грустные мысли, так как показывает, что, хотя наша наука начала осознавать гибельные последствия сжигания ископаемого топлива более ста лет назад, мы так почти ничего по этому поводу и не предприняли.

6. Старение и смертность

I. Ночные мысли в час волка

Древние римляне называли часом волка время между ночью и восходом, перед самым рассветом, и считали, что в это время демоны обладают особенной властью и жизненной силой, что в этот час умирает больше всего людей и рождается больше всего детей, и человека посещают кошмары[85].

Если рост – неотъемлемая часть жизни, то так же неотъемлемы старение и смерть. Тот факт, что почти всё умирает, играет центральную роль в процессе эволюции, так как обеспечивает возможность появления и расцвета новых адаптаций, конструкций и других инноваций. С этой точки зрения то, что особи, будь то организмы или компании, умирают, не только «хорошо», но и абсолютно необходимо – даже хотя их самих это, возможно, не слишком радует.

Таково проклятие сознания. Все мы знаем, что умрем. Ни один другой организм не несет огромного бремени знания того, что его жизнь конечна и что его индивидуальное существование рано или поздно неизбежно закончится. Ни одно живое существо, будь то бактерия, муравей, рододендрон или лосось, не «беспокоится» и даже не «знает» о смерти. Они живут и умирают, участвуя в непрерывной борьбе за существование, передавая свои гены будущим поколениям и играя в бесконечную игру выживания наиболее приспособленных. То же делаем и мы. Но за последние несколько тысяч лет мы стали сознанием и сознательностью процесса эволюции и взялись за решение необыкновенной задачи поисков его смысла, в которых мы принесли в мир мораль, заботу, рациональность, душу, дух и богов.

Когда мне было шестнадцать лет, я пережил небольшое откровение. Школьные друзья уговорили меня пойти с ними в маленький кинотеатр немассовых фильмов в лондонском Вест-Энде на фильм, пользовавшийся в то время большим успехом в культурных кругах. Это оказался замечательный фильм «Седьмая печать» Ингмара Бергмана, произведение шекспировской силы и глубины. В нем рассказывается история средневекового рыцаря Антониуса Блока, который возвращается домой, в Швецию из Крестового похода и встречает в пути олицетворение Смерти, пришедшей за ним. Пытаясь предотвратить или по меньшей мере отсрочить неизбежное, Блок предлагает Смерти сыграть с ним в шахматы; если он выиграет, он сохранит свою жизнь. В конце концов он, разумеется, проигрывает, но только потому, что Смерть, переодевшаяся священником, обманом вынуждает его исповедаться и узнает все его планы. Этот аллегорический сюжет позволяет обратиться к вечным вопросам о смысле – или бессмысленности – жизни и ее взаимосвязи со смертью. Гений Бергмана блестяще изображает эти вопросы, лежащие в самом сердце философских и религиозных рассуждений, над которыми человечество бьется в течение многих веков. Как можно забыть завораживающую финальную сцену, в которой облаченная в черное Смерть ведет Антониуса и его свиту навстречу их судьбе по далеким холмам в знаменитой пляске смерти?

Легко понять, какое впечатление мог произвести этот фильм на невинного, не склонного к размышлениям подростка шестнадцати лет. Мне кажется, именно тогда я впервые осознал, что в жизни есть что-то кроме денег, секса и футбола, и именно так возник мой многолетний интерес к вопросам метафизики и философской мысли. Я начал жадно читать весь обычный набор источников, от Сократа, Аристотеля и Книги Иова до Спинозы, Кафки и Сартра, от Рассела и Уайтхеда до Витгенштейна, А. Дж. Айера и даже Колина Уилсона, хотя я не понимал почти ничего из того, что они писали (особенно, кстати говоря, Витгенштейна). Но одну вещь я все-таки узнал: что, хотя над великими вопросами в течение очень долгого времени билось множество великих людей, ответов на них мы так и не получили. Только все новые вопросы.

О силе шедевра Бергмана говорит то, что и спустя почти шестьдесят лет этот фильм производит на несколько потрепанного жизнью семидесятипятилетнего человека, приближающегося к закату своей жизни, столь же мощное впечатление, возможно еще более конкретное и живое. В одном из центральных эпизодов фильма Смерть вполне резонно спрашивает Антониуса: «Неужели ты никогда не перестаешь сомневаться?», на что он с чувством отвечает: «Нет, никогда не перестаю». Так же следует поступать и нам. Увлеченный интерес к смерти в сочетании с непрекращающимися сомнениями и поисками смысла жизни пронизывает всю человеческую культуру, но более всего проявляется и обретает формальное выражение во множестве религиозных установлений и опытов, изобретенных человеком. Наука в общем случае находит себе место вне таких философских блужданий. Однако многие ученые, даже не склонные к «религиозным» или особо «философским» воззрениям, видят в стремлении понять и распутать «законы природы», в страсти к познанию того, как устроен мир и из чего он состоит, альтернативный вариант поисков примирения с этими великими вопросами. В какой-то момент своей жизни я понял, что и я принадлежу к их числу и нахожу в науке – по меньшей мере, в физике и математике – некоторый вариант той духовной опоры, в которой, как кажется, нуждаются все. Я в конце концов понял, что точные науки предлагают один из немногих, если не единственный, подход, способный дать заслуживающие доверия ответы на некоторые из великих вопросов.

Некогда естественные науки называли натуральной философией, что подразумевало несколько более широкий охват и более тесные связи с философской и религиозной мыслью, чем мы приписываем им сейчас. Не случайно полное название знаменитых «Начал» Ньютона – «Математические начала натуральной философии». Хотя сам Ньютон придерживался еретических взглядов – он отрицал классические доктрины бессмертия души, существования дьяволов и демонов и поклонения Христу как Богу, которое он считал идолопоклонством, – в своей работе он видел проявление божественного первоначала. Говоря о своих «Началах», он утверждал: «Когда я писал свой трактат о нашей системе <мира>, я имел в виду такие принципы, которые применительно к людям могли бы способствовать вере в Бога, и ничто не может обрадовать меня больше, чем известие о том, что мой труд оказался полезен именно для такой надобности»[86].

Хотя современный научный метод, выросший из натуральной философии, редко использует подобные размышления, он доказал свою необыкновенную способность к нахождению глубоких и непротиворечивых ответов на многие из наиболее мучительных фундаментальных вопросов о «Вселенной», с незапамятных времен приводивших человека в недоумение. Как развивалась Вселенная, из чего сделаны звезды, откуда взялись все разнообразные животные и растения, почему небо синее, когда произойдет следующее затмение и так далее и тому подобное. Мы понимаем огромное множество аспектов окружающего нас физического мира, причем многие из них понимаем весьма точно и глубоко, и достигли этого понимания без привлечения произвольных или ситуативных доводов, часто характерных для религиозных толкований. Однако многие из глубоких вопросов, касающихся нашей собственной природы, того, кто и что такое человек, наделенный сознанием и способностью к размышлению и рассуждению, остаются без ответа. Мы продолжаем биться над загадками природы разума и сознания, души и личности, любви и ненависти, смысла и цели. Возможно, в конце концов все они будут объяснены срабатыванием нейронов и сложной сетевой динамикой мозга, но, как сказал сто лет назад Дарси Томпсон, я полагаю, что это не так. У нас всегда останутся вопросы – в этом и состоит сущность человеческой природы, – и мы, подобно Антониусу Блоку, никогда не перестанем задавать их, даже несмотря на то, как сильно это удручает и раздражает Смерть. И со всем этим тесно связаны задача и парадокс понимания старения и смертности, а также примирение с той коллективной и индивидуальной тревогой, которую вызывает в нас конечность нашего собственного существования.

II. Рассвет и возвращение к свету

Высказав все это, я хочу теперь вернуться собственно к науке. Я ни в коем случае не рассчитываю дать всеобъемлющий обзор этой довольно-таки мрачной темы, ни с метафизической, ни с научной точки зрения, но хочу связать ее с темами масштабирования и сетевых систем, которые мы развивали в предыдущих главах. Я собираюсь показать, что смерть – как и рост – дает еще один важный пример применимости этого мировоззрения к нахождению новых возможностей решения фундаментальных проблем биологии и биомедицины путем создания численной общетеоретической системы для понимания многих общих характеристик старения и смертности. Кроме того, оно основано на убеждении в том, что только более широкое понимание механики смерти и ее тесных взаимоотношений с жизнью, а также их связи с принципами действия других крупных явлений нашей Вселенной могут помочь нам разобраться в тех тревожных метафизических вопросах, которые не перестают нас преследовать.

В отличие от многих событий жизненного цикла – например, рождения, роста или зрелости, – имеющих преимущественно позитивный образ, со старением и смертью большинство из нас иметь дела не хочет. Как точно заметил Вуди Аллен: «Я не то чтобы боюсь умереть – я просто не хочу при этом присутствовать». Гораздо проще было бы не иметь сознания, подобно животному или растению, и «не присутствовать при этом». Мы тратим огромные деньги на попытки продлить свою жизнь и отсрочить смерть, даже давно став немощными до полного бессилия, а иногда и давно утратив сознание и не будучи самими собой. Только в Соединенных Штатах более 50 млрд долларов в год тратится на различные омолаживающие товары, диеты и медикаменты, от витаминов, трав и пищевых добавок до продуктов питания, гормонов, мазей и тренировочных приспособлений. По общему мнению подавляющего большинства медиков, в том числе Американской медицинской ассоциации, либо ни одно из этих средств не приносит сколько-нибудь заметных доказанных результатов с точки зрения замедления или обращения процесса старения, либо на это способны лишь немногие из них. Сразу оговорюсь, что и сам я не всегда способен устоять перед подобными практиками и послушно принимаю свои витамины, пищевые добавки и, время от времени, другие средства, хоть и воздерживаюсь самым решительным образом от чрезмерных физических упражнений.

Мы зациклились на увеличении продолжительности своей жизни любой ценой, хотя более разумно, возможно, было бы обратить большее внимание на сохранение и увеличение продолжительности здоровой жизни – то есть возможности жить полноценной жизнью, сохраняя достаточно здоровое тело и здравый рассудок, и умирать, когда эти системы перестают работать в полную силу. Поведение человека в этих вопросах и его отношение к смерти зависят от глубоко личных решений, простых ответов тут нет, и я не собираюсь оценивать чьи-либо личные решения. Но на коллективном уровне они порождают серьезные проблемы, которые обществу необходимо решать, и более глубокое понимание процессов старения и смерти и их взаимосвязей со здоровой жизнью должно влиять на то, как мы подходим к этим вопросам.

Со всем этим тесно связаны продолжающиеся поиски мифического эликсира жизни, elixir vitae, который обычно представляют волшебным напитком, дающим бессмертие тому, кто его выпьет. Этот образ возникает во многих древних культурах и часто связывается со средневековыми алхимиками. Он упоминается в многочисленных легендах, и последнее его воплощение – это философский камень (или «волшебный камень» в американском издании) из популярных книг о Гарри Поттере.

Его современное воплощение проникло в научное сообщество через некоторые обильно финансируемые программы, посвященные увеличению продолжительности жизни. Многие из них выглядят довольно подозрительно, но в последние годы в поиски современного «священного Грааля» жизни оказались вовлечены и некоторые вполне серьезные ученые. Возможно, показательно, что в подавляющем большинстве своем такие проекты финансируются частными спонсорами, а не традиционными государственными агентствами, например Национальным научным фондом или Национальным институтом по проблемам старения, входящим в состав Национальных институтов здравоохранения США. Неудивительно и то, что некоторые из наиболее выдающихся программ такого рода финансируются магнатами из Кремниевой долины. В конце концов, именно они произвели революцию в обществе, и то, что они хотят, чтобы и они сами, и их чрезвычайно успешные компании могли жить вечно, и готовы тратить деньги на достижение этой цели, кажется весьма логичным. В число наиболее заметных из таких фигур входят Ларри Эллисон, основатель компании Oracle, фонд которого потратил на исследования старения сотни миллионов долларов, Питер Тиль, один из основателей PayPal, вложивший миллионы в биотехнологические компании, работающие над решением проблемы старения, и Ларри Пейдж, один из создателей Google, основавший компанию Calico (от слов California Life Company, то есть Калифорнийская компания жизни), работа которой направлена на исследования старения и продление жизни. Кроме того, есть еще Джун Юн, крупный деятель медицинской промышленности: хотя его состояние и не связано с классическими высокими технологиями, его компания тоже находится в Кремниевой долине. Он финансирует «Премию долгожительства», составляющую миллион долларов и «посвященную прекращению старения», которую присуждает его фонд, Институт Пало-Альто.

Хотя я не особенно верю в то, что такие программы могут добиться существенных успехов, они представляют собой достойные предприятия и прекрасный пример работы американской благотворительности, каковы бы ни были их мотивы. К тому же некоторые из них являются первоклассными исследовательскими проектами, которые должны дать качественные и важные научные результаты, даже если они не достигнут заявленной цели получения эликсира жизни или хотя бы существенного увеличения ее продолжительности. Во всяком случае, я буду рад, если окажусь не прав и один из этих проектов достигнет блестящего успеха, если окажется, что продолжительность жизни действительно можно значительно увеличить, не жертвуя при этом продолжительностью здоровой жизни.

Один из иронических аспектов этой непрерывной борьбы со смертью состоит в том, что на самом деле за последние 150 лет мы самым поразительным образом увеличили продолжительность своей жизни, не прибегая к каким-либо особым программам, посвященным этой цели. До начала промышленной революции, и даже до середины XIX в., продолжительность жизни во всем мире оставалась приблизительно постоянной. Если до 1870 г. усредненная по всему миру ожидаемая продолжительность жизни при рождении составляла всего тридцать лет, то к 1913 г. она увеличилась до тридцати четырех, а за следующие семьдесят лет, к 2011 г., возросла более чем в два раза. Хотя между разными странами с чрезвычайно разными уровнями жизни и доступности услуг здравоохранения существуют значительные различия, повсюду повторяется одна и та же впечатляющая история. Например, в Англии, которая начиная с XVI в. располагает одним из лучших в мире набором статистических данных о смертности, приблизительно с 1540 по 1840 г. средняя продолжительность жизни оставалась на уровне около тридцати пяти лет. Затем она начала расти и к году рождения моего отца (1914) достигла пятидесяти двух, к 1940-му, в котором родился я, – приблизительно шестидесяти трех, а сейчас превышает восемьдесят один год. Это поразительное явление повторяется даже в некоторых из беднейших стран: если в 1870 г. средняя продолжительность жизни в Бангладеш составляла около двадцати пяти лет, то сейчас она приблизительно равна семидесяти. Яркой иллюстрацией является тот факт, что сейчас продолжительность жизни во всех странах мира выше, чем была в 1800 г. самая высокая продолжительность жизни в какой бы то ни было стране. Это совершенно фантастический результат. Причем, что особенно интересно, он был достигнут без какой-либо всемирной, государственной или частной программы, направленной на продление жизни. Так получилось само собой, без открытия волшебных таблеток или эликсиров жизни и махинаций с чьими-либо генами. Что же происходит?

Ответ на этот вопрос вы, наверное, знаете или легко может угадать. Прежде всего, большой вклад внесло поразительное уменьшение младенческой и детской смертности. Живя в развитых странах, мы склонны забывать, насколько огромной была детская смертность до сравнительно недавнего времени. Вплоть до середины XIX в. от четверти до половины детей, родившихся в европейских странах, не доживали до своего пятого дня рождения. Например, из десяти детей Чарльза Дарвина один умер всего через несколько недель после рождения, еще один – через полтора года, а еще один ребенок, его первая дочь Анна, дожила лишь до десяти лет. А Дарвин вел привилегированный образ жизни высшего класса, обеспечивавший ему доступ ко всем возможным удобствам и услугам, в том числе и к наилучшей на то время медицине. Представьте себе, как обстояло дело с непривилегированным большинством, принадлежащим к рабочему классу! К слову, Дарвин был особенно привязан к Анне, и именно ее трагическая смерть вызвала его разрыв с христианством и привела его к личному осознанию того ужасного факта, что смерть является неотъемлемой частью вечной динамики процесса эволюции. Семьдесят пять лет спустя умерли двое из восьми детей моих собственных дедов и бабок, причем распределение их смертей было довольно похоже на то, что произошло с детьми Дарвина. Один ребенок умер в возрасте нескольких недель, другой – так совпало, что это тоже была девочка по имени Анна – в возрасте десяти лет, от пляски святого Вита, детской болезни, весьма распространенной сто лет назад. Теперь ее называют менее ярким именем хореи Сиденхема, и в Соединенных Штатах ею заболевает лишь около 0,0005 % детей.

Этот характерный и показательный пример отражает те огромные изменения, которые превратили смерть в детстве в событие сравнительно редкое в развитых странах и гораздо менее частое в странах развивающихся. Как мы уже говорили, эпоха Просвещения и промышленная революция положили начало стремительному прогрессу медицины и огромным усовершенствованиям в области здравоохранения, и оба этих фактора внесли большой вклад в экспоненциальный рост численности городского населения и повышение уровня жизни. Улучшение жилищных условий, государственные системы здравоохранения, вакцинация, антисептика и, что важнее всего, улучшение санитарных условий, систем канализации и доступных водопроводных систем с чистой водой сыграли огромную роль в уничтожении и предотвращении повторного возникновения детских болезней и инфекций.

Все эти достижения были результатами поразительных динамических процессов, порожденных усиливающейся миграцией населения в городскую среду и повышением социальной ответственности с превращением города в источник основных прав и услуг. Несмотря на описанные Диккенсом картины лишений и повсеместной нищеты, которые, несомненно, были широко распространены, расширение доступа к таким основным услугам привело к снижению младенческой и детской смертности и быстрому увеличению продолжительности жизни, а следовательно, и к быстрому росту численности населения. Все меньшее число людей умирало в молодости, все большее жило дольше, и эта динамика сохраняется по сей день, не испытывая какого-либо ослабления. Город как двигатель социальных изменений и повышения благосостояния является одним из действительно великих триумфов нашей поразительной способности к образованию социальных групп и коллективному использованию преимуществ экономии на масштабе.

Снижение младенческой и детской смертности сыграло огромную роль в увеличении средней продолжительности жизни. Например, в 1845 г. средняя ожидаемая продолжительность жизни при рождении составляла в Англии всего около сорока лет, однако, если ребенок доживал до пяти, он мог рассчитывать прожить еще пятьдесят лет и умереть в пятьдесят пять. Таким образом, устранение из статистики детской смертности увеличивает ожидаемую продолжительность жизни 1845 г. более чем на десять лет. Интересно сравнить это с современным положением дел. Сейчас ожидаемая продолжительность жизни при рождении составляет в Англии около восьмидесяти одного года. В пятилетнем возрасте она увеличивается лишь незначительно, до восьмидесяти двух, что говорит о чрезвычайно низком уровне младенческой и детской смертности.

Даже если исключить последствия гигантского снижения уровня младенческой и детской смертности, ясно, что за последние 150 лет произошло огромное увеличение средней продолжительности жизни. Кроме того, оказывается, что при рассмотрении вопросов борьбы со старением и увеличения продолжительности жизни интерпретация статистики требует особой осторожности. Понятно, что смерть всех младенцев и детей, умиравших в течение многих веков еще до достижения полового созревания, не была вызвана какими-то причудами процесса старения. Их судьба определялась в первую очередь не основными чертами их биологии, а недостатками той среды, в которой они жили. Выясняется, что ребенок, доживший до некоторого разумного возраста, имеет хорошие шансы прожить значительно дольше средней продолжительности жизни для всего населения. Например, если в 1845 г. вы доживали до двадцати пяти, ожидаемая продолжительность вашей жизни увеличивалась с сорока лет до вполне почтенного возраста шестидесяти двух. Но если вы доживали до восьмидесяти, то к моменту смерти вы с большой вероятностью должны были достигнуть лишь восьмидесяти пяти. Но это не так уж сильно отличается от современной ситуации: если вам сегодня исполняется восемьдесят, вы, вероятно, доживете «лишь» до восьмидесяти девяти. Возможно, еще более удивительно то, что в этом мы не особенно отличаемся от своих предков, охотников-собирателей, живших много тысяч лет назад. У них также играла главную роль младенческая смертность, но если исключить ее из рассмотрения, ожидаемая продолжительность их жизни составляла шестьдесят или семьдесят лет.

Небольшое личное примечание: из этих средних значений я с большим удовольствием узнал, что, дожив до семидесяти пяти лет, я могу рассчитывать прожить еще почти двенадцать и умереть в поразительном возрасте, чуть меньшем восьмидесяти семи. Это гораздо больше, чем я когда-либо думал. Если это так и мне удастся сохранить свое здоровье, то я успею закончить эту книгу, увидеть расцвет своих детей, достигающих среднего возраста, может быть, даже увидеть, как растут мои внуки, следить за тем, как Институт Санта-Фе продолжает процветать и получает пожертвование 100 миллионов долларов, а также, что наименее вероятно, увидеть, как команда «Тоттенхэм Хотспур» завоевывает кубок Премьер-лиги и даже, что еще менее вероятно, кубок Лиги чемпионов. Живущая со мной более пятидесяти лет моя восхитительная жена Жаклин, которой сейчас семьдесят один год, должна, судя по этим средним значениям, дожить почти до восьмидесяти восьми, так что у нее останется более четырех лет жизни, в течение которых я больше не буду выводить ее из себя своим обожанием.

Это, конечно, лишь фантазии, так как здесь мы пытаемся сказать что-то об отдельных людях на основе результатов грубого усреднения. Они обладают всеми недостатками экстраполяции от среднего к частному. Вместе с тем они дают некоторое представление об общих тенденциях и о нашем положении относительно них, а также очень приблизительные ориентиры, опираясь на которые мы можем фантазировать. Собственно говоря, эти статистические данные играют в нашей жизни важную роль, так как страховые компании и ипотечные операторы используют их для оценки безопасности работы с тем или иным клиентом и определения размеров его выплат.

Вернемся к обсуждению статистики по старости и сделаем в нем следующий шаг. Предположим, что в 1845 г. вы достигли столетнего возраста; в этом случае вас не должно удивлять, что по статистике ожидаемая продолжительность вашей жизни составляет менее двух лет – точнее говоря, год и десять месяцев. Не очень-то много. Аналогичным образом, если вы дожили до ста лет сегодня, то ожидаемая продолжительность вашей жизни лишь слегка превышает два года; говоря более точно, она равна двум годам и трем месяцам. Что всего на пять месяцев больше, чем у вашего предшественника, жившего 150 лет назад, – и это несмотря на произошедшее за это время необычайное развитие здравоохранения, медицины и условий жизни.

Это показывает, чем вызвана вся эта суета вокруг попыток задержать старение и отсрочить смерть. По мере того как мы становимся старше, остающееся до смерти время все более сокращается и в конце концов становится исчезающе малым. Это приводит нас к идее о максимальном возможном возрасте, до которого вообще может дожить человек, и этот возраст не превосходит примерно 125 лет. Даже приблизиться к этому возрасту удается очень немногим. Старейшим человеком, возраст которого был документально подтвержден, была француженка Жанна Кальман, которая умерла в 1997 г. в поразительном возрасте 122 лет и 164 дней. Чтобы дать представление о том, насколько исключителен ее случай, отметим, что следующей за нею верифицированной долгожительницей была американка Сара Кнаусс, прожившая более чем тремя годами меньше Жанны: она умерла в 119 лет и 97 дней. Следующая после нее суперчемпионка по долголетию прожила почти на два года меньше, чем Сара, а старейшей из ныне живущих людей, итальянке Эмме Морано, сейчас «всего лишь» 117 лет[87].

Таким образом, поиски продления жизни можно разбить на две основные категории: 1) Решение консервативной задачи: как обеспечить продолжение продвижения всех людей к более долгой жизни и их приближение к необычайным достижениям Жанны Кальман и Сары Кнаусс? 2) Решение радикальной задачи: можно ли увеличить продолжительность жизни свыше того срока, около 125 лет, который представляется нам максимальным пределом, и жить, например, до 225? Если к практическому решению первой задачи мы уже близки, то вторая порождает серьезные научные вопросы.

Долгожители и сверхдолгожители (прожившие более 110 лет) стали сейчас предметом многочисленных исследований, стремящихся выявить причины их выдающегося долголетия. Они находятся на самом хвосте возрастного распределения – по существующим оценкам, сейчас на Земле живет всего несколько сотен таких людей. Они представляют собой любопытное исключение, и их существование и биографии привлекают неутихающий интерес, так как именно из них мы пытаемся понять, какой образ жизни нам следует вести или с какими генами нужно было родиться, чтобы прожить такую долгую жизнь. О них написано множество книг и статей, но выделить из всех их биографий и геномов точную формулу долголетия оказывается непросто[88]. Существует множество вполне очевидных, банальных советов, не сильно отличающихся от тех, которые мама давала вам в детстве – а может быть, дает и до сих пор: нужно есть много зелени, не злоупотреблять сладким, расслабляться и по возможности избегать стресса, поддерживать умеренную спортивную форму, сохранять позитивное настроение и жить в дружественном окружении – и так далее. В этом отношении весьма забавно взглянуть на жизнь рекордсмена долгожительства, Жанны Кальман.

Она родилась и прожила почти всю свою жизнь на юге Франции, в городе Арле. Ее единственный ребенок, дочь, умерла в 36 лет от воспаления легких, а единственный внук погиб, тоже в 36 лет, но в автомобильной аварии. Таким образом, прямых наследников у нее не осталось. Она курила сигареты с 21 года до 117 лет, жила одна до своего 110-го дня рождения и ходила без посторонней помощи до 114 лет. Она не была особенно спортивной и не слишком заботилась о своем здоровье. Отвечая на вопросы о причинах своего долголетия, она приписывала его диете, богатой оливковым маслом, которое она также втирала в кожу, а также употреблению портвейна и шоколада: его она съедала почти килограмм в неделю. Думайте об этом что хотите. Кстати говоря, вы, наверное, знаете, что именно в Арле Винсент Ван Гог развивал свой характерный живописный стиль и жил некоторое время вместе с Полем Гогеном. Кальман помнила, что встречала его, когда ей было 13 лет: он заходил в лавку ее дяди за холстами для своих картин. Она хорошо запомнила, что он был человеком «грязным, дурно одетым и нелюбезным».

Концепция максимальной продолжительности жизни чрезвычайно важна, так как предполагает, что в отсутствие некоторого радикального «неестественного» вмешательства (которое как раз и ищут поклонники эликсира жизни) естественные процессы неизбежно ограничивают продолжительность человеческой жизни пределом, составляющим около 125 лет. Далее мы рассмотрим сущность этих ограничивающих процессов и представим теоретические принципы определения этого числа на основе теории сетей. Однако сначала я хотел бы показать, что классические кривые выживаемости дают убедительные доводы в поддержку концепции максимальной продолжительности жизни человека.

Кривая выживаемости отражает вероятность достижения особью того или иного возраста и представляет собой зависимость доли некоторой популяции от возраста. Обратная ей кривая называется кривой смертности – на ней откладывается доля людей, умерших в определенном возрасте, что соответствует вероятности смерти человека в таком возрасте. Биологи, актуарии и геронтологи называют отношение числа смертей, происходящих в популяции в течение определенного времени (скажем, месяца), к числу оставшихся в живых смертностью или показателем смертности.

Общая структура кривых выживаемости и смертности вполне очевидна: большинство особей выживает в первые годы, но затем умирает все большая и большая их часть, пока не будет достигнута точка, в которой вероятность выживания практически исчезает, а вероятность смерти доходит до 100 %. Такие кривые, построенные для разных обществ, культур, условий жизни и видов, подвергались интенсивному статистическому анализу. Один из наиболее удивительных результатов такого анализа состоит в том, что уровень смертности большинства организмов остается приблизительно неизменным независимо от возраста. Другими словами, доля особей, умирающих в течение некоторого периода времени, остается постоянной в любом возрасте. Например, если в возрасте от пяти до шести лет умирают 5 % выжившей популяции, то те же 5 % выжившей популяции умирают и в возрасте от сорока пяти до сорока шести лет, и в возрасте от девяноста пяти до девяноста шести. Кажется, что это противоречит здравому смыслу, но, если выразить ту же мысль другими словами, она становится более очевидной. Постоянный уровень смертности означает, что число особей, умирающих в течение некоторого периода, прямо пропорционально числу доживших до этого времени. Вспомнив обсуждение экспоненциального поведения, приведенное в главе 3, можно увидеть, что это положение точно соответствует математическому определению показательной функции, о которой мы поговорим гораздо подробнее в следующей главе. В данном случае получается, что выживаемость следует простой экспоненциальной кривой, то есть вероятность выживания каждой особи исходной популяции экспоненциально уменьшается с возрастом, или, что то же, с возрастом особи экспоненциально увеличивается вероятность ее смерти.

Это в точности соответствует правилу, которому следуют многие процессы распада в физике. Описывая распад радиоактивного материала, в котором «индивидуальные» атомы изменяют свое состояние в результате испускания частиц (альфа, бета или гамма-лучей) и «умирают», физики говорят не об уровне смертности, а о скорости распада. Скорость распада – это обычно постоянная величина, так что количество радиоактивного материала экспоненциально уменьшается в зависимости от времени, так же как уменьшается число особей во многих биологических популяциях. Физики также используют для описания распадов так называемый период полураспада: это время, необходимое для распада половины исходного числа атомов. Период полураспада – очень удобный параметр для описания распадов вообще. Он распространился во многие другие области, в том числе и в медицину, в которой его используют для количественного описания времени действия лекарств, изотопов и других веществ, перерабатываемых организмом.

В главе 9 я буду использовать эту терминологию в разговоре о смертности компаний, в котором будет продемонстрирован тот неожиданный факт, что и они подчиняются тому же экспоненциальному закону распада, так что их смертность не изменяется со временем. Действительно, данные показывают, что период полураспада американских компаний, котирующихся на фондовой бирже, составляет всего лишь около десяти лет. Таким образом, всего через пятьдесят лет (пять периодов полураспада) продолжают торговаться на бирже лишь (½)5 = 1/32, то есть около 3 % из них. Отсюда возникает один интересный вопрос: свидетельствуют ли общие черты смертности организмов, изотопов и компаний о действии одних и тех же, общих для них основополагающих динамических процессов? К этому вопросу мы еще вернемся.

Но сначала обратимся к человеку. Вплоть до середины XIX в. кривые выживаемости человека оставались практически неизменными и, подобно кривым млекопитающих, следовали экспоненциальному закону. Мы жили и умирали с постоянным уровнем смертности, и шансы прожить очень долгую жизнь были экспоненциально малы. Тем не менее существовала конечная, хотя и чрезвычайно малая, вероятность достижения возраста сверхдолгожителей, и отдельные люди действительно доживали до ста лет и более. С огромными изменениями, принесенными урбанизацией и промышленной революцией, мы стали жить дольше и освободились от оков постоянного уровня смертности. На рис. 25 ясно видно, что наша кривая выживаемости постепенно отходит от экспоненциального распада и приобретает все более плоское плато, край которого устойчиво смещается в сторону большей продолжительности жизни, что отражает увеличение выживаемости людей всех возрастов. Также хорошо виден резкий спад младенческой и детской смертности и непрерывное смещение в сторону все более и более долгой жизни.

Однако следует отметить и то, что хотя край плато сдвигается в область все более продолжительной жизни и люди действительно живут все дольше, кривая тем не менее всегда в конце концов спадает и подходит приблизительно к одним и тем же значениям. То есть, несмотря на огромное и постоянно растущее увеличение средней продолжительности жизни, конечная точка всех кривых, в которой вероятность выживания исчезает, а вероятность смерти достигает 100 %, остается одной и той же: все кривые сходятся около отметки 125 лет. Эта картина дает сильную и убедительную иллюстрацию существования максимальной продолжительности биологической жизни.

Рис. 25. Кривые выживаемости человека, отражающие быстрый переход от классического экспоненциального распада (с постоянным уровнем смертности), существовавшего до начала XIX в., к более прямоугольной форме по мере постепенного увеличения продолжительности жизни в связи с основными изменениями, обозначенными на графиках. Несмотря на этот прогресс, максимальная продолжительность жизни остается равной приблизительно 125 годам

Рис. 26 иллюстрирует попытку «разнести» постепенное увеличение продолжительности жизни по различным причинам. Самый большой вклад внесли улучшение жилищных и санитарных условий и государственные программы здравоохранения, что еще раз демонстрирует центральную роль городов и урбанизации. Помимо этого столь же интересно разбить уровень смертности по основным медицинским причинам. В порядке убывания значимости эти причины располагаются так: 1) сердечно-сосудистые и кардиологические заболевания, 2) рак (злокачественные новообразования), 3) заболевания дыхательной системы и 4) инсульты (нарушения мозгового кровообращения). Это структура более или менее постоянна для всех стран мира. Один из интересных способов численного выражения этих данных состоит в определении величины, на которую ожидаемая продолжительность жизни могла бы увеличиться в случае устранения той или иной из этих конкретных причин. Пример таких результатов приведен в таблице 4, составленной из данных, проанализированных Центром по контролю и профилактике заболеваний США (CDC) и Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ). Из этой таблицы можно видеть, например, что излечение всех сердечных и сердечно-сосудистых заболеваний приведет к увеличению ожидаемой продолжительности жизни при рождении всего лишь приблизительно на шесть лет. Наверное, еще более удивительным может показаться то, что увеличение ожидаемой продолжительности жизни при рождении в случае излечения всех видов рака составит лишь около трех лет, а в возрасте шестидесяти пяти лет – лишь немногим больше двух лет.

Таблица 4. Оценка увеличения ожидаемой продолжительности жизни в случае излечения определенных болезней

Из этой статистики можно сделать два важных вывода, которые я хотел бы подчеркнуть: 1) Подавляющее большинство основных причин смерти связано с повреждениями органов и тканей (как в случае инфарктов или инсультов) или молекул (как в случае рака), а роль инфекционных заболеваний сравнительно мала. 2) Даже в случае устранения всех причин смерти все люди неизбежно умрут до того, как им исполнится 125 лет, а большинство из нас умрет задолго до достижения этого почтенного возраста.

III. Дневной свет

Хотя о биологии и физиологии старения написано много, тот численный, механистический подход, который я пытаюсь использовать в этой книге, редко применяется для их рассмотрения[89]. Поэтому я хочу вернуться к некоторым наиболее заметным чертам старения, количественное объяснение которых должна обеспечить любая теория долгожительства, и показать, что из них можно узнать об общих механизмах, лежащих в основе этого процесса.

До сих пор мы в основном говорили о человеке, но теперь я хочу включить в рассмотрение и других животных, чтобы связать его с законами масштабирования и с теоретическими положениями, введенными выше. Поскольку речь пойдет о грубом описании, для некоторых утверждений, несомненно, найдутся исключения и отдельные случаи, выпадающие из общей картины. Это особенно характерно для вопросов старения и смертности, потому что эти характеристики – в отличие от многих других – не определяются напрямую процессом эволюции. Естественный отбор должен только создать такую ситуацию, в которой большинство особей данного вида живет достаточно долго, чтобы произвести потомство, необходимое для обеспечения эволюционной приспособленности. После этого, когда особь выполнила свой «эволюционный долг», уже не столь важно, сколько именно она проживет, поэтому можно ожидать больших колебаний продолжительности жизни как у отдельных особей, так и у разных видов. Так, человек приобрел в результате эволюции способность проживать лет до сорока, в течение которых он может произвести около десяти детей, по меньшей мере половина из которых доживет до зрелого возраста или далее. Поэтому, возможно, не случайно именно в этом возрасте у женщин наступает менопауза. Однако, чтобы обеспечить достижение этого возраста достаточным количеством людей, эволюция дала нам такую «технически избыточную» конструкцию, которая позволяет статистически значительному числу людей прожить гораздо дольше.

В этом смысле интересно привести сравнение с автомобилями. По различным социально-экономическим и технологическим причинам «эволюция» автомобилей привела к тому, что при наличии разумного уровня обслуживания их пробег может достигать по меньшей мере 250 000 км. В зависимости от колебаний процесса производства и интенсивности обслуживания и ремонта некоторые машины могут служить гораздо дольше. Собственно говоря, при достаточно целеустремленном обслуживании, ремонте и замене неисправных частей автомобиль можно поддерживать в рабочем состоянии в течение очень долгого времени. Человек может добиться приблизительно аналогичного состояния при помощи правильной диеты и образа жизни, регулярных, например ежегодных, медицинских обследований, соблюдения правил гигиены и периодической замены органов. Однако представляется маловероятным, чтобы мы смогли сохранять себя в таком же состоянии, в котором мы в принципе можем сохранять автомобили, и бесконечно поддерживать существование отдельного человека, потому что, в отличие от автомобиля, системы простой, человек – это сложная адаптивная система, что означает, в частности, что он не равен линейной сумме составляющих его частей.

Вот краткая сводка некоторых из наиболее значительных свойств старения и смертности, объяснение которым должна давать любая теория:

1. Старение и смерть «всеобщи»: все организмы в конце концов умирают. Следствием из этого положения является наличие максимальной продолжительности жизни и соответствующее ей падение уровня выживаемости до нуля.

2. Полуавтономные подсистемы организмов, например различные органы нашего тела, стареют приблизительно с одинаковой скоростью.

3. Старение приблизительно линейно зависит от возраста. Например, на рис. 27 показано, как снижается с возрастом работоспособность разных органов[90]. График возрастной зависимости процентной доли от максимального уровня различных жизненных функций показывает линейный спад, начинающийся почти немедленно после достижения зрелости, приблизительно в двадцатилетнем возрасте. Несколько грустно видеть, что в среднем мы находимся на оптимальном физическом уровне (100 %) в течение всего нескольких лет, а начиная приблизительно с двадцати буквально все становится только хуже. Также можно отметить, что в период роста мы сравнительно быстро достигаем максимальной работоспособности. Ниже я рассмотрю предположение о том, что процесс старения идет даже в первые годы жизни, до наступления зрелости, но маскируется подавляющим преобладанием роста. Процесс старения начинает действовать с самого момента зачатия. Боб Дилан был прав, когда пел, что «тот, кто не занят рождением, занят умиранием».

4. Продолжительность жизни масштабируется в зависимости от массы тела по степенному закону, показатель которого приблизительно равен ¼. Как и следовало ожидать, данные сильно колеблются, отчасти в связи с отсутствием проводимых в контролируемых условиях экспериментов по долговечности млекопитающих, в том числе человека. Некоторые из данных получены в наблюдениях за дикими животными, некоторые в зоопарках, некоторые в исследовательских лабораториях, с существенными различиями окружающей среды и образа жизни. Кроме того, часть данных описывают всего одну или две особи какого-либо вида, а часть – крупные популяции. Хотя такое отсутствие контроля создает затруднения, в данных существуют ясные тенденции и соответствия, указывающие на степенное масштабирование с показателем, близким к ¼.

5. Как видно из рис. 2, приведенного в первой главе, число сокращений сердца в течение жизни приблизительно одинаково для всех млекопитающих[91]. Так, частота пульса землеройки, живущей около двух лет, составляет около 1500 ударов в минуту, а сердце слона совершает всего лишь около 30 ударов в минуту, но слон проживает около семидесяти пяти лет. Несмотря на огромную разницу в размерах, сердца обоих этих животных совершают в течение их жизни в среднем порядка полутора миллиардов сокращений. Это постоянство приблизительно сохраняется у всех млекопитающих, хотя по описанным выше причинам существуют значительные колебания. Самое большое отклонение от этого любопытного постоянства наблюдается у нас: сердце среднего современного человека совершает около двух с половиной миллиардов ударов, почти вдвое больше, чем у типичного млекопитающего. Однако, как я уже подчеркивал, мы стали жить так подолгу только в последнюю сотню лет. В продолжение всей истории человечества, до сравнительно недавнего времени, продолжительность нашей жизни была приблизительно в два раза меньше, чем сейчас, и мы, как и подавляющее большинство других млекопитающих, также приблизительно соответствовали «закону» полутора миллиардов ударов сердца.

6. С этой неизменяющейся величиной связана еще одна: суммарное количество энергии, используемой в течение жизни для содержания одного грамма тканей, приблизительно одинаково для всех млекопитающих и, если брать более общий случай, для всех животных в пределах определенной таксономической группы[92]. Для млекопитающих оно составляет порядка 300 пищевых калорий на грамм в течение всей жизни. Тот же факт можно выразить более фундаментальным образом, отметив, что число функциональных циклов дыхательного механизма, ответственного за производство энергии в клетках, в течение жизни всех животных определенной таксономической группы приблизительно одинаково. Для млекопитающих оно составляет около десяти тысяч триллионов (10^16) раз, и его постоянство обусловливает неизменность числа молекул АТФ (нашей основной энергетической валюты), производимых в течение жизни для содержания одного грамма тканей.

Величины, не изменяющиеся при изменении других параметров системы, играют в науке особую роль, так как они показывают, в чем заключаются общие фундаментальные принципы, которые не зависят от конкретных деталей динамики и структуры данной системы. В физике хорошо известны, например, принципы сохранения энергии и сохранения электрического заряда: сколь бы сложным и запутанным ни было развитие системы, ее преобразования и обмены энергией и электрическим зарядом, суммарная энергия и суммарный заряд остаются неизменными. Таким образом, суммарная энергия и суммарный электрический заряд системы, вычисленные в некоторый момент, останутся такими же и в любое более позднее время, что бы ни случилось в промежутке между этими моментами, – если, конечно, не происходило поступления дополнительной энергии или дополнительного заряда извне системы. Если взять самый предельный случай, суммарная энергия Вселенной на данный момент в точности та же, какой она была в момент Большого взрыва, более 13 миллиардов лет назад, когда вся Вселенная была сосредоточена в одной мельчайшей точке, несмотря на все последующее развитие галактик, звезд, планет и форм жизни.

Рис. 27

Рис. 28

Рис. 29

Возрастные изменения работоспособности различных органов: зависимость процентной доли максимальной работоспособности от возраста. Отметим быстрый рост в период роста и достижение максимума в районе двадцатилетнего возраста, после которого следует устойчивый линейный спад. Несмотря на такой монотонный спад, здоровая и активная жизнь может продолжаться до весьма преклонного возраста.

Наличие приблизительно инвариантных величин и законов масштабирования в сложных процессах старения и смерти убедительно свидетельствует в пользу того, что эти процессы не произвольны: в них вполне могут действовать некие общие законы и принципы. Еще более завораживающим кажется тот факт, что масштабирование продолжительности жизни следует тем же степенным законам с четвертными показателями, что и все остальные факторы физиологии и жизненного цикла.

Прежде чем мы рассмотрим эту ситуацию более подробно, будет полезно сравнить некоторые ее аспекты с долговечностью автомобилей. К сожалению, существует на удивление мало анализов масштабирования автомобилей и других машин, особенно в отношении их долговечности. Однако гарвардский инженер Томас Макмэн проанализировал данные по двигателям внутреннего сгорания, от используемых в газонокосилках до автомобильных и авиационных, и показал, что они следуют простым изометрическим кубическим законам масштабирования по Галилею, о которых мы говорили в главе 2. Например, мощность таких двигателей в лошадиных силах (аналог уровня метаболизма) линейно увеличивается при увеличении их массы: для удвоения мощности двигателя нужно увеличить его массу в два раза. Таким образом, двигатели, в отличие от организмов, не проявляют экономии на масштабе при увеличении размеров. Макмэн также продемонстрировал, что частота вращения двигателя (ЧВД, аналог частоты сердцебиения) масштабируется обратно пропорционально кубическому корню из его массы[93].

Это резко отличается от степенных законов масштабирования с показателями, кратными ¼, которым подчиняются организмы благодаря своим оптимизированным фрактальным сетевым структурам: уровень их метаболизма (мощность) масштабируется с показателем ¾, а частота сердцебиения (ЧВД) – с показателем –¼. Тот факт, что двигатели внутреннего сгорания не содержат сложных сетевых структур и не следуют степенным законам масштабирования с четвертными показателями, служит подтверждением теории сетевых основ происхождения четвертного масштабирования в биологии. Раз изготовленные человеком двигатели следуют классическому кубическому масштабированию, можно было бы предположить, что продолжительность их жизни возрастает пропорционально не корню четвертой степени, а кубическому корню массы. К сожалению, мы не располагаем достаточными данными для проверки этой гипотезы. Однако на качественном уровне она предсказывает, что более крупные автомобили должны служить дольше. И действительно, в десятку наиболее долговечных автомобилей входят только крупные пикапы и внедорожники, а в первую двадцатку попадают всего три седана стандартных размеров. Если вас интересует только долговечность, покупайте что-нибудь большое: первое место занимает «Форд F-250», второе – «шевроле-сильверадо», а третье – «шевроле-субурбан».

Сейчас обычно предполагается, что пробег автомобиля может доходить приблизительно до 250 000 км. Собственно говоря, продолжительность жизни автомобилей, как и людей, которые их делают, резко возросла за сравнительно короткое время и почти удвоилась за последние пятьдесят лет. Чтобы представить себе, что это значит, предположим, что типичный автомобиль ездит с усредненной по всему сроку его службы скоростью 50 км/ч и «частотой пульса» 2500 об/мин. Тогда суммарное число «биений сердца» в течение пробега 250 000 км составит около одного миллиарда. Как это ни поразительно, это число не так уж далеко от числа сокращений сердца млекопитающего в течение его жизни. Случайно ли это совпадение или же оно что-то говорит нам об общности механизмов, отвечающих за старение?

IV. К численной теории старения и смерти

Все данные указывают на то, что старение и смертность возникают в результате процессов «амортизации и износа», неизбежно следующих из самого процесса жизни. Как и все остальные организмы, мы метаболизируем энергетические и материальные ресурсы высокоэффективным образом, ведя непрерывную борьбу с неизбежным производством энтропии в виде отходов жизнедеятельности и диссипативных сил, наносящих нам физический ущерб. По мере того как мы начинаем проигрывать многочисленные местные сражения с энтропией, мы стареем, а в конце концов проигрываем и всю войну в целом, то есть умираем. Великий русский драматург Антон Чехов весьма точно заметил, что «только энтропия дается легко».

Главная черта способа поддержания жизни – это передача метаболической энергии через все масштабные уровни заполняющих пространство сетей для обслуживания и питания клеток, митохондрий, дыхательных комплексов, геномов и других межклеточных функциональных модулей, в соответствии с символической иллюстрацией, приведенной на с. 123. Однако те же самые системы, которые поддерживают наше существование, непрерывно повреждают и изнашивают наше тело. Поток машин на автостраде или поток воды в трубах порождают непрерывную амортизацию и износ, приводящие к повреждениям и разрушениям, – и точно то же самое происходит и с потоками в наших сетях. Есть, однако, одно важное различие: в организмах повреждения с наиболее серьезными последствиями случаются на клеточном и межклеточном уровнях, являющихся теми концевыми модулями этих сетей, в которых производится обмен энергетическими и материальными ресурсами, например между капиллярами и клетками.

Хотя повреждения возникают на многих масштабных уровнях в результате действия множества разных механизмов, связанных с явлениями физического или химического переноса, их можно довольно приблизительно разделить на две категории: 1) Классический физический износ, вызванный вязким сопротивлением потока, аналогичный износу, порождаемому трением при движении двух физических объектов друг по другу: такому износу подвергается наша обувь или шины автомобиля. 2) Химические повреждения, вызываемые свободными радикалами, которые являются побочным продуктом производства АТФ в процессе дыхательного метаболизма. Свободные радикалы – это любые атомы или молекулы, потерявшие электрон и, следовательно, имеющие положительный электрический заряд, что делает их чрезвычайно активными. Бо́льшую часть повреждений такого рода причиняют кислородные радикалы, реагирующие с жизненно важными компонентами клеток. Особенно разрушительным может быть окислительное повреждение ДНК, поскольку оно приводит в нереплицируемых клетках, например клетках мозга или мускулатуры, к неустранимым нарушениям транскрипционного и, что, вероятно, наиболее важно, регуляторного участков генома. Хотя роль и степень участия окислительных повреждений в процессе старения точно не известны, эта концепция породила целую небольшую отрасль промышленности, в которой противоокислительные добавки (антиоксиданты), например витамин Е, рыбий жир и красное вино, считаются своего рода эликсиром жизни, помогающим бороться со старением.

Огромные возможности и преимущества, которые дает общая количественная теория структуры и динамики таких сетей, и в особенности текущих в них энергетических потоков, состоят в том, что она дает аналитические рамки для расчетов многих других вспомогательных величин – например, кривых роста, показанных в предыдущем разделе, или интенсивности повреждений, влияющей на старение и смертность, о которых мы будем говорить здесь. Эти весьма приблизительные рамки носят очень общий характер и могут включать в себя любую модель старения, основанную на обобщениях механизмов «повреждений», связанных с обсуждавшимися выше общими явлениями физического или химического переноса. Детали механизмов возникновения повреждений несущественны для понимания многих из общих черт старения и смертности, так как наиболее важные повреждения возникают в инвариантных концевых модулях сетей (например, капиллярах и митохондриях), свойства которых не изменяются сколько-нибудь заметным образом в зависимости от размеров организма. Соответственно, уровень повреждений на один капилляр или одну митохондрию остается приблизительно одинаковым независимо от того, о каком животном идет речь.

Поскольку такие сети заполняют пространство, то есть обслуживают все клетки и митохондрии всего организма, повреждения постоянно возникают во всем организме и распределяются по нему приблизительно равномерно, что является причиной приблизительно равномерного пространственного распределения старения и его приблизительно линейного нарастания с возрастом. Именно поэтому, как видно из рис. 27, к семидесятипятилетнему возрасту все части нашего тела изнашиваются примерно в одинаковой степени. Если говорить более детально, из этого следует, что в пределах каждого из органов старение протекает почти равномерно, хотя разные органы могут стареть с умеренно разными скоростями, так как их сетевые системы обладают несколько разными характеристиками, особенно с точки зрения возможностей восстановления.

Поскольку в соответствии со степенным законом масштабирования с показателем ¾ более крупные животные имеют более высокий уровень метаболизма, они подвержены большему производству энтропии и, следовательно, большему уровню повреждений, так что можно было бы подумать, что более крупные животные должны иметь меньшую продолжительность жизни, что очевидно противоречит наблюдениям. Однако в главе 3 мы видели, что уровень основного обмена на одну клетку или на единицу массы тканей, а следовательно, и интенсивность повреждений на клеточном и межклеточном уровнях систематически уменьшается с увеличением размеров животных – еще одно проявление экономии на масштабе. Кроме того, как мы уже подчеркивали, наиболее значительные повреждения возникают в концевых модулях сетей, в капиллярах, митохондриях и клетках, а уровень их метаболизма уменьшается при увеличении размеров организма в соответствии со степенным законом масштабирования с показателем ¼. Интенсивность преобразования энергии в клетках крупных животных систематически ниже, чем в клетках мелких организмов. Поэтому на наиболее важном, клеточном уровне степень и скорость возникновения повреждения клеток тем меньше, чем больше размеры животного, что и дает соответствующее увеличение продолжительности жизни.

Вспомним, что такое снижение активности концевых модулей есть результат гегемонии сетевых структур, и порождается оно общей экономией на масштабе при увеличении размеров. Это обстоятельство также отражается в том факте, что число концевых элементов возрастает в зависимости от массы не линейно, а пропорционально массе в степени ¾; это играет центральную роль в выводе кривых роста и объясняет, почему рост в конце концов прекращается. Поскольку концевые элементы неизменны, суммарный объем повреждений пропорционален только их полному числу и, значит, тоже увеличивается пропорционально массе в степени ¾, то есть прямо пропорционален уровню метаболизма.

Накапливающиеся повреждения, порожденные метаболизмом, неустанно изнашивают весь организм. Для борьбы с этим непрерывным разрушением в нашем теле имеются мощные восстановительные механизмы, также приводимые в действие клеточным метаболизмом и, следовательно, регулируемые теми же законами устройства сетей и масштабирования. Поэтому их включение в вычисление суммарного объема необратимых повреждений не меняет математической структуры уравнения, но влияет на величину конечного результата. Восстановление требует больших ресурсов, а неукоснительное восстановление всех поврежденных элементов требует ресурсов чрезмерно больших и может оказаться невозможным, если учесть огромное число непрерывно происходящих повреждений. Суммарный масштаб восстановления определяется в первую очередь эволюционными требованиями: организмы должны прожить столько, чтобы успеть произвести достаточное с точки зрения конкуренции в генофонде количество потомства.

Поэтому старение развивается приблизительно монотонным образом и в конце концов приводит к смерти. Это происходит в результате совокупного воздействия неустраненных повреждений, которое становится достаточно макроскопическим для все большего нарушения работоспособности организма, как видно из графика, приведенного на рис. 27. В конце концов организм оказывается не в состоянии далее работать и умирает «от старости». Для прекращения жизнеспособности бывает достаточно даже небольшого отклонения или возмущения, например легкого сбоя сердечного ритма. Однако в большинстве случаев смерть наступает еще до возникновения этого состояния, по разнообразным причинам, связанным с ослаблением, например, конкретных органов и/или иммунной и сердечно-сосудистой систем, вызванным накоплением их повреждений. Все основные причины смертности, перечисленные в таблице 4, относятся к этой категории, за исключением, разумеется, смертей, вызванных внешними факторами или ухудшением состояния окружающей среды – несчастными случаями, огнестрельными ранениями, загрязняющими веществами и т. п. Соответственно, вычисление продолжительности жизни, основанное на описанных источниках смертности, только ограничивает максимально возможную продолжительность жизни.

Ее можно оценить, предположив, что необратимо смертельное состояние наступает, когда отношение числа поврежденных клеток (или молекул – например, ДНК) к их суммарному числу в органе или всем теле достигает некоторого критического значения, приблизительно одинакового для всех организмов одной и той же таксономической группы (например, для всех млекопитающих). Другими словами, суммарное число повреждений пропорционально суммарному числу клеток и, следовательно, массе тела. Мы просто хотим установить, сколько времени занимает появление такого количества повреждений, зная, исходя из уровня метаболизма, с какой скоростью возникают повреждения, а также зная, что в среднем каждое отдельное повреждение клетки вызывается приблизительно неизменным количеством энергии. Суммарное число повреждений в течение жизни просто равно произведению интенсивности повреждений (то есть числа повреждений, возникающих за единицу времени, пропорционального суммарному числу концевых модулей) на продолжительность жизни, и оно должно быть пропорционально суммарному числу клеток, а следовательно, массе тела. Значит, продолжительность жизни пропорциональна отношению суммарного числа клеток к числу концевых модулей. Но число концевых модулей масштабируется с массой по степенному закону с показателем ¾, а число клеток масштабируется линейно, из чего следует, что продолжительность жизни должна масштабироваться пропорционально массе в степени ¼, что согласуется с данными наблюдений.

Отметим, что, когда мы обсуждали рост, мы уже видели, что несоответствие между масштабированием источников энергии (концевых модулей), которые являются также и источниками повреждений, и масштабированием потребителей энергии (поддерживаемых клеток) имеет чрезвычайно важные последствия. В одном случае оно обеспечивает прекращение роста, а в другом – увеличение продолжительности жизни более крупных животных. И все это следует из ограничений, накладываемых сетевыми структурами.

V. Проверки, предсказания и следствия: увеличение продолжительности жизни

А. Температура и увеличение продолжительности жизни. Поскольку уровень метаболизма пропорционален числу концевых модулей, а именно в них по большей части возникают повреждения, мы можем непосредственно связать продолжительность жизни с уровнем метаболизма. Это дает альтернативное выражение продолжительности жизни в виде отношения массы тела к уровню метаболизма. Другими словами, продолжительность жизни обратно пропорциональна удельному уровню метаболизма на единицу массы организма и, следовательно, обратно пропорциональна среднему уровню метаболизма его клеток. Выше, когда мы говорили о метаболической теории экологии, мы видели, что эта величина систематически увеличивается с массой тела, следуя четвертному закону масштабирования, и экспоненциально зависит от температуры.

Это дает нам интересную возможность проверки теории путем вывода из нее объяснения систематического и предсказуемого экспоненциального увеличения продолжительности жизни с уменьшением температуры, проиллюстрированного на рис. 24. Отсюда следует, что в принципе продолжительность жизни можно увеличить путем понижения температуры тела, так как это приводит к снижению уровня метаболизма и, следовательно, интенсивности возникновения повреждений. Этот эффект очень силен: напомню, что понижение температуры тела всего на 2 °C может увеличить продолжительность жизни на 20–30 %[94]. Поэтому, если бы вам удалось искусственно понизить температуру своего тела всего на 1 °C, вы могли бы продлить свою жизнь на 10–15 %. Проблема состоит в том, что для получения этого «преимущества» необходимо, чтобы такое уменьшение температуры действовало всю жизнь. Однако еще существеннее то, что значительное понижение температуры тела вполне может иметь другие разрушительные и даже опасные для жизни последствия. Как я уже подчеркивал, изменение одного отдельно взятого компонента сложной адаптивной системы без полного понимания ее многоуровневой пространственно-временной динамики обычно дает непредвиденные результаты.

Б. Сердцебиение и темп жизни. Эти данные также подтверждают масштабирование продолжительности жизни в зависимости от массы с показателем около ¼. Поскольку в применении к сердечно-сосудистой системе теория предсказывает, что частота сердцебиения уменьшается пропорционально массе в степени ¼, в произведении частоты сердцебиения на продолжительность жизни зависимость от массы сокращается: уменьшение первой из этих величин в точности компенсирует увеличение второй, и результат получается инвариантным, то есть равным величине, одинаковой для всех млекопитающих. Но поскольку произведение частоты сердцебиения на продолжительность жизни попросту дает суммарное число сокращений сердца в течение жизни, теория предсказывает, что эта величина должна быть одинаковой для всех млекопитающих, что согласуется с данными, представленными на рис. 2 в главе 1. Это же рассуждение можно распространить на фундаментальный уровень дыхательных комплексов, базовых модулей митохондрий, в которых происходит производство АТФ, и показать, что число реакций получения АТФ, происходящих в течение жизни, также одинаково для всех млекопитающих.

Как я уже отмечал, крупные животные живут долго и медленно, а мелкие – недолго и быстро, но их основные биологические параметры, например суммарное число сокращений сердца, остаются приблизительно одинаковыми. При масштабировании по степенному закону с показателем ¼ события жизненного цикла всех млекопитающих ложатся на одну и ту же траекторию, пример которой дает всеобщая кривая роста, показанная на рис. 19. Может быть, все млекопитающие воспринимают последовательность, темп и продолжительность жизни одинаково? Приятное предположение.

Некогда, когда мы были «всего лишь» млекопитающими, это относилось и к нам. Но с возникновением социальных сообществ и урбанизации мы развились в нечто иное, по сути дела отклонившись от ограничений, удерживавших нас в гармонии с природой. Наш эффективный уровень метаболизма возрос стократно; мы удвоили продолжительность своей жизни и уменьшили свою плодовитость. В дальнейших главах мы вернемся к разговору об этих поразительных изменениях и попытаемся понять, как они произошли, используя ту же систему концепций.

В. Ограничение калорий и увеличение продолжительности жизни. Как мы только что видели, продолжительность жизни уменьшается с ростом уровня клеточного метаболизма. Поскольку эта величина систематически уменьшается по всему организму животного с увеличением его массы, на каждую клетку приходится меньшее количество повреждений, что приводит к тому, что большое животное живет дольше. Однако индивидуальная особь каждого вида, например каждый из нас, может уменьшить свой уровень клеточного метаболизма, просто сократив количество съедаемой пищи, что приведет к снижению удельной интенсивности метаболических повреждений на каждую клетку и может увеличить продолжительность жизни. Такая стратегия называется ограничением калорий. Она имеет долгую, довольно бурную историю и была предметом многочисленных исследований на разных животных. Хотя многие из таких исследований показали существенные положительные результаты, в других не было обнаружено значительного эффекта, и положение остается несколько неясным. Почти во всех исследованиях, независимо от наличия или отсутствия увеличения продолжительности жизни, были отмечены некоторые признаки уменьшения старения. Проведение долгосрочных контролируемых экспериментов затруднительно, а проведение исследований на людях невозможно; к тому же многие из этих исследований были недостаточно корректно спланированы. Сам я несколько предубежден в пользу этой идеи, так как верю в лежащую в ее основе теорию и в концепцию того, что снижение уровня метаболизма уменьшает интенсивность повреждений, замедляет процесс старения и увеличивает максимальную продолжительность жизни.

Грубо говоря, теория предсказывает, что максимальная продолжительность жизни, а по экстраполяции и средняя ее продолжительность, возрастает при уменьшении энергопотребления. Если воспринимать теорию буквально, из нее следует, что последовательное уменьшение количества съедаемой пищи на 10 % (то есть на пару сотен килокалорий в сутки) должно позволять прожить на 10 % (до десяти лет) дольше. На рис. 30 показаны данные по энергетическому ограничению, полученные в опытах на мышах, которые проводил в 1980-х гг. Рой Уолфорд, один из ведущих пропагандистов увеличения продолжительности жизни путем энергетического ограничения, работавший тогда патологом на медицинском факультете UCLA[95]. Данные представлены в виде кривых выживаемости групп мышей, которым давали разное количество пищи. Эффект получается действительно очень заметным и согласуется с предсказанным увеличением продолжительности жизни на 10 % при 10 %-м уменьшении калорий. Однако эффект резкого уменьшения калорий в два раза не достигает предсказанного удвоения продолжительности жизни: она увеличивается не на ожидаемые 100 %, а приблизительно на 75 %. Тем не менее тенденции и общая форма зависимости продолжительности жизни от энергопотребления согласуются с теорией.

Учитывая сравнительную простоту теории, это согласие кажется поразительно хорошим. В сочетании с другими успешными предсказаниями (в том числе скорости старения, аллометрического масштабирования продолжительности жизни и ее зависимости от температуры) можно сказать, что теория дает достоверную приблизительную основу для развития более точной количественной теории старения и смертности. Она позволяет получить формулы зависимости скорости старения и максимальной продолжительности жизни от общих, «универсальных» биологических параметров, из которых видно, например, каким образом микроскопические масштабы молекулярных процессов порождают столетний масштаб нашей жизни и почему мыши живут всего по нескольку лет. Таким образом, мы получаем научную основу, на которой могут быть сформулированы вопросы о том, изменение каких параметров может обеспечить продление жизни и прекращение старения – если такова наша цель. Например, объединение законов масштабирования, представленных на рис. 23–30, позволяет получить численную оценку возможностей продления жизни путем изменения температуры тела или уменьшения количества съедаемой пищи.

Более того, поскольку эта теория – лишь часть гораздо более крупной объединенной системы, охватывающей многие аспекты жизненного цикла, она также может помочь при изучении важнейшего вопроса о некоторых из возможных непредвиденных последствий изменения продолжительности жизни. Бездумные попытки вмешательства в «естественные» процессы старения и умирания, будь то с применением генетических или физических методов или волшебного зелья, могут иметь – и имеют – потенциально разрушительные последствия для здоровья и образа жизни. Без опоры на количественную теорию такие манипуляции будут потенциально опасными и безответственными.

Кривые выживаемости для мышей с разными уровнями ограничения калорий, демонстрирующие сопутствующее увеличение продолжительности жизни

Перед завершением этого раздела нельзя не упомянуть о том, что Рой Уолфорд, сыгравший ключевую роль в исследованиях старения, был человеком многосторонних талантов. В частности, еще в молодости он приобрел несколько скандальную известность, когда вместе с другим таким же старшекурсником исследовал рулеточные колеса в одном из казино города Рино, штат Невада, и определил методами статистического анализа, какие из них по случайности были перекошены. Затем они стали ставить крупные суммы на самых несбалансированных рулетках и срывать крупные куши. В конце концов в казино поняли, что происходит, и запретили им играть. Уолфорд потратил свой выигрыш на оплату обучения медицине, а также на годовой яхтенный круиз в Карибском море.

Глава 5. От антропоцена к урбаноцену. Планета, на которой господствуют города

1. Жизнь в экспоненциально расширяющейся Вселенной

Одно из наиболее удивительных и глубоких открытий ХХ в. заключалось в том, что в космическом масштабе мы живем в экспоненциально расширяющейся Вселенной. Не менее глубоким, но гораздо менее разрекламированным открытием было осознание того факта, что и в масштабах нашей планеты мы тоже живем в экспоненциально расширяющейся вселенной, вселенной социально-экономической. Хотя это ускоряющееся социально-экономическое расширение не привлекает к себе такого же внимания, оно оказывало и будет и дальше оказывать гораздо более сильное влияние на нашу жизнь, жизнь наших детей и жизнь их детей, чем все чудеса и парадоксы экспоненциально расширяющейся космической Вселенной со всей ее архетипической мифологией, повествующей о черных дырах, темной материи и Большом взрыве.

Наиболее очевидное проявление экспоненциального характера расширения нашего социального и экономического мира можно увидеть в демографическом взрыве, происходящем приблизительно в течение последних двухсот лет. По имеющимся оценкам, приблизительно после двух миллионов лет медленного, устойчивого роста число людей на планете достигло миллиардной отметки около 1805 г. Но после промышленной революции произошел настоящий взрыв численности человечества. Этот переход можно приписать смене традиционных методов ручной работы на массовое машинное и промышленное производство. Она в большой степени стимулировалась изобретением крупномасштабных производственных процессов, вызванным открытием новых методов использования энергии, накопленной в огромных залежах железной руды и угля. Открывшийся вследствие этого доступ к, по-видимому, неограниченным энергетическим и людским ресурсам, обеспеченный развитием капитализма, индивидуального и коллективного предпринимательства и инноваций, произвел огромные изменения в деятельности человека. Промышленная революция стала социально-экономическим аналогом Большого взрыва. Увеличение численности населения до миллиарда заняло два миллиона лет; прибавление еще одного миллиарда – еще 120 лет, а следующего – менее 35 лет. Следующее удвоение заняло всего 25 лет, и к 1974 г. численность населения достигла 4 млрд, а сейчас, всего 42 года спустя, мы снова почти удвоили эту цифру: современная численность населения Земли превышает 7,3 млрд человек. Таким образом, до самого последнего времени период удвоения систематически уменьшался, что говорит о сверхэкспоненциальном росте. Только в этом году численность населения увеличилась еще на 80 млн человек, эквивалент всего населения Германии или Турции, и ожидается, что к началу следующего века мы достигнем уровня 12 млрд.

Рис. 31. Поразительный сверхэкспоненциальный рост численности мирового населения с момента начала антропоцена, десять тысяч лет назад. Резкий подъем, начинающийся около 1800 г., отмечает начало промышленной революции и урбаноцена

Рис. 32. Параллельно с урбаноценом происходит быстрый рост экономики, что иллюстрирует увеличение ВВП США начиная с 1800 г. Несмотря на многочисленные кризисы, бумы и крахи, оно чрезвычайно хорошо описывается чистой экспонентой (серая пунктирная линия)

Первые изображения всего земного шара, полученные из космоса, сильно повлияли на наше сознание, позволив нам по-новому взглянуть на то, кто мы такие, откуда взялись и чем живем. Возможность впервые увидеть фотографию (см. с. 240, слева) нашей общей матери, давшей жизнь всем 7,3 миллиарда людей, омываемой великолепным светом ее собственного родителя, Солнца, стала настоящим откровением. Наверное, в то время никто не понимал этого лучше, чем писатель и мыслитель-футуролог Стюарт Бранд, убежденно считавший, что изображение всей Земли – это мощный символ, способный вызвать у всех людей, живущих на планете, чувство единства. Он неустанно призывал НАСА опубликовать первые фотографии еще в 1967 г., а затем использовал их для обложки своего чрезвычайно влиятельного «Каталога всей Земли» (Whole Earth Catalog), ставшего одним из величайших символов 1960-х и 1970-х гг.

Не меньшим откровением стали более поздние изображения ночной Земли, не освещенной солнечным светом (см. фото наверху, справа). Если бы лет двести назад существовала техническая возможность сделать такую фотографию, она казалась бы совершенно темной, и на ней ничего не было бы видно. Даже и пятьдесят лет назад это изображение оставалось бы довольно блеклым. Сегодня мы видим совсем другую картину. На великолепных изображениях, полученных спутниками НАСА, Земля кажется покрытой чем-то вроде прекрасной филигранной паутины сверкающих рождественских огней. Сияние этих «ночных огней» – это, конечно же, прямое следствие экспоненциального демографического взрыва и поразительного технического и экономического прогресса, которые его сопровождают. И подавляющее большинство этих огней порождается крупными городами, что свидетельствует о головокружительной скорости нашей урбанизации. Этот символ человека разумного XXI в. воплощает в себе самую суть концепций урбаноцена и масштаба, а потому как нельзя лучше подошел бы для обложки этой книги.

Недавний взрыв численности мирового населения – это поистине поразительное достижение, особенно с учетом того, что, несмотря на существование зон глубочайшей нищеты, одновременно с этим ростом в среднем по миру значительно повысилось и общее качество жизни, определяемое по уровню здоровья, продолжительности жизни и доходам. Рост численности населения традиционно коррелирует с повышением социально-экономических и финансовых показателей – в такой мере, что мы не только считаем экспоненциальный рост нормальным, но и, по сути дела, принимаем его за аксиому. Все наше социальное и экономическое мировоззрение ориентировано на непрерывное решение задач поддержки неограниченного экспоненциального роста.

Кроме того, все уже существующие 7,3 млрд человек и еще несколько миллиардов, которые присоединятся к нам в ближайшие десятилетия, нуждаются в пище, одежде, образовании и уходе. Почти все мы хотим иметь дома, автомобили и смартфоны, мы хотим, чтобы телевидение, кино и видео развлекали нас в комфортных условиях, а многие из нас, кроме того, хотят путешествовать, получать образование и иметь постоянный доступ к интернету. Независимо от различий в наших действиях, материальных желаниях и уровнях благосостояния все мы хотим вести осмысленную, полноценную жизнь. Все вместе мы составляем фантастическую ткань жизни; все мы в той или иной степени взаимодействуем с разнообразными социальными и экономическими процессами, изобретенными человеком, внося в них свой вклад, участвуя в них, извлекая из них блага или перенося причиненные ими потери. Но ничто из этого не может ни происходить сейчас, ни продолжать свое существование в будущем без непрерывного поступления энергетических и материальных ресурсов. При нынешнем положении вещей успешное продолжение нашего существования требует снабжения углем, газом, нефтью, пресной водой, железом, медью, молибденом, титаном, рутением, платиной, фосфором, азотом и многим, многим другим в экспоненциально увеличивающихся объемах.

2. Города, урбанизация и глобальная устойчивость

Наверное, самым великим нашим изобретением была сама сцена, на которой разворачивается все это многоцветие социально-экономических взаимодействий, механизмов и процессов, которые служат двигателем экспоненциального роста, то есть город. Такое мнение высказывает в своей книге «Триумф города»[96] специалист по городской экономике Эдвард Глейзер. Ибо параллельно со взрывным ростом численности населения последние двести лет идет экспоненциальная урбанизация нашей планеты. Город – это хитрый механизм, который мы разработали для поддержки и усиления социального взаимодействия и сотрудничества, двух необходимых компонентов успешного создания инноваций и накопления богатств. Рост численности населения и рост городов, разумеется, тесно взаимосвязаны и, поддерживая друг друга, создают нашу необыкновенную власть над планетой.

В качестве названия последней эпохи в истории нашей планеты, в течение которой деятельность человека стала существенно влиять на экологические системы Земли, был предложен термин «антропоцен». Этот процесс начался более десяти тысяч лет назад с изобретением земледелия и последующим превращением кочевых охотников-собирателей в жителей оседлых сообществ, а затем и возникновением первых городов. До этого времени человек был по большей части существом «биологическим», то есть обычным элементом многогранной экологии Земли – так сказать, ничем не выдающимся млекопитающим, – находящимся в квазиравновесии со всеми другими существами и организмами, составляющими кажущееся бесконечным природное многообразие. Соответственно, численность человечества во всем мире составляла всего несколько миллионов, что отражало динамику нашего взаимодействия с «естественной» окружающей средой, а Земля оставалась по большей части в своем «первозданном состоянии».

Но потом наступила промышленная революция. Хотя деятельность человека существенно изменила значительную часть земного пейзажа еще до ее наступления, именно эта захватывающая последовательность невиданных ранее событий обозначила начало фундаментального перехода в состояние взрывного, сверхэкспоненциального расширения, внесшего за поразительно короткое время непредвиденные изменения в экологию, состояние окружающей среды и климат нашей планеты. Соответственно, некоторые полагают, что моментом начала антропоцена следует считать промышленную революцию, в то время как другие утверждают, что начало этой эпохи относится лишь к середине ХХ в. Кое-кто даже утверждает, что она началась более десяти тысяч лет назад, в начале голоцена, геологической эпохи, в которой на Земле наступило потепление, приведшее к развитию сельского хозяйства и появлению современного человека.

Я всецело поддерживаю столь явное признание масштабов нашего влияния на нашу планету в форме названия новой геологической эпохи, но предпочел бы называть антропоценом весь период, начавшийся несколько тысяч лет назад, когда мы впервые начали значительно отличаться от преимущественно биологического вида и становиться видом преимущественно социальным, увеличивая тем самым эффективный уровень своего метаболизма. С этой точки зрения также следует признать, что мы уже совершили резкий переход из чистого антропоцена в некую новую эпоху, характеризующуюся экспоненциальным ростом городов, которые господствуют теперь на нашей планете. Для обозначения этого гораздо более короткого и насыщенного периода, начавшегося вместе с промышленной революцией, я предлагаю особое название – «урбаноцен». Учитывая всю глубину этого изменения и то, что его будущая динамика должна определить, продолжится ли успешное существование этого поразительного социально-экономического предприятия, я хотел бы для начала повторить кое-что из того, о чем говорилось в первой главе.

К моменту вступления в XXI в. города и глобальная урбанизация стали источником крупнейших проблем нашей планеты со времени образования человеческого общества. Будущее человечества и долговременная жизнеспособность всей планеты неразрывно связаны с судьбой наших городов. Города – это плавильный котел цивилизации, центры инноваций, источник богатства и власти, магниты, привлекающие к себе людей и стимуляторы идей, роста и инноваций. Но у них есть и темная сторона: именно в них в первую очередь сосредоточиваются преступность, загрязнение, нищета, болезни и потребление энергии и природных ресурсов. Быстрая урбанизация и ускоряющееся социально-экономическое развитие породили множество проблем мирового масштаба, от изменений климата и их влияния на окружающую среду до перебоев с пищей, энергией и водой и кризисов здравоохранения, финансовых рынков и глобальной экономики.

Учитывая такую двойственную природу городов, с одной стороны, источника крупнейших наших проблем, а с другой – вместилища творчества и идей и, следовательно, источника решений этих проблем, чрезвычайно актуальным становится вопрос о возможности существования какой-либо «теории городов», то есть системы концепций, позволяющей понять их динамику, рост и развитие и выразить их в предсказуемом численном виде. Такая система жизненно необходима для разработки стратегии, обеспечивающей долговременную устойчивость, особенно в связи с тем, что ко второй половине этого века подавляющее большинство людей будут жить в городах, и многие из них – в мегаполисах невиданных ранее размеров[97].

Среди возникающих перед нами проблем, задач и угроз нет почти ни одной новой. Все они известны нам по меньшей мере с начала промышленной революции. Урбанизация – это сравнительно новое явление глобального масштаба, которое до самого последнего времени не воспринималось всерьез, так как города по большей части играли вспомогательную роль в сравнении с основной массой населения. Они начинают казаться нам надвигающимся цунами, которое может захлестнуть нас только из-за экспоненциального роста урбанизации. Ни пятьдесят, ни даже пятнадцать лет назад большинство из нас знать не знало о глобальном потеплении, о долговременных экологических изменениях, об ограниченности запасов энергии, воды и других ресурсов, о проблемах загрязнения окружающей среды и их влиянии на здоровье населения или об устойчивости финансовых рынков. А если мы о них и слышали, мы считали, что речь идет о временных искажениях, которые рано или поздно должны исчезнуть. Это, несомненно, вопрос спорный, причем большинство политиков, экономистов и идеологов придерживаются довольно оптимистической точки зрения, считая, что наша изобретательность преодолеет все эти затруднения. Сама природа экспоненциального роста такова, что будущее все быстрее становится настоящим, и к тому моменту, когда очередная проблема возникает перед нами, возможность ее успешного разрешения уже оказывается упущенной. Учитывая общее отношение к скрытой угрозе такого экспоненциального расширения, я хотел бы сделать еще одно отступление и описать его последствия, так как кажется, что лишь немногие из обладающих властью и влиянием оценивают их по достоинству.

3. Отступление: что же такое экспоненциальный рост? Несколько поучительных историй

Говоря о расширении Вселенной после Большого взрыва или об огромных социально-экономических переменах, произошедших на нашей планете после начала промышленной революции, я использовал выражения «экспоненциальный рост» или «экспоненциальное расширение», предполагая, что их значение всем хорошо понятно. Более того, я применял понятие «экспоненциальный» несколько вольным образом, без точного объяснения того, что оно означает и подразумевает. Возможно, я недооцениваю уровень знаний и понимания широкой общественности, но то, как слово «экспоненциальный» нередко используется даже хорошо образованными журналистами, видными представителями СМИ, политиками и крупными бизнесменами, заставляет предположить, что они не вполне понимают его значение и неверно представляют себе масштабы того, что оно подразумевает. Собственно говоря, мне часто кажется, что в противном случае нам было бы гораздо легче убедить их в острой необходимости тщательного стратегического учета проблем долговременной устойчивости. Поэтому, боясь показаться педантом, я все же позволю себе сделать небольшое отступление и более подробно обсудить значение этой концепции, играющей в этой книге чрезвычайно важную роль, и следствия из нее.

Подобно словам «импульс» или «квант», слово «экспоненциальный» – это технический термин, пришедший из языка науки, в котором он имеет точно определенное значение. Однако они прижились в повседневном, разговорном языке благодаря тому, что они выражают полезные концепции, не всегда точно передаваемые в повседневной речи. Выражение «экспоненциальный рост» часто понимают просто в смысле роста чрезвычайно быстрого. Например, первое значение слова «экспоненциальный», которое дает мой словарь, – это «стремительно растущий». На самом же деле экспоненциальный рост начинается весьма медленно, почти незаметно, и лишь впоследствии плавно переходит к тому, что можно назвать быстрым ростом. Но дело не только в этом.

Согласно математическому определению, экспоненциально растущее население – это такое население, величина прироста которого (например, в минуту, в сутки, в год и так далее) прямо пропорциональна численности уже существующего населения. Таким образом, сама скорость прироста увеличивается тем быстрее, чем больше численность населения. Например, когда численность экспоненциально растущего населения удваивается, скорость его прироста тоже удваивается, то есть чем больше оно становится, тем быстрее оно растет, и такая положительная обратная связь в конце концов приводит к неограниченному, взрывному увеличению численности. В отсутствие ограничений и численность населения, и скорость его прироста могут стать бесконечно большими.

Все мы хорошо знакомы с одним примером роста такого типа по повседневной жизни, хотя в этом случае его обычно не называют экспоненциальным. Утверждение о том, что скорость прироста в единицу времени прямо пропорциональна текущему количеству, эквивалентно утверждению о постоянном уровне относительного прироста или процентной ставки, что звучит вполне невинно. Это не что иное, как классические сложные проценты, которые используются банками для расчета доходности ваших вложений. Поэтому, когда президенты, министры финансов, премьер-министры или директора компаний заявляют, что уровень роста их стран или организаций составляет в этом году 5 %, или когда банк сообщает вам, что норма прибыли на ваши сбережения равна 5 %, это на самом деле означает, что соответствующие средства увеличиваются экспоненциально, и их абсолютная скорость роста в следующем году должна быть на 5 % больше, чем в этом. Так что, если ничего не изменится, все будут становиться все богаче и успешнее. Даже когда президент мрачно заявляет, что в этом квартале экономический рост составил всего 1,5 %, и подвергается яростной критике за «застойное» состояние экономики, его слова все равно означают, что экономика растет экспоненциально и скорость ее роста по-прежнему становится все большей по мере увеличения ее объемов, но несколько медленнее. При постоянной процентной ставке роста все становятся все богаче и благополучнее, и то, что мы «подсаживаемся» на неограниченный, как на стероидах, экспоненциальный рост, не должно казаться удивительным. Он действительно опьяняет и представляет собой прямое проявление огромного успеха развития нашей экономики.

Рост системы, будь то экономика или популяция, часто выражают при помощи величины, которую называют периодом удвоения: она просто равна тому времени, которое занимает увеличение размеров системы в два раза. Экспоненциальный рост характеризуется постоянным периодом удвоения, что тоже кажется довольно безобидным свойством, пока не поймешь, что это подразумевает, например, что удвоение численности населения с десяти до двадцати тысяч, то есть прибавление всего 10 тысяч человек, занимает столько же времени, сколько удвоение с 20 до 40 млн, при котором добавляется целых 20 млн человек. Как это ни удивительно, период удвоения численности населения мира, как было указано выше, систематически сокращается: удвоение с 500 млн до одного миллиарда заняло 300 лет, с 1500 по 1800 г.; следующее удвоение до 2 млрд – всего 120 лет, а следующее после него, до 4 млрд, всего лишь 45 лет. Эта тенденция проиллюстрирована на рис. 31. Таким образом, до недавнего времени наша численность росла с увеличивающейся скоростью, превышающей чисто экспоненциальный рост! Хотя за последние 50 лет это ускорение стало уменьшаться, численность человечества все еще растет, по сути дела, экспоненциально.

Я не буду приводить других определений и сухой статистики, а лучше расскажу пару забавных историй, которые ярче иллюстрируют эти идеи. Удивительные привлекательность и опасность экспоненциального роста известны уже давно, особенно на Востоке, где сложные проценты понимались и применялись еще в древности. Иллюстрацию этого можно найти в одной из величайших эпических поэм мировой литературы, «Шахнаме», написанной около тысячи лет назад прославленным персидским поэтом Фирдоуси. Это произведение – самая длинная эпическая поэма в мире, ее написание заняло тридцать лет. Приблизительно в это же время в Персии появились шахматы, завезенные туда из Индии, в которой они были изобретены. Фирдоуси отразил популярность этой игры, использовав шахматную доску в качестве иллюстрации особенностей экспоненциального роста. Вот одна из версий этой истории.

Когда изобретатель шахмат показал эту игру царю, тот был настолько увлечен ею, что предложил мудрецу самому назначить себе награду за изобретение столь замечательной и трудной игры. Имея склонность к математике, тот попросил у царя чрезвычайно скромную на первый взгляд награду – всего несколько зерен риса. Однако их следовало отмерить таким образом: за первую клетку шахматной доски он должен был получить одно зернышко, за вторую – два, за третью – четыре, за четвертую – восемь, за пятую – шестнадцать и так далее, удваивая число зерен на каждой следующей клетке. Царь, несколько обиженный столь, по-видимому, убогим ответом на свое весьма щедрое предложение, все же решил удовлетворить просьбу изобретателя и повелел своему казначею отсчитать зерна по предложенной изобретателем схеме. Однако, когда прошла неделя, а казначей все еще не исполнил приказания, царь призвал его и спросил о причинах такой невероятной медлительности. В ответ казначей сказал царю, что для выплаты изобретателю его награды не хватит всех богатств, имеющихся в царстве.

Посмотрим, почему ответ казначея не только справедлив, но и, на самом деле, сильно недооценивает размеры награды. Понять это очень просто. Вспомним, что на шахматной доске есть 64 (8 × 8) клетки. По условиям определения награды на первую клетку следует положить 1 зерно, на вторую – 2, на третью – 4 и так далее. Таким образом, например, на восьмой клетке (расположенной в правом верхнем углу доски) должно быть 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2 = 128 зерен. Однако на последней, 64-й, клетке, расположенной в правом нижнем углу доски, число зерен должно быть равно произведению уже 63 двоек (то есть 2 × 2 × 2 × 2 × 2 × 2… 63 раза). Получается поистине астрономическое число: если вы вычислите его на калькуляторе своего компьютера или смартфона, вы увидите, что оно равно 9 223 372 036 854 775 808, то есть немногим меньше десяти миллионов триллионов рисовых зерен! Если ссыпать весь этот рис в одну кучу, она оказалась бы выше Эвереста.

Эта история демонстрирует огромную мощь и абсурдные последствия неограниченного экспоненциального роста. Она также иллюстрирует некоторые из его неочевидных характеристик: рост начинается на удивление медленно, но потом полностью выходит из-под контроля и поглощает все на своем пути. Более того, численность экспоненциально растущего населения в любой момент превышает суммарное число всех особей, существовавших ранее. Например, число зерен на любой клетке всегда больше, чем сумма количеств зерен на всех предшествующих ей клетках, вместе взятых. Таким образом, сейчас на нашей планете живет больше людей, чем их всего жило с момента начала экспоненциального роста и до сих пор. Поэтому достижение уровня численности населения, которое потенциально будет невозможно прокормить, или, по-видимому, «бесконечной» численности может случиться в системе довольно неожиданно, что и иллюстрирует самым убедительным образом наша следующая поучительная история. Как будет показано ниже, в естественных сообществах, находящихся на стадии экспоненциального роста, например лесах или колониях бактерий, обычно существуют естественные механизмы обратной связи, порождающие экологические пределы роста, часто связанные с конкуренцией и ограниченностью ресурсов окружающей среды.

Это подводит меня ко второй поучительной истории, касающейся вопроса несколько талмудического свойства. Речь идет о гипотетическом мысленном эксперименте, основанном на реальном процессе роста колоний бактерий. Предположим, что мы хотим приготовить партию антибиотика – например, пенициллина, – и начинаем этот процесс с одной бактерии. Допустим простоты ради, что нам известно, что раз в минуту наша бактерия делится на две абсолютно одинаковые дочерние бактерии. Таким образом, через минуту мы получаем две бактерии, каждая из которых еще через минуту тоже делится на две, что дает нам уже четыре бактерии. Еще через минуту их становится 8, затем 16 и так далее: через каждую следующую минуту их число удваивается. Аналогия с экспоненциальным ростом числа зерен на шахматной доске очевидна. Допустим, мы начали процесс роста в восемь утра и тщательно рассчитали, что контейнер должен быть целиком заполнен бактериями ровно к полудню. Вопрос: в какой момент между восемью утра и полуднем контейнер будет заполнен наполовину?

Те, кто отвечает на этот вопрос неправильно, обычно считают, что этот момент наступит где-то несколько позже середины промежутка между 8:00 и 12:00, например в 10:30 или в 11:15. Правильный ответ, удивляющий многих, состоит в том, что этот момент наступает в 11:59, всего за одну минуту до полудня. Вы, конечно, поняли, в чем тут дело: раз численность бактерий удваивается каждую минуту, она должна быть равна половине итоговой численности за одну минуту до окончания процесса, то есть до полудня – в 11:59 утра.

Я хотел бы несколько развить этот мысленный эксперимент и, так сказать, обратить время вспять: за 1 минуту до полудня контейнер заполнен наполовину; за 2 минуты до полудня – лишь на четверть (½ × ½ = ¼), за 3 минуты – на 1/8 (½ × ½ × ½) и так далее. В 11:55, всего за 5 минут до полудня, контейнер заполнен всего лишь на 1/32 (½ × ½ × ½ × ½ × ½), то есть бактерии занимают лишь около 3 % его объема, и их почти не видно. Аналогичный расчет показывает, что в 11:50, когда до полудня остается всего 10 минут, контейнер заполнен всего на 0,1 % и кажется совершенно пустым. Только за последние несколько минут, соответствующие малой доле всего периода существования этой бактериальной вселенной, и непосредственно перед ее неожиданным концом в контейнере происходит хоть что-то заметное.

Теперь взглянем на эту историю с точки зрения бактерий, населяющих эту колонию. Даже по прошествии 100 поколений, что соответствует 100 минутам «реального времени» и эквивалентно приблизительно двум тысячам лет «человеческого времени» (если отводить на каждое поколение по 20 лет), жизнь остается прекрасной, пищи имеется сколько угодно, и сообщество бактерий продолжает разрастаться и осваивать свою маленькую вселенную. Даже через 200 поколений кажется, что все идет превосходно, и даже через 235 поколений все выглядит совсем неплохо, хотя некоторые из бактерий, возможно, уже осознали, что их вселенная имеет «границы», и впервые обнаружили, что еды начинает немножко не хватать. Вскоре после этого, после 239 удвоений, когда численность популяции достигает абсурдно огромного значения 10^71 (триллиона, возведенного в миллионную степень), положение начинает казаться ужасным уже всем, и действительно, всего через одно поколение приходит конец!

Хотя эта маленькая история не вполне точна в деталях – время удвоения числа бактерий обычно бывает ближе к тридцати минутам, чем к одной, и, что еще важнее, мы не учитывали такие эффекты, как производство токсичных отходов и вызываемое ими умирание клеток, – основной принцип неограниченного экспоненциального роста и его следствия вполне реалистичны. Выше на рисунке приведена иллюстрация кривой роста и жизненного цикла бактериальных колоний, которую можно найти в любом учебнике начального курса экологии. Как вы видите, она описывает ту же самую историю, которую я только что рассказал: быстрый рост, сопровождающийся застоем и крахом. Важнее всего то, что речь идет именно о замкнутой системе, в которой ресурсы, доступные колонии, остаются конечными, как в пробирке, о которой говорилось в моей истории. Именно в такую ситуацию замкнутой системы мы поставили себя на Земле, почти исключительно используя ископаемые виды топлива и не пытаясь сохранить открытую систему, получающую энергию от Солнца. Хотя экспоненциальный рост является ярким свидетельством поразительных достижений нашего биологического вида, в нем заложены зерна нашей потенциальной гибели и предвестники тяжелейших проблем, ожидающих нас в самом ближайшем будущем.

4. Расцвет промышленного города и РОСТ его тревог

Я привел эти несколько провокационные поучительные истории не только в качестве иллюстрации значения и следствий неограниченного экспоненциального роста, но и для подготовки к дальнейшему обсуждению глобальной экологической устойчивости. Их трудно воспринимать иначе, как с антропоцентрической точки зрения, в качестве эпической саги о современном человеке, обреченном на трагическую и сравнительно стремительную гибель, о которой он не подозревает почти так же, как эти бактерии. Можно ли считать эти истории реалистичными метафорами того, что мы сами делали за последние двести лет? Нужно ли нам готовиться к худшему или, по меньшей мере, ограничивать свою расточительность? Или же это просто мифы, басни, обманчивые в своей простоте, а человеку суждено продолжить свой путь к еще более блестящему будущему, в котором его ожидает здоровье, богатство и процветание?

Эти и подобные вопросы породили весьма оживленные и продолжающиеся до сих пор дискуссии, начавшиеся вскоре после того, как промышленная революция запустила механизм экспоненциального роста. Переход от обработки земли и кустарного ручного производства к автоматическим машинам и созданию фабрик для массового производства товаров, технологические нововведения и повышение производительности сельского хозяйства, появление новых процессов химического производства и черной металлургии, увеличение эффективности использования гидроэнергетических ресурсов и все более широкое применение пара, стимулируемое переходом с обновляемых ресурсов древесины на ископаемое угольное топливо, – все эти факторы внесли свой вклад в неизбежную миграцию все большего количества людей из традиционных сельских поселений в быстро растущие городские центры, открывавшие, как считалось, более широкие возможности в поисках работы. Этот процесс с не меньшей интенсивностью продолжается по всему миру и по сей день[98].

Огромные перемены, принесенные промышленной революцией, породили множество состоятельных промышленных предпринимателей и владельцев заводов, а также возникновение устойчивого и все более влиятельного среднего класса, но участь недавно урбанизированного рабочего класса, будь то на шахтах или на заводах, была ужасной. Вспомним образ Лондона, описанный Диккенсом в «Оливере Твисте»: город, изобилующий преступностью, грязью, болезнями и лишениями, в котором живет в совершенной нищете огромное число рабочих. Городские трущобы, возникшие в результате быстрого роста численности населения и индустриализации, славились своей перенаселенностью, антисанитарией и жалкими условиями жизни.

Таким городом был во многих отношениях Манчестер, центр стремительно развивающейся текстильной промышленности и, следовательно, важный фактор для осуществления британского стремления «править морями», обеспечивающий поставки сырья, в частности хлопка, бывшего подлинным символом промышленной революции. Манчестер стал первым в мире промышленным городом; его население, составлявшее в 1771 г. чуть более 20 тысяч человек, к 1831 г. увеличилось в шесть раз, до 120 тысяч, а к концу XIX в., еще через семьдесят лет, превысило два миллиона. История развития Манчестера стала моделью, которая многократно воспроизводилась – и воспроизводится до сих пор – по всему миру, от Дюссельдорфа и Питтсбурга до Шэньчжэня и Сан-Паулу.

Оглядываясь на мегаполисы прошлого, такие как Лондон и Нью-Йорк, можно заметить, что они имели ту же дурную репутацию, которую получают мегаполисы нынешние, например Мехико, Найроби или Калькутта. Вот как описывались 150 лет назад рабочие манчестерских текстильных фабрик: «ужасная правда заключается в том, что хорошо сложенные мужчины превращаются к сорокалетнему возрасту в непригодных к работе стариков, дети становятся изможденными и искалеченными и тысячи и тысячи их гибнут от чахотки [туберкулеза], не дожив и до шестнадцати лет». Тем не менее, несмотря на беззастенчивую эксплуатацию и ужасные, бесчеловечные условия жизни и работы, эти города стали высокодинамичными, быстро развивающимися многогранными сообществами, открывающими огромные возможности, которые в конце концов превратили многие из них в двигатели мировой экономики. Приблизительно то же самое можно предположить в отношении мегаполисов, возникающих сейчас в Африке, Азии и других частях света. Как пишет американский архитектор и градостроитель Андре Дуани, «в 1860 г. в столичном городе Вашингтоне с населением 60 тысяч человек были неосвещенные улицы и открытые сточные канавы, а по его главным проспектам разгуливали свиньи. Условия жизни в нем были хуже, чем в худшем из наших нынешних городов. Надежда есть».

Говоря о расцвете викторианских мегаполисов и тяготах жизни «рабочей бедноты», я не могу устоять перед искушением и не привести здесь несколько личных воспоминаний. Хотя я родился в английской сельской местности, в графстве Сомерсет, у меня были родственники, жившие в лондонском Ист-Энде, и по странной случайности я провел там несколько лет, когда учился в последних классах средней школы. Ист-Энд возник в результате стремительного расширения Лондона в конце XIX в. и стал одним из самых бедных и перенаселенных районов города, превратившись из-за этого в рассадник болезней и преступности. Вероятно, самым знаменитым из ист-эндских преступников всех времен был печально известный Джек-потрошитель. Поддерживая эту сомнительную традицию, мой сосед по парте, сидевший рядом со мною в двух последних классах этой школы, стал впоследствии самым разыскиваемым преступником Британии. В то время значительная часть Ист-Энда по-прежнему считалась трущобами и все так же источала диккенсовскую атмосферу, особенно в зимние месяцы с их короткими днями, темно-серым небом и спускавшимся на город классическим клубящимся туманом цвета горохового супа – идеальные декорации для какого-нибудь расследования Шерлока Холмса.

Учась в старших классах, я нанимался на летние каникулы чернорабочим на местные пивоварни. Первый такой опыт я получил летом 1956 г., когда мне было пятнадцать лет. Дело было на старой пивоварне Taylor Walker в районе Лаймхаус, расположенном рядом с доками на северном берегу Темзы, который пользовался тогда особенно дурной славой даже по сравнению с другими частями Ист-Энда. Лаймхаус фигурирует во многих книгах и фильмах и сохранился с викторианских времен почти неизменившимся. В 1956 г. он все еще славился своей преступностью, хотя опиумные притоны, описанные Диккенсом в «Тайне Эдвина Друда», к тому времени давно исчезли.

Пивоваренная компания была основана в 30-х гг. XVIII в., а ее здание было построено в 1827 г. и частично отремонтировано в 1889-м. Это было типичное викторианское фабричное здание красного кирпича с плохим освещением, плохой вентиляцией и довольно ужасающими условиями работы, не изменившимися более чем за столетие. В мои обязанности входила бесконечная и бездумная погрузка ящиков с пивными бутылками на вертикальный конвейер, по которому использованные бутылки поступали в мойку и под повторный розлив пива. Приблизительно раз в пять секунд мне нужно было засовывать в древнюю чугунную машину очередной тяжелый ящик, и это продолжалось без остановки девять с половиной часов в сутки, пять с половиной дней в неделю (с учетом ежедневного часа сверхурочной работы и половинного рабочего дня в субботу) с часовым обеденным перерывом и двумя перерывами по пятнадцать минут, утром и после обеда. Это была самая тяжелая работа, которую мне когда-либо приходилось выполнять (может быть, за исключением только работы по теории струн и участия в руководстве Институтом Санта-Фе во время рыночного краха 2008 г.). Я возвращался домой (дорога занимала час) совершенно изможденным, съедал обильный ужин и засыпал к 8:30 вечера, а в 6:30 следующего утра мне уже пора было вставать.

В перерывах появлялся словно сошедший со страниц Диккенса человек в замызганном длинном кожаном фартуке, с большим грязным железным ведром в руках, к которому железной цепью была привязана обшарпанная оловянная кружка. В ведре было самое дешевое темное пиво Taylor Walker, и мы имели возможность пить его из этой самой оловянной кружки в неограниченных количествах. Нужно ли говорить, что кружку никогда не чистили и даже не ополаскивали перед употреблением. Бог знает, какие болезни я там подхватил; во всяком случае, своей маме я ничего об этом не рассказывал. За все это я получал 1 шиллинг и 11¾ пенни в час, то есть чуть меньше одной десятой фунта (десяти пенсов в современной системе), или около 15 американских центов. Это не так мало, как кажется: с учетом инфляции эта сумма приблизительно соответствует 2,18 фунта (около 3 долларов) в сегодняшних деньгах.

Для пятнадцатилетнего мальчика это был очень неплохой заработок, и за эти два или три летних месяца я накопил достаточно, чтобы устроить себе скромные каникулы с путешествием автостопом и наслаждаться всем, что Лондон мог предложить подростку, в течение остального года. Но если бы я был тридцатилетним мужчиной, содержащим жену и троих детей, бог знает, как бы я сводил концы с концами, даже получая в два раза больше. Условия и перспективы были чрезвычайно мрачными, хотя они, несомненно, улучшились по сравнению с положением, существовавшим на сто пятьдесят лет раньше, когда рабочий день составлял двенадцать часов, а рабочая неделя – шесть дней, и на шахтах и фабриках повсеместно использовался детский труд. Хотя мои политические симпатии были на стороне консерваторов, то, что я увидел в большом городе, на обоих концах экономического спектра, оказало на меня, как и на многих до меня, большое влияние. Многие мыслители, выросшие в уютных условиях верхнего слоя среднего класса, от Маркса и Энгельса до Джорджа Бернарда Шоу и членов Блумсберийского кружка, а также Клемента Эттли и его коллег по послевоенной Лейбористской партии, были шокированы нищетой и лишениями, которые они видели в лондонском Ист-Энде, на ланкаширских фабриках или в угольных копях Южного Уэльса.

Очень легко забыть о том, что тяжелые, антисанитарные условия работы были нормой для многих рабочих задолго до промышленной революции. Все те пороки, которые мы приписываем индустриализации и урбанизации – будь то детский труд, антисанитарные жилищные условия или долгие рабочие часы, – были столь же распространены и в доиндустриальном обществе. Более того, значительное уменьшение младенческой и детской смертности и, следовательно, быстрое увеличение скорости прироста населения было вызвано именно усовершенствованиями, принесенными наукой и Просвещением. Кажущееся ухудшение жизни городского промышленного рабочего по сравнению с жизнью работника сельского отчасти связано с образом бесчеловечной жестокости заводов и шахт, противопоставляемым картине труда на земле, но также с тем, что экспоненциальный рост привел к огромному увеличению масштабов и распространенности этих проблем. Те же доводы остаются в силе и сейчас, когда многим кажется, что жизнь была гораздо приятнее, когда все мы якобы жили в маленьких деревнях и городках и еще не утратили то ощущение общности и взаимосвязанности, по-видимому отсутствующее в суете современного города. Мы вернемся к этому вопросу позже, когда будем говорить о динамике городов, и я покажу, что ускоряющийся темп жизни является неотъемлемым элементом неограниченного роста экономики, на который все мы привыкли полагаться независимо от того, живем ли мы в суетливом городе или в сонной провинциальной деревне.

5. Мальтус, неомальтузианцы и поклонники великой инновации

Обычно считается, что лавры первого человека, осознавшего потенциальную угрозу, создаваемую неограниченным экспоненциальным ростом, и связавшего ее с проблемой ограниченности доступных ресурсов, принадлежат Томасу Роберту Мальтусу. Мальтус был английским священником и одним из первых ученых, внесших свой вклад в недавно возникшие дисциплины экономики и демографии и исследовавших их значение для долговременной политической стратегии. В 1798 г. он опубликовал чрезвычайно влиятельную работу под названием «Опыт о законе народонаселения»[99], в которой заявил, что «умножение населения бесконечно превосходит умножение возможностей земли производить пропитание для человека». Он утверждал, что население «умножается геометрически», то есть растет по экспоненциальному закону, в то время как возможности производства продовольствия и снабжения им – лишь «арифметически», то есть увеличиваются в гораздо более медленной линейной прогрессии, и рано или поздно численность населения должна превзойти имеющиеся продовольственные ресурсы, что приведет к катастрофическому краху.

Мальтус заключил, что предотвращение такой катастрофы и обеспечение жизнеспособности населения требуют каких-то мер по регулированию его численности. Такое ограничение может быть следствием «естественных» причин, например распространения заболеваний, голода или войн, или, что более предпочтительно, изменений в социальном поведении, особенно среди рабочей бедноты, в темпах воспроизводства которой он видел корни этой проблемы. Будучи убежденным христианином, Мальтус не особенно приветствовал идею контрацепции и больше ратовал за моральные ограничения, например в форме воздержания, поздних браков и ограничений браков безнадежных бедняков, а также физически и умственно больных. Звучит знакомо, не правда ли? Учитывая глубокие религиозные и нравственные убеждения Мальтуса, вопрос о том, стал ли бы он горячим сторонником массовой стерилизации или свободы абортов, если бы такие возможности существовали в то время, остается весьма спорным. Однако он, несомненно, поддержал бы политику «одного ребенка», проводимую в Китае. Нечего и говорить, что у современных неомальтузианцев нет таких религиозных или этических возражений против искусственного контроля рождаемости, абортов и даже программ стерилизации, если, конечно, они проводятся на добровольной основе.

К сожалению, анализ Мальтуса был понят в том смысле, что бедняки сами виноваты в своих несчастьях, так как упорно продолжают размножаться со слишком большой скоростью. Поэтому было сравнительно легко заключить, что именно это, а не эксплуатация капиталистами, является причиной как их бедности, так и ужасных условий их существования вообще. Из этой идеи классические мальтузианцы делали дальнейший вывод о том, что меры благотворительности и покровительства бедным, как государственные, так и частные, нецелесообразны, так как приводят лишь к увеличению их численности, тем самым еще более способствуя экспоненциальному росту числа бедняков, не способных к самостоятельному существованию, что в конце концов должно привести к банкротству страны. Разнообразные современные версии этого рассуждения нам также хорошо знакомы. Эти идеи неизбежно вызвали бурную дискуссию, не утихавшую в течение следующих двух столетий и, в более широком контексте, продолжающуюся с не меньшей интенсивностью и до сих пор.

То, что эти споры ведутся и сейчас, в некотором смысле удивительно, потому что большинство авторитетов в области общественных наук и экономики подвергли идеи Мальтуса серьезной критике и отвергли их чуть ли не сразу после того, как он их высказал, – и, как мы увидим, небезосновательно. За последние двести лет его теорию яростно критиковали и продолжают критиковать представители самых разных направлений, от марксистов и социалистов до либертарианцев и сторонников свободного рынка, от социал-консерваторов до феминистов и защитников прав человека. Классический пример такой критики, который лично я нахожу особенно забавным, можно найти у Маркса и Энгельса, которые заклеймили Мальтуса «лакеем буржуазии». Эта формулировка хорошо звучала бы в пародийном скетче, снятом о них группой «Монти Пайтон».

Вместе с тем идеи Мальтуса оказали влияние на ряд выдающихся мыслителей, хотя многие из них и не вполне соглашались с его высказываниями. В их число входят великий экономист Джон Мейнард Кейнс, а также создатели теории естественного отбора Альфред Рассел Уоллес и Чарльз Дарвин. Впоследствии, по мере роста озабоченности проблемами глобальной устойчивости, идеи Мальтуса были распространены на вопросы ограниченности ресурсов вообще (а не только пищевых), с основным акцентом не столько на бедноту или даже на рост численности населения, сколько на общие вопросы состояния окружающей среды, изменения климата и осознание того, что эти проблемы выходят за пределы географических зон или экономических классов.

Однако среди специалистов по экономике и социальным вопросам традиционного направления мальтузианская теория с ее выводами о неизбежной и скорой катастрофе стала настоящим жупелом. Большинство из них считает базовые предпосылки этой теории фундаментально ошибочными, и существуют многочисленные данные, подтверждающие это мнение. Вероятно, наиболее важен тот факт, что, вопреки ожиданиям Мальтуса, производительность сельского хозяйства возрастала со временем вовсе не линейно, а следовала за экспоненциальным ростом численности населения. Кроме того, рождаемость стабильно падала, и столь же стабильно повышался уровень жизни. По мере роста средней заработной платы и облегчения доступа к средствам контрацепции трудящиеся стали размножаться меньше, а не больше.

Я почти не встречал экономистов, которые не отвергали бы с порога мальтузианские и другие подобные им идеи о неизбежном или скором крахе, считая их наивными, чрезмерно упрощенными или попросту неправильными. И вместе с тем я почти не встречал физиков или экологов, которые не считали бы безумием противоположную им точку зрения. Возможно, лучше всего их точку зрения сформулировал покойный экономист-диссидент Кеннет Боулдинг, когда он выступал в Конгрессе США: «верить, что экспоненциальный рост может бесконечно продолжаться в конечном мире, могут либо сумасшедшие, либо экономисты».

Большинство экономистов, социологов, политиков и крупных предпринимателей обычно обосновывают свой оптимизм ссылками на классическую мантру об «инновациях», которые они считают волшебной палочкой, способной удерживать нас на плаву в условиях экспоненциального роста. Они справедливо указывают, что именно наши необычайные изобретательность и восприимчивость к новому, в большой степени порождаемые свободной рыночной экономикой, непрерывно подпитывают экспоненциальный рост и повышение уровня жизни. Исходная посылка Мальтуса оказалась ошибочной в связи с непредвиденным технологическим прогрессом в сельском хозяйстве, который стимулировали дух и открытия Просвещения и промышленной революции. Этот прогресс дал нам такие изобретения, как молотилка, сноповязалка, хлопкоочистительная машина, паровой трактор и чугунный плуг со стальным лемехом, а также усовершенствование севооборота и распространение удобрений промышленного производства. Все это внесло огромный вклад в повышение производительности благодаря увеличению урожаев и механизации процессов, которые в течение предыдущих десяти тысяч лет выполнялись в основном вручную. В 1830 г. выращивание ста бушелей пшеницы требовало почти трехсот человеко-часов; к 1890 г. эта цифра составила менее пятидесяти. Сегодня она равна всего нескольким человеко-часам.

То самое время, в которое мы живем, стало свидетелем поразительного развития этой потрясающей революции в производительности производства пищи, вызванного все большей индустриализацией сельского хозяйства. В производстве продуктов питания развитых стран господствуют гигантские агропромышленные консорциумы, применяющие науку и технику для максимизации урожаев и оптимизации распределения. Такая механизация производства пищи, при которой мясо, рыба и овощи, по сути дела, изготавливаются на конвейерах огромных заводов подобно автомобилям или телевизорам, быстро распространяется по всему миру, обеспечивая миллиарды человек едой по доступным ценам.

Просто чтобы представить себе масштаб этих перемен, отметим, например, что в 1967 г. в Соединенных Штатах существовало около миллиона свиноферм, а сегодня их число составляет всего лишь порядка 100 тысяч, и более 80 % выращиваемых свиней происходят именно с этих специализированных ферм. Всего четыре компании производят сейчас 81 % крупного рогатого скота, 73 % овец, 57 % свиней и 50 % кур, необходимых для потребления в Соединенных Штатах. В мировом масштабе таким образом производится 74 % всего птичьего мяса, 43 % говядины и 68 % яиц. В связи с этим сейчас в сельском хозяйстве работает лишь немногим более 1 % населения США, а в 1930-х гг. эта доля составляла около четверти населения, причем каждый сельскохозяйственный работник в среднем обеспечивал пищей приблизительно одиннадцать потребителей. Сегодня эта цифра ближе к ста. Такое огромное увеличение производительности и столь же огромное уменьшение потребности в сельскохозяйственной рабочей силе были одним из важных факторов экспоненциального роста численности городского населения.

Думая о долговременной устойчивости, трудно не согласиться с правотой «инновационной» логики. Достаточно вспомнить о поразительном разнообразии новых приборов, машин, устройств, процессов и идей, созданных за последние двести лет, не говоря уже о последних двадцати. Планета, как будто на стероидах, открывает перед нами нескончаемую, невообразимую, экспоненциальную череду чудесных сокровищ – от самолетов, автомобилей, компьютеров и интернета до теории относительности, квантовой механики и естественного отбора, – которые и не снились ни Али-Бабе, ни Горацио.

По данным Всемирного банка, одна из основных целей развития тысячелетия, установленных ООН в 2000 г., а именно уменьшение уровня бедности в два раза по сравнению с 1990 г., была достигнута с опережением графика, не в 2015 г., как намечалось, а в 2010-м. Более того, современные люди в среднем живут дольше и с более высоким уровнем жизни, чем когда-либо раньше. Но это лишь одна сторона медали. Вторая состоит в том, что половина населения мира до сих пор существует менее чем на 2,5 доллара в день, что более миллиарда человек не имеют достаточного доступа к чистой питьевой воде или достаточного количества пищи. Кажется, что, несмотря на все наши блестящие успехи, где-то на заднем плане все еще маячит угроза мальтузианской катастрофы.

Эта точка зрения была ярко выражена почти пятьдесят лет назад в пользовавшейся огромным успехом научно-популярной книге «Демографическая бомба», которую опубликовал в 1968 г. эколог Пол Эрлих[100]. Он начал свою книгу со следующего провокационного вызова:

Битва за обеспечение пищей всего человечества закончена. В 1970-х гг. сотни миллионов человек умрут от голода, несмотря на все запускаемые сейчас экстренные программы. Сейчас уже ничто не способно предотвратить значительное увеличение мирового уровня смертности…

Высказывались и другие столь же ужасные пророчества (например: «Я не вижу, как Индия сможет к 1980 г. прокормить еще двести миллионов человек), и предлагался целый ряд драконовских мер, способных умерить неумолимо надвигающуюся катастрофу, в число которых входила и насильственная стерилизация.

Вскоре после этого, в 1972 г., было опубликовано исследование под названием «Пределы роста», которое выполнили в MIT Деннис Медоуз и Джей Форрестер[101]. Оно было сосредоточено на изучении влияния конечности ресурсов на продолжение экспоненциального роста, а также на возможных последствиях дальнейшего существования «как обычно». Спонсором этого исследования была организация под названием «Римский клуб», сообщество выдающихся «граждан мира, объединенных общей заботой о будущем человечества», в которое входят бывшие главы государств, дипломаты, ученые, экономисты и предприниматели со всего мира. Эта работа была первой серьезной попыткой создать модель возможных сценариев глобальной устойчивости на основе имеющихся данных в сочетании с компьютерными моделями производства продовольствия, роста численности населения, индустриализации, использования невозобновляемых ресурсов и загрязнения окружающей среды. В этом отношении она стала прообразом последующих серьезных попыток моделирования будущего планеты, в том числе и недавно разработанных моделей изменений климата.

Подобно работе Мальтуса и книге Эрлиха, «Пределы роста» привлекли к себе большое внимание популярных СМИ и вызвали столь же острые дискуссии о будущем нашей планеты. И так же, как эти предыдущие работы, они стали объектом острой критики, особенно со стороны экономистов, за то, что в них не учитывалась динамика инноваций.

Главным критиком этой работы был известный экономист Джулиан Саймон, высказывавший довольно радикальную версию точки зрения, которой придерживаются многие экономисты. Он считал, что потрясающий рост, который мы наблюдаем в течение последних двухсот лет, продолжится «вечно» благодаря человеческой изобретательности и нашей неиссякаемой способности к инновациям. Собственно говоря, в своей книге «Неисчерпаемый ресурс», вышедшей в 1981 г., Саймон утверждал, что бо́льшая численность населения есть на самом деле положительный фактор, так как она стимулирует появление еще большего числа технологических инноваций, изобретений и открытий, которые предоставляют нам новые возможности эксплуатации ресурсов и повышения уровня жизни[102].

В XXI в. это видение рога изобилия, образ бездонных бочек рыбы, снова и снова наполняющихся как по волшебству, но не силой божественного вмешательства, а благодаря свободному выражению человеческой изобретательности и безграничных возможностей свободной рыночной экономики, возродилось в качестве важного компонента корпоративного и политического концептуального мышления. Многие представители научных, деловых и политических кругов, по существу, приняли точку зрения Саймона. Лаконичное выражение его взглядов красноречиво сформулировал экономист Пол Ромер, один из создателей теории эндогенного роста, согласно которой основным двигателем экономического роста являются вложения в человеческий капитал, инновации и накопление знаний[103]. Ромер заявляет, что «каждое поколение сталкивается с пределами роста, которые создавали бы ограниченные ресурсы и нежелательные побочные эффекты без открытия новых методов и идей. И каждое поколение недооценивает потенциал обнаружения новых методов и идей. Очень часто мы не осознаем, сколь многие идеи еще могут быть открыты. Возможности не складываются. Они умножаются». Говоря несколько другими словами, речь идет о том, что идеи и инновации накапливаются в прогрессии геометрической (то есть экспоненциально), а не арифметической (то есть линейно) параллельно с экспоненциальным ростом численности населения и что процесс этот бесконечен и, по существу, неограничен.

Однако в последние десятилетия, с подъемом экологического движения и возникновением серьезных опасений за будущее нашей планеты, появились и новые духовные наследники «Демографической бомбы» и «Пределов роста». С их идеями тесно связана глубокая озабоченность влиянием нерегулируемых корпоративных и политических амбиций, которая способствует распространению мнения о необходимости «социальной ответственности корпораций». Преодоление разрыва и сглаживание постоянных противоречий между буйным капитализмом, преподносимым в качестве двигателя инноваций и изобретательности, обеспечивающих всеобщий рост и процветание, и мрачными прогнозами защитников окружающей среды, а также теми, кто прислушивается к тревожным сигналам изменений климата и потенциального экономического краха, становится одной из главных политических задач XXI в.

Хотя сама по себе вера в то, что в коллективной изобретательности человечества и его стремлении к инновациям, поддерживаемым рыночной экономикой, заключается секрет сохранения долгосрочного неограниченного роста и предотвращения потенциального краха, может быть вполне разумной, меня довольно сильно удивляет то, насколько часто она сочетается с отрицанием некоторых из их неизбежных следствий или, по меньшей мере, с глубоким неверием в них. Подобно многим, видящим в «инновации» панацею от всех глобальных социально-экономических проблем будущего, Саймон энергично выражает неверие в то, что деятельность человека наносит глобальный экологический ущерб или является причиной серьезного вреда здоровью людей, идет ли речь об изменениях климата, загрязнении окружающей среды или химических выбросах. У неограниченного экспоненциального роста есть темная сторона, выражающаяся в духе и сути Второго начала термодинамики и его проявлениях в виде роста энтропии. Какой бы замечательной ни была наша изобретательность, в конце концов все на свете приводится в действие и обрабатывается путем расходования энергии, а расходование энергии имеет неизбежные разрушительные последствия.

6. Все дело в энергии!

В мировых масштабах мы потребляем гигантское количество энергии, что-то порядка 150 триллионов киловатт-часов в год. Это одно из тех астрономических чисел – к ним же относится, например, годовой бюджет США, – величину и значение которых простым смертным чрезвычайно трудно осознать: они попросту затуманивают нам взор. Рассказывают, что сенатор Эверетт Дирксен, бывший с 1959 по 1969 г. лидером республиканской фракции в американском сенате, сказал о бюджете Соединенных Штатов: «Тут миллиард, там миллиард – так, глядишь, и до настоящих денег доберемся». Причем дело было в то время, когда бюджет был в тридцать раз меньше нынешнего, составляющего около 3,5 триллиона долларов. Чтобы лучше оценить его размеры, можно сказать, что на каждого мужчину, женщину и ребенка в США в нем приходится приблизительно по 10 тысяч долларов.

Помочь понять сходным образом значение глобального энергопотребления и представить себе его гигантские размеры в осознаваемых величинах могут следующие сравнения. Во вступительной главе я упоминал, что те 2000 пищевых калорий в сутки, которые требуются нам для поддержания жизни, эквивалентны приблизительно 100 ваттам, мощности обычной лампочки. По сравнению с любыми системами, изготовленными человеком, мы расходуем потребляемую энергию чрезвычайно эффективно. Например, посудомоечная машина затрачивает на мытье посуды более чем в десять раз больше энергии в секунду, чем человек, а автомобиль на перемещение – более чем в тысячу раз. Если сложить вместе всю энергию, которую средний человек расходует на приведение в действие всех машин, приспособлений и инфраструктур, ставших неотъемлемой частью современной жизни, результат превышает наши природные энергетические потребности в тридцать раз.

Говоря несколько другими словами, уровень потребления энергии, необходимый нам для поддержания нормального образа жизни, в течение сотен тысяч лет оставался на уровне всего нескольких сотен ватт, пока, около десяти тысяч лет назад, мы не начали образовывать коллективные сообщества городского типа. Этот момент отмечает начало антропоцена, в котором наш эффективный уровень метаболизма начал свой устойчивый рост к современному уровню, составляющему более 3000 Вт. Но это лишь среднее значение по всей планете. В развитых странах уровень энергопотребления значительно выше. В Соединенных Штатах он выше почти в четыре раза и достигает огромной величины 11 000 Вт, более чем в сто раз превышающей «природный», то есть биологический уровень метаболизма. Эта величина немногим меньше уровня метаболизма синего кита, масса которого превышает нашу более чем в тысячу раз. Если представить себе человека как животное, потребляющее в тридцать раз больше энергии, чем «следует», исходя из его физических размеров, можно сказать, что современное человечество действует, как если бы его численность была гораздо большей, чем реальные 7,3 миллиарда человек. С точки зрения вполне реальных последствий наше существование эквивалентно существованию населения, по меньшей мере в тридцать раз более многочисленного, превышающего в целом по миру 200 миллиардов человек. Если правы самые оптимистичные из приверженцев концепции рога изобилия, и к концу века численность населения мира достигнет 10 миллиардов человек, причем уровень их жизни будет сравнимым с тем, что имеется в Соединенных Штатах, то эффективная численность населения превысит тогда один триллион.

Эти расчеты не только позволяют оценить уровень нашего энергопотребления, но показывают, насколько далеко мы отошли от экологического равновесия по сравнению со всеми остальными представителями «природного мира». Не менее важно и то, что такое огромное увеличение энергопотребления произошло за чрезвычайно короткое по масштабам эволюции время, за которое практически не могли случиться никакие системные изменения или адаптации. Например, по имеющимся оценкам, когда человек еще был нормальной составной частью природного мира, действовал с энергопотреблением порядка нескольких сотен ватт и еще не изобрел сельского хозяйства, численность человечества во всем мире составляла всего лишь около 10 миллионов. Она выросла до нынешнего эффективного уровня, превышающего эту величину в 20 тысяч раз, за такое короткое время, что это вызвало серьезное нарушение динамического эволюционного равновесия природы и, таким образом, может привести к катастрофическим экологическим последствиям.

Уже одно это действует отрезвляюще, но положение кажется еще более серьезным, когда мы вспоминаем о неизбежно низкой эффективности нашего энергопотребления и связанном с ним производстве энтропии, порождающем загрязнение природы, выделение низкопотенциального тепла, а также ущерб и разрушения, причиняемые окружающей среде. Приблизительно треть ежегодного мирового энергопотребления, которое увеличилось с 1980 г. почти в два раза, тратится впустую. Например, собственно для передвижения автомобиля используется всего лишь около 20 % энергии, содержащейся в бензине. Важная роль инноваций состоит в уменьшении такой неэффективности путем усовершенствования имеющихся технологий, изобретения новых или разработки иных методов организации их использования. Прямо на наших глазах общественность и корпорации все более ясно осознают проблемы, связанные с тратами энергии, отходами и неэффективностью, а государственные программы и системы налогообложения все более стимулируют применение новаторских подходов и попытки решения этих задач. Вне всякого сомнения, в этом отношении уже достигнуты и продолжают достигаться значительные успехи, но достаточны ли они? На то, что система свободного рынка, действующая в условиях неограниченного роста, даже с учетом государственного вмешательства, поддержки или регулирования, сможет найти некое метастабильное равновесие между получением значительных прибылей и решением проблем экологической устойчивости, можно только надеяться. В конце концов, главная цель предпринимательства – не повышение эффективности, а извлечение прибыли.

Жизнь на нашей планете поддерживается путем преобразования энергии, получаемой непосредственно от Солнца, в энергию биологического метаболизма, которой живут организмы. Этот поразительный процесс успешно используется уже более двух миллиардов лет, а потому его с уверенностью можно считать «устойчивым», несмотря на непрерывную смену действующих лиц, представляющих все новые и новые формы жизни, возникающие в результате естественного отбора. Центральный фактор стабильного поддержания жизни заключается в том, что ее источник энергии, то есть Солнце, есть источник внешний, надежный и относительно постоянный. Солнце светит каждый день, и любые изменения в поставляемой им энергии происходят в течение достаточно долгих периодов, что позволяет жизни приспособиться к ним.

Это непрерывное, постоянно развивающееся, квазиустойчивое состояние начало очень медленно изменяться с момента открытия человеком огня, то есть химического процесса высвобождения солнечной энергии, накопленной в омертвевшей древесине. Это открытие в сочетании с изобретением сельского хозяйства положило начало переходу к антропоцену, в котором человек превратился из чисто биологического организма в существующее сегодня урбанизированное социально-экономическое существо, уже не находящееся в состоянии метаравновесия с «природным» миром. Но самый резкий, революционный отход от устойчивого традиционного состояния, существовавшего на протяжении почти трех миллиардов лет, произошел всего лишь за последние два столетия, когда открытие и эксплуатация солнечной энергии, накопленной в подземных запасах угля и нефти, возвестили начало урбаноцена. Ископаемое топливо казалось – и до сих пор кажется – подобным самому Солнцу, почти неисчерпаемым источником энергии, высвобождение которой стало отправной точкой промышленной революции.

С точки зрения науки подлинно революционной чертой промышленной революции был резкий переход от открытой системы, получающей энергию от внешнего источника, Солнца, к системе замкнутой, источник энергии которой (ископаемое топливо) находится внутри ее самой. Такое фундаментальное системное изменение имеет огромные термодинамические последствия, так как в замкнутой системе неизбежно действует Второе начало термодинамики, и, следовательно, происходит необратимое увеличение энтропии. Наш «прогресс» сопровождался переходом с внешнего, надежного и постоянного источника энергии на источник внутренний, ненадежный и переменный. Более того, поскольку теперь наш основной источник энергии является составной частью той самой системы, которую он поддерживает, поступление энергии попало в зависимость от постоянно изменяющихся внутренних рыночных сил.

Наши социально-экономические достижения, основанные на энергии ископаемого топлива, всего за двести лет превзошли все, что когда-либо удавалось совершить за столь короткое время естественному отбору, получающему питание непосредственно от Солнца. Но за то, что мы выпустили из бутылки джинна энергии ископаемого топлива, мы потенциально должны будем заплатить высокую цену, и нам следует либо смириться с этим, либо, если это возможно, загнать этого джинна обратно в бутылку.

В качестве примера последствий действия Второго начала термодинамики можно назвать повышение температуры атмосферы, вызванное выпуском энергии, накопленной под землей, на поверхность планеты. Оно еще более усиливается производством газов, например углекислого газа и метана, являющихся энтропийными побочными продуктами сжигания этого топлива: это порождает всем известный парниковый эффект, задерживающий тепло в атмосфере. Я не стану подробно рассматривать температурную зависимость интенсивности физических и химических процессов, но отмечу, что они масштабируются по экспоненциальному, а не степенному закону. Поэтому процессы, регулирующие погодные условия и жизненный цикл растений и животных, обладают экспоненциальной чувствительностью к малым изменениям температуры, при которой они протекают. Напомню, что повышение средней температуры всего на 2 °C дает увеличение их интенсивности на целых 20 %. Таким образом, малые изменения температуры окружающей среды, происходящие за достаточно короткие промежутки времени, недостаточные для развития процессов адаптации, могут вызывать огромные экологические и климатологические последствия. Некоторые из них даже могут быть позитивными, но многие не могут не быть катастрофическими. Однако даже независимо от знака этого эффекта нас ожидают значительные перемены, и нам жизненно важно понять их причины и следствия и разработать стратегии их смягчения и приспособления к ним.

Самый важный вопрос состоит даже не в том, порождены ли эти эффекты деятельностью человека, – так как в этом нет почти никаких сомнений, а в том, в какой степени их можно ослабить, не вызывая быстрых и резких изменений нашей физической и экономической среды и в конечном счете потенциального краха всей глобальной социально-экономической системы. Именно поэтому меня поражают те люди, в том числе и крупные политики и предприниматели, которые не обращают внимания на грозные предупреждения ученых, экологов и так далее; именно поэтому я никак не могу понять, почему они ничего не предпринимают. Да, все мы по праву можем гордиться и наслаждаться огромными успехами и прекрасными плодами свободного рынка и человеческой изобретательности, но нам также следует помнить о важной роли энергии и энтропии и принимать совместные стратегические меры к нахождению глобальных решений по преодолению их гибельного воздействия.

Несмотря на безусловно важнейшую роль, которую сыграла энергия в определении нашего нынешнего положения в истории Земли и в особенности в социально-экономическом развитии современного человеческого общества, в классических учебниках по экономике трудно найти хоть какое-нибудь упоминание о ней. Как это ни удивительно, концепции энергии и энтропии, метаболизма и допустимой нагрузки так и не смогли внедриться в традиционную экономическую науку. Продолжающийся в течение последних двухсот лет рост экономики, рынков и численности населения, сопровождающийся параллельным повышением уровня жизни, ожидаемо рассматривается в качестве свидетельства успеха классического экономического мышления и опровержения неомальтузианских идей. В серьезных размышлениях об энергии и ее роли двигателя экономического прогресса или роста численности населения, не говоря уже об энтропии и неизбежных последствиях ее увеличения, просто не было нужды. Не было нужды задумываться и о том, что ресурсы действительно могут оказаться ограниченными, а беспредельный рост может быть связан некими основополагающими физическими ограничениями. Не было – до сих пор.

Теория обходила эти вопросы, ссылаясь на почти волшебную роль, которую играли и, предположительно, будут и дальше играть в обеспечении жизнеспособности всей этой системы инновации и человеческая изобретательность, особенно поддерживаемые сравнительно свободной рыночной экономикой. Если для «объяснения» продолжающегося экспоненциального расширения Вселенной привлекают концепцию таинственной, почти неограниченной темной энергии, то прогноз продолжающегося расширения социально-экономической вселенной, преодолевающего все встречающиеся на его пути препятствия, основывают на образе почти бесконечного запаса инновационных идей.

Кроме того, как кажется, существует явно не высказываемое предположение о том, что идеи, из которых вырастают инновации, ничего не стоят – в конце концов, это «всего лишь» нейронные процессы, происходящие в мозгу того или иного человека, и совместными усилиями мы можем произвести в своих головах почти бесконечное число таких идей. Однако идеи и вдохновленные ими инновации, как и все остальное, требуют энергии, и немалой, для поддержки тех, кто о них думает, и для создания соответствующей стимулирующей обстановки и коллективного опыта, которым мы придаем организационные рамки в университетах, лабораториях, парламентах, кафе, концертных залах и аудиториях.

Самая суть этого процесса воплощена в концепции города и городской жизни. Эта идея была прекрасно выражена знаменитым антропологом Маргарет Мид, которая заметила: «Город как центр, в котором в любой день любого года может встретиться новый талант, острый ум или одаренный специалист, жизненно необходим стране». Действительно, города возникли и развились в качестве средства усиления и облегчения социальных взаимодействий, стимулирующего возникновение новых идей и инноваций. В города стягиваются люди умные и энергичные, и именно в них вызревают наши новые идеи, расцветает предпринимательство и создаются богатства. Поскольку поддержка всего этого – дело чрезвычайно дорогостоящее, было бы наивно считать, что идеи существуют независимо от энергии: на самом деле одно невозможно без другого. Лишь микроскопически малая часть триллионов мыслей, идей, предположений и предложений новых машин, товаров и теорий порождает нечто существенное. Огромное большинство их отбрасывается, хотя все вместе они вносят свой вклад в образование необходимого фона и общего миропонимания, из которого могут возникнуть и развиться новые, новаторские явления. И на все это уходит огромное количество энергии: ex nihilo nihil fit, то есть «из ничего ничего и не получится».

Для создания теории устойчивости необходимо понимание глобальной динамики как сложной адаптивной системы, состоящей из множества взаимосвязанных и взаимодействующих подсистем, которые сами являются сложными адаптивными системами и развиваются совместно, с учетом возможных энергетических, материальных и информационных ограничений. Нам нужно понять, как взаимосвязаны динамические свойства инноваций, технического прогресса, урбанизации, финансовых рынков, социальных сетей и численности населения, как их развивающееся взаимодействие порождает рост и общественные перемены, а также как все эти проявления достижений человечества совместно образуют всеобъемлющую системную структуру… и выяснить, насколько устойчивой может быть такая динамически развивающаяся система.

Доводы Мальтуса, Пола Эрлиха, членов Римского клуба и им подобных могут иметь свои недостатки, но их выводы и следствия из них вполне могут быть состоятельными. Во всяком случае, они оказали нам важную услугу, обозначив некоторые из важнейших экзистенциальных проблем, с которыми человечеству приходится сталкиваться по мере того, как мы почти вслепую вступаем в XXI в. Хотя демографическую бомбу и сдали в архив, вопросы устойчивых источников энергии и потенциально разрушительных последствий их использования вышли на повестку дня и стали сейчас предметом серьезного обсуждения.

С учетом того, какой огромный поток энергии неизменно поступает с Солнца на Землю каждый день, можно сказать, что энергетической проблемы вообще не существует. Чтобы составить себе представление о масштабах происходящего, достаточно учесть, что суммарное количество энергии, передаваемой Солнцем на Землю, составляет около миллиона триллионов (10^18) киловатт-часов в год, а наша «мизерная» (в этом масштабе) потребность, то есть энергия, которую мы совместными усилиями тратим в течение года, – всего лишь 150 триллионов (1,5 × 10^14) киловатт-часов. То есть наше энергопотребление – это лишь около 0,015 % доступной нам энергии, которую Земля получает от Солнца. Другими словами, в течение одного часа Солнце передает нам больше энергии, чем весь мир расходует за год. Более того, объемы солнечной энергии настолько велики, что всего за один год ее количество превышает приблизительно в два раза все, что когда-либо можно будет извлечь из всех невозобновляемых земных запасов угля, нефти, природного газа и урана, вместе взятых. Так что с этой точки зрения никакой энергетической проблемы не существует – по крайней мере, в принципе.

Соответственно, долговременная стратегия глобального энергообеспечения очевидна: нам нужно вернуться к биологической парадигме, в которой бо́льшая часть наших энергетических потребностей удовлетворяется непосредственно Солнцем, но сделать это таким образом, чтобы сохранить и расширить все то, чего мы уже достигли. Нам необходимо срочно разработать новые технологии, которые позволяет нам использовать то изобилие энергии, которое поступает от Солнца, в основном в виде прямого излучения, но также, опосредованно, в виде энергии ветров, приливов и волн. Это ли не прекрасная задача для нашей прославленной изобретательности и таланта к инновациям! Это ли не возможность для динамических и харизматических лидеров, политиков и бизнесменов проложить путь к будущему устойчивого глобального энергообеспечения, используя динамику предпринимательства, систему свободного рынка и поддержку государств. Учитывая историю замечательных изобретений, в число которых входят паровая турбина, телефон, портативный компьютер, интернет, квантовая механика и теория относительности, это должно быть проще простого. Однако один из наиболее загадочных аспектов XXI в. состоит в том, что именно те, кто особенно активно пропагандирует и прославляет инновации и рыночную экономику в качестве основ устойчивости, почему-то не спешат признать остроту этой проблемы и встать на защиту исследований и разработок, направленных на эксплуатацию практически бесконечных возможностей солнечной энергии.

Наблюдавшееся до самого последнего времени отсутствие прогресса в этой области тем более удивительно, что основные технологии использования солнечной энергии известны уже более ста лет. В 1897 г. американский инженер Фрэнк Шуман создал рабочий прототип устройства для использования энергии Солнца и продемонстрировал, что оно может приводить в действие небольшую паровую машину. В 1912 г. его система была наконец запатентована, а в 1913-м он построил в Египте первую в мире солнечную теплоэлектростанцию. Она генерировала всего около 50 кВт (около 65 лошадиных сил), но позволяла закачивать из Нила на окрестные хлопковые поля более 22 000 л воды в минуту. Шуман был пылким энтузиастом и пропагандистом солнечной энергии; в 1916 г. газета New York Times приводила следующие его слова:

Мы доказали коммерческую выгодность солнечной энергии… и, в частности, доказали, что после истощения наших запасов нефти и угля человечество сможет получать неограниченное количество энергии из солнечных лучей.

С учетом того, как давно было сделано это заявление, следует признать наблюдение Шумана чрезвычайно прозорливым, несмотря даже на то, что оно все еще не осуществилось. Открытие и разработка запасов дешевой нефти, начатые в 1930-х гг., помешали развитию солнечной энергетики, и взгляды и принципы конструкций Шумана были практически забыты вплоть до первых энергетических кризисов 1970-х. Однако внушает оптимизм тот факт, что сейчас уже разработаны технологические решения – например, в области солнечных элементов, – использование которых делает осуществление мечты Шумана вполне реальным, так как стоимость эксплуатации возобновляемых источников энергии позволяет им конкурировать с традиционной энергетикой, использующей ископаемое топливо.

Еще одно кардинальное различие между ископаемым топливом и солнечной энергией касается соответствующих фундаментальных физических механизмов выработки энергии. При сгорании ископаемого топлива высвобождается энергия химических связей, соединяющих атомы и молекулы угля, нефти или газа. Все молекулы, что бы они ни образовывали – наше тело, наш мозг, наш дом или наш компьютер, – удерживаются вместе электромагнитными силами, энергия которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ), отчего ее и удобно измерять в этих единицах. Электрон-вольт – это величина чрезвычайно малая в том масштабе, о котором мы говорим: 1 эВ составляет всего лишь около четырех сотых триллионной триллионной киловатт-часа (1 эВ = 4 × 10–26 кВ×ч), так что наше ежегодное энергопотребление, выраженное в этих единицах, приблизительно равно 4 × 10^39 эВ. По самым грубым оценкам, таково число молекул, которые распадаются каждый год для удовлетворения наших энергетических потребностей.

Вместе с тем Солнце, состоящее в основном из водорода и гелия, получает ядерную энергию, накопленную в связях, скрепляющих атомные ядра. При слиянии ядер водорода с образованием ядер гелия эта энергия высвобождается в виде излучения. Этот процесс называется термоядерным синтезом и представляет собой фундаментальный физический механизм, благодаря которому Солнце светит и снабжает нас световой и тепловой энергией, которая и привела к возникновению всей жизни на нашей планете. Он остается единственным источником энергии для всех форм жизни на Земле, за исключением человека, открывшего несколько тысяч лет назад энергию, содержащуюся в ископаемом топливе.

Характерный масштаб ядерной энергии приблизительно в миллион раз больше, чем энергии электромагнитных химических связей, высвобождаемой при сгорании ископаемого топлива: в ядерных процессах участвуют энергии порядка миллионов (МэВ), а не единиц электрон-вольт, как в химических реакциях между молекулами. Именно это огромное увеличение делает столь привлекательной идею использования ядерной энергии: одно и то же количество вещества позволяет получить из атомных ядер приблизительно в миллион раз больше энергии, чем из молекул. То есть для автомобиля, расходующего около 2000 л бензина в год, потребовалось бы всего несколько граммов ядерного топлива, которые могут уместиться в небольшую таблетку.

Перспектива получения «неограниченной» энергии от атомных электростанций, работающих на тех же физических принципах, что и Солнце, была совершенно фантастической. Когда она только возникла, сразу после Второй мировой войны, в головокружительную эпоху, наступившую после создания атомной бомбы, были распространены чрезвычайно оптимистические ожидания близкого будущего, в котором ядерная энергетика станет нашим основным источником энергии вместо ископаемого топлива. Я хорошо помню газетные статьи 1950-х гг., которые я читал подростком: они обещали, что к тому времени, как я вырасту и обзаведусь семьей, электричество станет настолько дешевым, что его счетчики больше не будут нужны. Типичными для эйфории того времени были, например, заявления основоположника ядерной химии и нобелевского лауреата Гленна Сиборга, бывшего тогда председателем американской Комиссии по атомной энергии. Он утверждал, что «у нас будет транспортное сообщение с Луной на ядерной тяге, искусственные сердца с ядерными источниками питания, бассейны для аквалангистов с плутониевым подогревом и многое, многое другое».

К сожалению, создание конкурентоспособных источников энергии на основе термоядерного синтеза оказалось задачей трудноразрешимой и необыкновенно сложной технически, несмотря на интенсивную работу в этом направлении, проводившуюся по всему миру. Вместо этого были успешно разработаны технологии ядерной энергетики, в которой получают энергию, высвобождаемую в результате распада тяжелых ядер (урана) на более легкие. Этот процесс аналогичен обычному химическому производству энергии из ископаемого топлива. С использованием ядерного распада производится сейчас около 10 % всей вырабатываемой в мире электроэнергии, и лидирующее положение в этом отношении занимает Франция, более 80 % электроэнергии которой поступает из ядерных реакторов.

Производство энергии в ядерном реакторе, как и в традиционной электростанции, работающей на ископаемом топливе, есть процесс внутренний относительно глобальной системы и, следовательно, оно связано с теми же проблемами производства энтропии и вредных побочных продуктов. Хотя атомная энергетика подобно солнечной не является значительным источником парниковых газов и, следовательно, не вызывает возможных изменений климата, ее побочные продукты могут быть чрезвычайно вредоносными в связи с гораздо более высоким (в миллион раз) масштабом энергии. Излучение, возникающее в ядерных реакциях, может быть разрушительным для молекул и, следовательно, для органических тканей и вызывать тяжелые нарушения здоровья, самыми известными из которых являются раковые заболевания. Наша атмосфера в значительной степени защищает нас от аналогичного излучения, поступающего от Солнца, но в случае реакторов, расположенных на Земле, оно создает серьезные проблемы. Кроме того, возникает проблема безопасного хранения и утилизации отходов ядерных реакций, которые остаются радиоактивными в течение тысячелетий.

Несмотря на огромные усилия, направленные на обеспечение безопасности ядерных реакторов, число уже произошедших аварий было достаточно большим, чтобы охладить энтузиазм в отношении их использования в качестве альтернативного ископаемому топливу источника энергии, хотя число непосредственных жертв этих аварий и остается небольшим. Резонанс, который получила случившаяся в 2011 г. катастрофа на японской атомной электростанции «Фукусима-1», привел к резкому сокращению нынешнего и предполагаемого в будущем применения атомной энергии во всем мире. Хотя ископаемое топливо стало причиной сотен тысяч, если не миллионов смертей и неисчислимых нарушений здоровья, его использование по-прежнему кажется многим более приемлемым, чем потенциальная опасность ядерных реакторов. Вопросы долгосрочной безопасности и количественные оценки последствий производства и потребления энергии с точки зрения увеличения энтропии составляют предмет чрезвычайно запутанных и неоднозначных социальных, политических, психологических и научных исследований. Сколько смертей вызывает производство электроэнергии непосредственно, а сколько – косвенно, какие именно связанные с ним нарушения здоровья считать опасными и какими могут быть их долгосрочные последствия? Как можно сравнивать разные технологии? Какие параметры следует для этого использовать?

Чтобы хотя бы приблизительно представить себе такие сравнения, примем во внимание следующие соображения. Мы на удивление терпимо относимся к смертям и разрушениям, вызываемым «не природными, техногенными» причинами, если они происходят постоянно и регулярно, но крайне резко реагируем на них в случае неожиданных, единичных происшествий, даже если число их жертв или объемы разрушений оказываются гораздо меньшими. Например, каждый год во всем мире более миллиона с четвертью человек гибнет в автомобильных авариях, что сравнимо с числом жертв рака легких, самого распространенного вида смерти от онкологических заболеваний. Тем не менее боязнь и беспокойство, касающиеся возможности смерти от рака, как кажется, значительно превышают опасения относительно гибели в автомобильной аварии, что видно по существенному несоответствию размеров тех ресурсов, которые мы выделяем на решение этих проблем. Интересно сравнить эти данные с числом людей, погибших непосредственно в результате аварий на атомных электростанциях. Даже в сумме за все время существования ядерной энергетики это число составляет менее ста человек, и большинство из них погибли при Чернобыльской аварии 1986 г. в СССР; на «Фукусиме» не погиб никто. Вместе с тем воздействие радиации, которым сопровождались такие аварии, особенно в Чернобыле, могло привести к многотысячным случаям возникновения раковых заболеваний, от которых они преждевременно умерли или еще умрут. Но даже это число, скорее всего, «уравновешивается» количеством людей, которых калечат или лишают трудоспособности автомобильные аварии: по имеющимся оценкам, оно составляет 50 миллионов человек в год.

Такие споры продолжаются без конца: мы пытаемся сравнивать несравнимое, надеясь, что правильно выбранные параметры помогут нам в этих непростых решениях и сравнениях. Так мы пытаемся составить глобальный портфель энергетических приоритетов, который будет играть решающую роль в определении развития человеческого общества на будущие десятилетия. Дело осложняют еще и непредсказуемые психологические факторы, например почти всеобщая влюбленность в автомобили и почти всеобщая боязнь крупных атомных аварий, которую трудно отделить от всеобщей боязни ядерного оружия. Я не пытаюсь привести здесь исчерпывающий обзор аргументов за и против каждого из вариантов производства энергии, а хочу лишь представить несколько простых примеров такой численной статистики, на которую нам следует опираться при обсуждении этих вопросов. Мы должны мыслить численно и разрабатывать научное понимание, необходимое для рассмотрения этих задач, чтобы именно на нем были основаны принимаемые политические решения.

Независимо от того, верим ли мы в способность человечества найти инновационное решение проблем производства ядерной энергии, будь то с использованием распада или синтеза, или создания дешевой и надежной солнечной энергетики, способной удовлетворить энергетические потребности 10 миллиардов человек, или же сокращения количества углерода, который мы выбрасываем в атмосферу, – перед нами все равно остается долгосрочная проблема производства энтропии. Одним из недостатков ядерной энергетики является то, что она, как и использование ископаемого топлива, не освобождает нас из плена парадигмы замкнутой системы, в то время как энергетика солнечная обладает тем принципиальным преимуществом, что потенциально может вернуть нас к подлинно устойчивой парадигме открытой системы.

Глава 6. Прелюдия к теории городов

1. Города и компании – это просто огромные организмы?

То, как успешно сетевая теория объясняет законы масштабирования и образует концептуальную основу для количественного рассмотрения самых разных вопросов в широком спектре отраслей биологии, естественно вызывает вопрос о том, нельзя ли распространить эту основу на другие сетевые системы, например, города и компании. На первый взгляд кажется, что у них много общего с организмами и экосистемами. В конце концов, они тоже метаболизируют энергетические и материальные ресурсы, производят отходы, растут, приспосабливаются и развиваются, заболевают и даже могут страдать от чего-то похожего на опухоли и новообразования. Кроме того, они стареют и, если мы говорим о компаниях, почти поголовно рано или поздно умирают. Правда, последнее относится лишь к чрезвычайно немногим из городов, и этой загадкой мы займемся позже.

Многие из нас не задумываясь используют такие выражения, как «метаболизм города», «экология рынка», «ДНК компании» и так далее, как будто бы города и компании – биологические существа. Еще Аристотель то и дело называл город (полис) «естественной», органической автономной сущностью. В более поздние времена возникло влиятельное архитектурное движение под названием «Метаболизм», прямо опирающееся на аналогию с идеей биологической регенерации, порождаемой метаболическими процессами. Представители этого движения считают архитектуру неотъемлемой частью городского планирования и развития, а также постоянно развивающимся процессом и утверждают, что здания с самого начала следует проектировать с учетом будущих изменений. Одним из основателей этого движения был известный японский архитектор Кендзо Танге, удостоенный в 1987 г. Притцкеровской премии, которую считают аналогом Нобелевской премии в архитектуре. Мне, однако, его проекты кажутся удивительно неорганичными: в них преобладают прямые углы, бетон и какая-то бездушность, а не искривленность и мягкость, свойственные живым организмам.

Органический образ городов часто встречается и в литературе. Самый яркий пример такого видения можно найти у Джека Керуака, одного из харизматических основоположников поэзии и прозы битников 1950-х, перу которого принадлежит следующий причудливый образ: «Париж женщина, а вот Лондон независимый мужчина, пыхающий в пабе трубкой»[104]. Но более всего экология и эволюционная биология внедрились, по крайней мере на уровне концепций и терминологии, если не подлинно научного понимания, в бизнес, особенно в Кремниевой долине. Модное выражение «деловая экосистема» стало стандартным обозначением своего рода дарвинистского принципа выживания наиболее приспособленных на рынке. Его запустил в оборот в 1993 г. Джеймс Мур, работавший тогда на юридическом факультете Гарварда, в статье под названием «Хищники и жертвы: Новая экология конкуренции», получившей в том году премию McKinsey[105]. В ней выстраивается довольно стандартная экологическая схема, в которой в эволюционной динамике естественного отбора роль животных играют отдельные компании. Подобно большей части традиционных исследований принципов действия компаний, эта работа дает чисто качественное описание и не обладает никакой количественной предсказательной силой. Ее главное достоинство состоит в том, что она подчеркивает роль общественных структур, необходимость системного мышления и неизбежность процессов инноваций, адаптации и эволюции.

Так следует ли считать все эти ссылки на биологические концепции и процессы всего лишь качественными метафорами, подобными вольному употреблению других научных терминов – например, «квантовый скачок» или «импульс», – для описания явлений, которые трудно выразить средствами повседневного языка, или же они действительно отражают нечто более глубокое и более существенное, подразумевая, что города и компании – это и в самом деле всего лишь сильно увеличенные организмы, следующие законам биологии и естественного отбора?

Образы городов, по часовой стрелке начиная сверху: сталь и бетон небоскребов Сан-Паулу в Бразилии; «органический» город Сана в Йемене; слияние города и сельской местности в Мельбурне, Австралия; расточительное расходование энергии в Сиэтле

Такого рода общие размышления занимали меня в 2001–2002 гг., когда я начал вести неформальные беседы с коллегами по Институту Санта-Фе, работавшими в социально-экономических дисциплинах. По счастливой случайности в это время в SFI проводил свой творческий отпуск Сандер ван дер Леу, весьма известный антрополог из Парижского университета, который впоследствии возглавил факультет устойчивости в Университете Аризоны; кроме того, в институте часто бывал Дэвид Лэйн, ранее бывший руководителем экономической программы SFI. Дэвид был известным статистиком, которого работа в SFI побудила переключиться на исследования экономики. Он возглавлял кафедру статистики в Университете Миннесоты, но потом перешел в Университет Модены в Италии и запустил там программу исследований инноваций, особенно в области промышленного производства, жизненно важного для Северной Италии. Название города Модены наверняка знакомо вам по его превосходному бальзамическому уксусу, не говоря уже о том, что именно там выпускаются автомобили «феррари», «ламборгини» и «мазерати». Когда я впервые приехал в Модену, Дэвид познакомил меня с местным уксусом, замечательным эликсиром, который не следует путать с гораздо менее яркой разновидностью, которую многие из нас добавляют теперь в салаты. Однако стоил он гораздо дороже, чем некоторые из самых дорогих вин, какие я когда-либо покупал.

Несмотря на мой скепсис, Дэвид и Сандер убедили меня в целесообразности попыток переноса сетевой теории масштабирования с биологии на социальные организации. Они стали основной движущей силой разработки широкой программы, охватывающей интересующие всех нас вопросы, от инноваций и передачи информации в древних и современных обществах до понимания структуры и динамики городов и компаний, причем все эти проблемы должны были рассматриваться с точки зрения сложности. Эта программа, названная «Информационное общество как сложная система» (Information Society as a Complex System, ISCOM), получила щедрую финансовую поддержку Европейского союза. Вскоре к нашей работе присоединилась Дениз Пюман, известный специалист по урбанистической географии из парижской Сорбонны, и каждый из нас принял на себя руководство одной из четырех частей проекта. Я собрал в SFI новую междисциплинарную рабочую группу, основной целью которой было рассмотрение вопроса о том, проявляется ли у городов и компаний масштабирование, и, если это так, разработка основанной на численных принципах теории их структуры и динамики.

Как часто бывает в жизни, полезно вспомнить задним числом, когда все уже закончилось, что именно предполагалось сделать вначале. Например, просматривая список участников одного из наших первых семинаров, я вижу, что лишь очень немногие из них продолжили эту работу. Это вполне нормально для таких программ, которые предполагают рассмотрение новых вопросов, выходящих за рамки отдельных дисциплин. Самые разные люди, специалисты в самых разных областях, имеющие глубокие знания и опыт, которые могут оказаться полезны для этой программы, приглашаются вначале к участию в работе в надежде на кумулятивный эффект, на фейерверк идей, на возникновение ощущения достойной и увлекательной новой задачи. Однако многие находят, несмотря на увлекательность сложной интеллектуальной работы и возможные результаты предлагаемого проекта, что это все-таки не стоит тех затрат времени и изменений их собственной исследовательской работы, каких требует полноценное участие. Другие в конце концов приходят к выводу, что данные исследования не так уж их и интересуют, или же считают маловероятным, что они дадут какой-либо существенный результат. Однако мало-помалу, в результате распространения слухов, удачных знакомств и связей, а также постепенного дрейфа людей как в одну, так и в другую сторону, формируется группа исследователей, члены которой, по существу, и выполняют в течение последующих лет работу, необходимую для осуществления проекта. Именно так образовывалась группа, занимавшаяся вопросами масштабирования и социальной организации в проекте ISCOM[106].

Хотя охват и акценты исходной идеи проекта по ходу работы и расширились, ее суть за все эти годы практически не изменилась. Основополагающая идея была изначально сформулирована следующим образом: «В связи с очевидными аналогиями с системами социальных сетей, например корпоративных или городских, исследование возможности распространения на социальные организации тех же методов анализа, которые используются для изучения биологических сетевых систем, представляется и естественным, и необходимым». При этом особый упор был сделан на предположение о том, что «в социальных организациях потоки информации играют не менее важную роль, чем потоки материалов, энергии и других ресурсов». Было задано множество вопросов, в том числе: «Что такое социальная организация? Каковы применимые законы масштабирования? Каким условиям должна удовлетворять архитектура структур, обеспечивающих распределение социальных потоков информации, материи и энергии? В частности, идет ли речь лишь о физических ограничениях, или же могут существовать социальные и когнитивные ограничения, которые также необходимо учитывать?»

На первый взгляд, Нью-Йорк, Лос-Анджелес и Даллас выглядят и ощущаются совершенно по-разному; то же можно сказать о Токио, Осаке и Киото или о Париже, Лионе и Марселе. Однако различия между ними малы по сравнению с очевидными различиями между китами, лошадьми и обезьянами, которые, как было показано выше, на самом деле можно считать масштабными вариантами друг друга, подчиняющимися простым степенным отношениям масштабирования. Такая скрытая регулярность есть проявление физических и математических свойств лежащих в их основе сетей, обеспечивающих в их организмах передачу энергетических и материальных ресурсов. Жизнедеятельность городов также поддерживают похожие сетевые системы, например автомобильных и железных дорог или электропередачи, обеспечивающие транспортировку людей, энергии и материальных ресурсов, – таким образом, проходящие по ним потоки являются проявлением метаболизма города. Эти потоки обеспечивают физическое жизнеобеспечение всех городов, и, как и в случае организмов, их структура и динамическое поведение развиваются под воздействием непрерывной обратной связи, присущей процессу отбора, направленному на приблизительную оптимизацию с точки зрения уменьшения материальных и временных затрат. О каком бы городе ни шла речь, большинство его жителей в среднем стремится как можно быстрее и дешевле добираться из точки А в точку В, а большинство компаний стремится подобным же образом оптимизировать свои системы снабжения и поставок. Поэтому можно предположить, что, несмотря на внешние различия, города также могут быть масштабированными вариантами друг друга в том же смысле, что и млекопитающие.

Однако города – это нечто гораздо большее, чем их физические составляющие, здания и структуры, соединенные и обслуживаемые различными транспортными системами. Хотя мы склонны представлять себе города в физических образах – прекрасные бульвары Парижа, лондонская подземка, небоскребы Нью-Йорка, храмы Киото и так далее, – суть городов далеко не ограничивается их физической инфраструктурой. На самом деле города образуют люди: именно от них исходит жизненная энергия города, его душа, его дух, все те трудноуловимые особенности, которые мы подсознательно ощущаем, когда участвуем в жизни успешного города. Это утверждение может показаться тривиальным, но те, кто думает о городах, – планировщики, архитекторы, экономисты, политики и идеологи – в первую очередь сосредоточивают свое внимание на их физических элементах, а не на живущих в них людях и особенностях их взаимодействия. Слишком часто забывается, что назначение города – сближение людей и облегчение взаимодействий между ними, в результате которых возникают идеи и богатство, стимуляция творческого мышления, предпринимательства и культурной деятельности, использование тех необычайных возможностей, которые предлагает разнообразие городской жизни. Мы открыли эту волшебную формулу 10 тысяч лет назад, когда, сами того не зная, начали процесс урбанизации. Его непредвиденными последствиями стал экспоненциальный рост численности населения, сопровождающийся – в среднем – и повышением уровня жизни этого населения.

Дорожные сети Лос-Анджелеса и сеть нью-йоркского метрополитена; не показаны другие инфраструктурные сети – например, водо-, газо- и электроснабжения

Уильям Шекспир понимал наши фундаментально симбиотические отношения с городами – как и почти все другие аспекты психосоциального мира человека. Один из персонажей его довольно мрачной политической драмы «Кориолан», римский народный трибун по имени Сициний, риторически восклицает: «А что такое город? Наш народ», – на что граждане города (плебеи) отвечают с чувством: «Он дело говорит: народ есть город»[107]. На мой взгляд, это означает, что города представляют собой эмерджентные сложные адаптивные социально-сетевые системы, возникающие в результате непрерывного взаимодействия их обитателей, которое усиливают и стимулируют механизмы обратной связи, создаваемые городской жизнью.

2. Святая Джейн и драконы

С рассмотрением городов через призму коллективной жизни их обитателей больше всех ассоциируется знаменитая писательница – теоретик урбанизма Джейн Джекобс. Ее основополагающая книга «Смерть и жизнь больших американских городов» оказала огромное влияние на представление о городах и решение задач «городского планирования» во всем мире[108]. Ее совершенно необходимо прочесть всем, кто интересуется городами, будь то студент, профессионал или простой горожанин, ищущий знаний. Я подозреваю, что у всех мэров всех городов мира есть на книжной полке по экземпляру книги Джейн и все они прочитали по меньшей мере какую-то ее часть. Это замечательная книга, чрезвычайно провокационная и глубокомысленная, в высшей степени спорная и субъективная, очень интересная и хорошо написанная. Хотя она была опубликована в 1961 г. и подчеркнуто ограничивалась рассмотрением лишь крупных американских городов той эпохи, ее выводы оказались гораздо более универсальными. В некоторых отношениях они, возможно, даже более справедливы сейчас, чем в то время, особенно за пределами Соединенных Штатов, поскольку развитие многих городов последовало, с теми или иными вариациями, траектории американского урбанизма с его господством автомобилей и связанными с ними проблемами, торговыми центрами, ростом жилых пригородов и вызванной им потерей общности.

Как ни странно, у Джейн не было ни пышных ученых степеней, ни даже высшего образования; не занималась она и исследовательской работой в традиционном смысле этого слова. Ее труды больше похожи на журналистские расследования, основанные в первую очередь на рассказах людей, личном опыте и глубоком интуитивном понимании того, что такое города, как они работают и как они «должны» работать. Несмотря на то что ее книга подчеркнуто сосредоточена на «больших американских городах», создается впечатление, что бо́льшая часть ее анализа и комментариев основана на ее личных впечатлениях от одного города, Нью-Йорка. Она терпеть не могла градостроителей и политиков и яростно нападала на традиционное городское планирование, особенно в связи с его кажущейся неспособностью придавать главное значение не зданиям и дорогам, а людям. Следующие известные цитаты из ее трудов дают хорошее представление о ее критической точке зрения:

Градостроительная псевдонаука почти невротична в том упорстве, с которым она воспроизводит эмпирические неудачи и игнорирует эмпирический успех.

Таким образом, полагаясь на карты как своего рода высшую реальность, проектировщики и градостроители считают, что, чтобы создать прогулочную зону, нужно просто нанести ее на карту там, где им этого хочется, а потом построить ее на этом месте. Но для прогулочной зоны нужно, чтобы там кто-то прогуливался.

Город нельзя подчинить какой бы то ни было внешней логике; его образуют люди, и именно к ним, а не к зданиям нужно приспосабливать наши планы. ‹…› Мы видим, что́ людям нравится.

Его целью было создание самодостаточных малых городов – городов действительно очень приятных, если только вы человек послушный, не имеете собственных планов и согласны прожить жизнь среди людей, также не имеющих собственных планов. Как и во всех утопиях, право иметь свои сколько-нибудь серьезные планы оставляют за собой те, кто возглавляет проект.

«Его» в последней цитате относится к сэру Эбенезеру Говарду, автору концепции «города-сада». Она оказывала большое влияние на городское планирование в течение всего ХХ в., служа идеализированной моделью для городов-спутников мегаполисов по всему миру. Говард был вдохновенным утопистом, на которого произвели большое впечатление нищета и эксплуатация британского рабочего класса XIX в. В видении Говарда город-сад должен был быть распланированным населенным пунктом с раздельными зонами для жизни (жилья), фабрик (промышленности) и природы (сельского хозяйства) определенных пропорций, которые он считал идеальными для максимального использования лучших черт городской и сельской жизни. Никаких трущоб, никакого загрязнения окружающей среды, изобилие свежего воздуха и пространства для привольной, полноценной жизни. Такая интеграция города и деревни стала бы шагом к новому цивилизованному обществу, своего рода причудливым союзом либертарианства и социализма. Города-сады должны были быть в основном независимыми и существовать под коллективным управлением своих жителей, экономически заинтересованных в них, хотя и не владеющих их землей.

В отличие от большинства утопических мечтаний, идеи Говарда оказались весьма близки как либеральным мыслителям, так и прагматичным инвесторам. Ему удалось создать компанию, которая привлекла достаточное количество частных инвестиций для постройки на пустующих землях к северу от Лондона двух таких городов – Лечворта (1899), в котором живет сейчас 33 тысячи человек, и Велвина (1919), население которого составляет сейчас 43 тысячи. Однако для осуществления его мечты в реальном мире потребовалось отбросить или серьезно изменить многие из его идеалов, в том числе то самое жестко структурированное иерархическое планирование, против которого столь резко выступала Джейн Джекобс. Тем не менее его основополагающая философия распланированного «городского и сельского» населенного пункта сохранилась по сей день и оставила свой след не только в многочисленных вариантах городов-садов, возникших за это время по всему миру, но и в концепциях проектирования почти всех городов-спутников почти всех мегаполисов. Интересный крупномасштабный пример подобного влияния можно найти в Сингапуре. Хотя этот город превратился в крупнейший финансовый центр с населением более пяти миллионов человек, в котором продолжают возводить все те же претенциозные небоскребы из стали и стекла, его по-прежнему спасает сохранение идеала крупномасштабного города-сада. Это связано в первую очередь с предусмотрительностью руководителя этой страны, ныне покойного авторитарного мечтателя Ли Куан Ю, который еще в 1967 г. потребовал, чтобы, несмотря на хроническую нехватку земли, Сингапур развивался как «город в саду», в котором было бы изобилие растительности, открытые зеленые пространства и ощущение буйства тропической природы. Возможно, Сингапур – не самый захватывающий город в мире, но в нем очень хорошо ощущается эта «зеленая атмосфера».

Как ни странно, в проектах городов-садов, созданных Говардом, нет ничего органического. Их конфигурация и организация сводятся к простейшей евклидовой геометрии; из искривленных линий в них можно найти только правильные окружности, соединенные правильными же прямыми. Они не имеют ничего общего с кажущимся сумбуром и беспорядком городов, поселков и деревень, развившихся органически. В идеале города-сада Эбенезера Говарда – пример его проекта приведен на с. 286 – нет места никаким фрактальным линиям, поверхностям или сетям а-ля Мандельброт. Такое отдаление от органической геометрии стало фирменным знаком модернистского движения ХХ в., как в архитектуре, так и в градостроительстве. Возможно, самым ярким его представителем был чрезвычайно влиятельный франко-швейцарский архитектор и теоретик городского планирования Шарль Эдуар Жаннере-Гри, всемирно известный под именем Ле Корбюзье, философию которого часто сводят к принципу «форма следует функции». Кстати, и псевдоним, образованный из девичьей фамилии своей матери, он взял отчасти для того, чтобы продемонстрировать, что любой человек может заново открыть себя.

Слева вверху: пример планов города-сада Эбенезера Говарда. Справа вверху: новый город Масдар в эмирате Абу-Даби Слева в середине и внизу: проект нового города Ле Корбюзье

Как и на Эбенезера Говарда, на Ле Корбюзье оказали большое влияние ужасающие условия жизни в городских трущобах, и он искал путей действенного облегчения участи городской бедноты. Именно на этом стремлении было основано его дерзкое предложение снести бо́льшую часть центра Парижа (и, к слову, Стокгольма) и застроить его множеством небоскребов из тяжелого бетона, стекла и стали, которые перемежались бы с железнодорожными линиями, автомагистралями и даже аэропортами. Это был проект весьма спартанский и даже несколько зловещий, вполне в духе правого сдвига политической идеологи архитектора, происходившего в бурные тридцатые годы. Отражается это и в его формулировках – «зачистка» города, развитие «спокойной и мощной архитектуры» и тому подобное, – а также в том, как он настаивает на проектировании зданий без каких бы то ни было украшений. Слава богу, этим грандиозным планам не суждено было осуществиться, и мы по-прежнему можем наслаждаться самыми декадентскими архитектурными излишествами центров Парижа и Стокгольма.

Ле Корбюзье оказал огромное влияние на архитекторов и градостроителей всего мира, о чем свидетельствует преобладание жестких конструкций из стали и бетона в центральных районах всех наших крупных городов. Если градостроительная философия Говарда оставила неизгладимый след на жизни городов-сателлитов, то идеи Корбюзье стали столь же неотъемлемой частью ландшафта городского центра. Это особенно хорошо видно в проектах недавно построенных столиц, таких как Канберра, Чандигарх или Бразилиа. Особенного внимания заслуживает случай города Бразилиа, общественные здания которого проектировал Оскар Нимейер, на которого Ле Корбюзье оказал большое влияние. Однако восхищение Нимейера этим архитектором не было безграничным; он заявлял:

Меня не привлекают прямые углы и прямые линии, жесткие и несгибаемые, созданные человеком. Меня привлекают свободно текущие, чувственные кривые. Кривые, которые я вижу в горах своей страны, в извивах ее рек, в волнах океана, в формах любимой женщины. Кривые образуют всю Вселенную, искривленную Вселенную Эйнштейна.

Кстати, к этому перечню вполне можно было бы добавить Мандельброта и фракталы. Увы, несмотря на столь восхитительные заявления, Бразилиа стал символом того, каким не должен быть город. Его часто называют «бетонными джунглями», жесткими и бездушными, несмотря даже на наличие в нем множества открытых зеленых пространств и парков, созданных под влиянием идей все того же Эбенезера Говарда. Посетив Бразилиа вскоре после его торжественного открытия в 1960 г., французская авангардистская писательница и философ Симона де Бовуар, подобно Джейн Джекобс, задавалась следующими риторическими вопросами:

Кому может быть интересно гулять в нем? ‹…› Улица, это место встречи… прохожих, домов и магазинов, машин и пешеходов… не существует и никогда не будет существовать в Бразилиа.

Сейчас, пятьдесят лет спустя, этот город, насчитывающий теперь более двух с половиной миллионов жителей, начинает освобождаться от оков исходного плана и постепенно становится более органическим, образуя те самые «места встреч», присущие среде, более пригодной для жизни человека. Однако в 1989 г., всего через два года после того, как Кендзо Танге получил Притцкеровскую премию, она была присуждена Оскару Нимейеру. Еще один, более поздний притцкеровский лауреат, Норман Фостер, также предпринял попытку проектирования города с нуля, на этот раз в суровых условиях пустынной зоны Персидского залива. Речь идет о широко разрекламированном проекте – городе Масдаре в эмирате Абу-Даби, который должен стать образцом экологически устойчивого, энергосберегающего, удобного для человека высокотехнологичного поселения, использующего изобилующую в тех местах солнечную энергию на основе поразительных достижений информационных технологий. Этот дерзкий, захватывающий проект не лишен, однако, некоторых странностей. Предполагается, что город, в котором к 2025 г. должно насчитываться около пятидесяти тысяч жителей, будет стоить порядка 20 миллиардов долларов. Его основной индустрией должны стать исследования в области высоких технологий и экологическое производство, причем ожидается, что еще 60 тысяч человек будут ездить в него на работу из самого Абу-Даби. Возможно, самая странная черта Масдара заключается в том, что его проектные очертания сделаны максимально неорганическими и неинтересными: границы города образуют точный квадрат. Вот именно, город-квадрат[109].

Трудно не увидеть в Масдаре не живой, многогранный, самостоятельный город, а, по сути дела, увеличенный пригородный технопарк с частным жильем. Во многих отношениях его идеология является следствием концепции города-сада Эбенезера Говарда, привнесенной в культуру высоких технологий XXI в., – за исключением того, что спроектирован он не для рабочей бедноты, а для привилегированного класса. Николай Урусофф, работавший с 2004 по 2011 г. архитектурным критиком газеты New York Times, заявил, что Масдар – это квинтэссенция идеи огороженного коттеджного поселка: «кристаллизация еще одного глобального явления, все более четкого разделения мира на изысканные, дорогостоящие анклавы и огромные, бесформенные гетто, в которых такие вопросы, как экологическая устойчивость, мало кого занимают». Пока что рано судить, станет ли Масдар настоящим городом или останется всего лишь грандиозным, роскошным «коттеджным поселком» посреди Аравийской пустыни.

Противоречия между формой и функцией, между городом и деревней, между органическим эволюционным развитием и скупостью лишенного украшений железобетона, а также между сложностью фрактальных кривых и поверхностей и простотой евклидовой геометрии остаются предметом продолжающихся дискуссий, не имеющих простых решений и не дающих очевидных ответов. Многие из современных архитекторов изучали различные аспекты этих продолжающихся противоречий, боролись или экспериментировали с ними. Сравнить хотя бы заявление Нимейера, в котором он отвергает «жесткое и несгибаемое» и приветствует «свободно текущие, чувственные кривые», с реальным воплощением некоторых из его бездушных бетонных зданий. Вспомнить хотя бы об органическом изяществе терминала авиакомпании TWA, который построил в нью-йоркском аэропорту имени Кеннеди Ээро Сааринен, или причудливый концертный зал, созданный в Лос-Анджелесе Фрэнком Гери, и его же волшебный музей в испанском городе Бильбао, или великолепное здание Сиднейской оперы, созданное Йорном Утзоном, или даже тот возвышающийся над Лондоном странный фаллический символ, прозванный «Огурцом», – его придумал тот же самый Фостер, который строит сейчас в пустыне свой квадратный город. На противоположном от идей Ле Корбюзье и его учеников конце этого дискуссионного спектра находится россыпь таких замечательных архитекторов, как Антонио Гауди в Испании или Брюс Гофф в США. Эти двое, по-видимому, ничем не ограничивали полет своего воображения и охотно воплощали самые фантастические органические сооружения, свидетельством чему служат главный шедевр Гауди, потрясающий храм Святого Семейства (Саграда Фамилиа) в Барселоне, или построенный Гоффом дом семьи Бавинджер в городе Норман, штат Оклахома: источником вдохновения его проекта стала знаменитая последовательность чисел Фибоначчи, проявляющаяся в строении раковины наутилуса, цветка подсолнечника и спиральных галактик.

Все эти примеры относятся к новаторским проектам отдельных зданий, но они не имеют никаких аналогов в проектах целых городов или городского развития, если не считать вариаций на тему города-сада. Однако в 1980-х гг. возникло так называемое движение Нового урбанизма, бывшее попыткой сопротивления некоторым из проблем, порожденных обществом, в котором господствуют автомобили, сталь и бетон, где люди отчуждаются друг от друга, а долгие переезды между домом и работой становятся нормой. Это движение выступало за возврат, как архитектурный, так и социальный и коммерческий, к многогранным районам смешанного назначения с особым акцентом на проектирование структур общественного пользования, благоприятных для пешеходов и общественного транспорта. Его идеи во многом были вдохновлены критическими работами великих урбанистов Льюиса Мамфорда и Джейн Джекобс, напоминавших нам, что города – это не только инфраструктура, обслуживающая автомобили, и корпоративные высотки из стали и бетона, но прежде всего люди.

Джейн Джекобс приобрела громкую известность в 1950-х и 1960-х гг. в связи со своей борьбой против планов прокладки через нью-йоркский район Гринвич-Виллидж, в котором она жила в то время, четырехполосного шоссе автострадного типа. Дело было в самый разгар эпохи «городской реновации» и «расчистки трущоб», когда в центральных районах городов возводились малопривлекательные высотные многоквартирные дома и прокладывались многополосные автострады, сооружаемые практически без учета существующей городской структуры и человеческих ощущений. Вдохновителем всей этой деятельности в Нью-Йорке был Роберт Мозес, могущественный организатор, который занимался преобразованием и омоложением городской инфраструктуры в течение почти сорока лет. Хотя он сделал немало полезного для Нью-Йорка, в том числе построил мосты и автострады, соединившие Манхэттен с другими частями города, его достижения доставались ценой уничтожения многих старых районов.

Важным элементом проекта Мозеса было строительство Автострады Нижнего Манхэттена (Lower Manhattan Expressway), которая должна была пройти прямо через районы Гринвич-Виллидж, Вашингтон-Сквер и Сохо[110]. Джейн Джекобс возглавила борьбу против такого беспрецедентного захвата земли, утверждая, что этот проект уничтожит существенные черты города. Долгая и ожесточенная борьба закончилась ее победой. В течение этого времени ее активно поливали грязью, причем не только политики и застройщики, но и многие градостроители и архитекторы, в том числе Льюис Мамфорд, который считал ее безответственным сентиментальным реакционером, стоящим на пути прогресса и будущего коммерческого процветания Нью-Йорка. В лучших традициях школы Ле Корбюзье, проект Мозеса также предполагал снос множества кварталов города и строительство на их месте роскошных высоток. Хотя во многих других районах города эти планы были осуществлены, в Гринвич-Виллидж им не суждено было сбыться. Тем не менее они привели к созданию района Вашингтон-Сквер-Виллидж, застроенного Нью-Йоркским университетом (NYU), в котором впоследствии стали селить преподавателей университета. Я сам имел удовольствие жить там несколько раз, во время длительных командировок в NYU. Мне там очень понравилось – не то чтобы мне так уж нравилось жить в стандартной современной многоквартирной высотке, но зато прямо за дверью начиналась восхитительно интересная жизнь Гринвич-Виллидж, Сохо и Маленькой Италии. Эти районы населяют все те безумцы, благодаря которым и возникает вся та суета, все те художественные галереи, рестораны и всевозможные культурные проекты, которые делают Нью-Йорк таким великим городом. И все это Мозес мог бы, хотя и ненамеренно, уничтожить, если бы не святая заступница Джейн. И Нью-Йорк, и все мы должны быть вечно благодарны ей за это.

От подобных программ городской реновации и расчистки трущоб, хотя они всегда проводились с самыми лучшими намерениями и часто по вполне основательным причинам, пострадали многие крупные города по всему миру. Слишком часто не принималось в расчет чувство общности, не говоря уже об участи переселяемых, что приводило к бесчисленным непредвиденным последствиям. Слишком во многих случаях прокладка лишенных съездов автострад приводила к разбиению исторических районов на изолированные островки, в буквальном смысле слова отрезанные от основных магистралей города. В сочетании с возведением безликих высотных жилых комплексов эти островки часто превращались в рассадники отчуждения и преступности. Лучшим доказательством справедливости призывов Джейн Джекобс стало то, что огромные автострады, проложенные пятьдесят лет назад через центры крупных американских городов, например Бостона, Сиэтла или Сан-Франциско, сейчас сносят. Восстановить старые районы и возродить общественные структуры, складывавшиеся многими десятилетиями, не так-то просто, но города обладают большой жизнестойкостью и способностью к адаптации, и в них, несомненно, разовьется что-нибудь новое и неожиданное.

В качестве примечания к этому эпизоду истории урбанизма можно отметить следующее поучительное обстоятельство: в состав долгосрочных стратегических планов развития NYU входит проект перестройки района Вашингтон-Сквер-Виллидж со сносом тех самых многоквартирных высоток и восстановлением изначальной структуры района. Plus ça change, plus c’est la même chose[111].

В интервью 2001 г.[112] Джейн Джекобс спросили:

Как вы думаете, как вас больше всего будут вспоминать? Именно вы встали на пути государственных бульдозеров и городской реновации и заявили, что они уничтожают источник жизненной силы этих городов. Это и останется в истории?

Она ответила:

Нет. Если обо мне и будут вспоминать как об одном из заметных мыслителей своего века, то самым важным моим делом следует считать изучение причин расширения экономики. Этот вопрос всегда ставил людей в тупик. Мне кажется, что я поняла, в чем заключаются эти причины.

Увы, она ошибалась. Ее больше всего вспоминают именно в связи с ее борьбой за сохранение Нижнего Манхэттена, а также с ее идеями о природе и функционировании городов, в том числе пониманием жизненно важной роли многообразия и общественных связей в образовании живой социально-экономической экологии города. В последние годы ее роль «одного из заметных мыслителей своего века» наконец признается не только специалистами по городскому планированию, но и в более широких кругах знатоков и интеллектуалов. К сожалению, именно с теми ее достижениями в области экономики, которыми она хотела запомниться, дело обстоит гораздо хуже: они почти не получили признания. Она написала несколько книг по экономике городов и экономике в целом, в которых в основном рассматривала вопросы роста и возникновения новых технологий.

Одним из лейтмотивов ее работ является мысль о том, что с макроэкономической точки зрения в роли основного двигателя экономического развития выступают не национальные государства, как обычно считает большинство экономистов классической школы, а города. В то время эта идея казалась радикальной и осталась практически не замеченной экономистами, тем более что Джейн формально не принадлежала к их клану. Разумеется, экономика страны тесно связана с экономической деятельностью городов, но, как и во всякой сложной адаптивной системе, целое оказывается бо́льшим, чем простая сумма его составляющих.

Почти пятьдесят лет спустя после того, как Джейн сформулировала свои гипотезы о первичной роли городов в национальной экономике, многие из тех, кто изучает города с самых разных точек зрения, приходят к тем или иным вариантам тех же выводов. Мы живем в эпоху урбаноцена, и в мировом масштабе оказывается, что судьбу планеты определяет судьба городов. Джейн осознала эту истину более пятидесяти лет назад, и лишь теперь некоторые специалисты начинают признавать ее необычайную прозорливость. Эту тему разрабатывают многие авторы, в том числе специалисты по городской экономике Эдвард Глейзер и Ричард Флорида, но решительнее и смелее всех выступал Бенджамин Барбер, опубликовавший книгу под провокационным названием «Если бы миром управляли мэры: Упадок государств и подъем городов»[113]. Это говорит о растущем понимании того, что все самое важное происходит именно в городах, в которых проблемы приходится решать немедленно и в которых, по-видимому, работают системы управления – по меньшей мере по сравнению со все большей неработоспособностью национальных государств.

3. Отступление: личные впечатления от города-сада и нового города

После Второй мировой войны, причинившей огромные разрушения и уничтожившей миллионы домов, лейбористское правительство Великобритании оказалось перед лицом гигантского жилищного кризиса. Поскольку поврежденные дома по большей части находились в рабочих районах, это существенно ускорило уже шедшие процессы «развития городов» и «расчистки трущоб», стоявшие на повестке дня еще до войны: идея города-сада Эбенезера Говарда была классическим примером идеологии именно такой программы. Однако к 1950–1960-м гг. предпочтительная модель нового жилья отошла от традиционной британской идеи отдельного дома для каждой семьи в сторону более экономичного строительства многоэтажных многоквартирных комплексов. Эти дома не пользовались безусловным успехом и породили многие из тех проблем, о которых мы говорили выше. Не далее как в 2007 г. Уилл Хаттон, оксфордский политический экономист и бывший главный редактор газеты Observer, отмечал:

По правде говоря, социальное жилье – это могила для живых. Отказаться от жилья нельзя, так как есть опасность никогда не получить другого, но остаться в нем значит оказаться узником гетто, как географического, так и духовного. ‹…› Социальные жилые комплексы должны быть менее отрезаны от остальных элементов экономики и общества.

В рамках этой послевоенной жилищной программы британское правительство запустило проект создания целой серии «новых городов», в которые должны были переехать жители разбомбленных бедных городских районов. Их проект вдохновлялся тогдашним пониманием идеи города-сада и предполагал новую жизнь для рабочего класса с жильем в сельской местности и работой на заводах, расположенных в отдельных анклавах. Первым из таких поселений стал город Стивенидж, выбранный в 1946 г. в качестве места сооружения «нового города», в котором я прожил почти год, в 1957–1958 гг. Поэтому у меня есть некоторое личное представление о том, на что похожа жизнь в городе-саде.

К великому своему удивлению, я был принят в колледж Гонвилл-энд-Киз Кембриджского университета и должен был учиться там с начала учебного года, осенью 1958 г. Поэтому к концу 1957 г. я поспешно отчислился из своей школы в лондонском Ист-Энде и устроился на временную работу в исследовательскую лабораторию компании International Computers Limited (ICL), также известной под названием British Tabulating Machine Company, находившуюся в Стивенидже.

Как это бывает с любым подростком, впервые оторвавшимся от родительского дома, этот опыт значительно повлиял на меня и многому научил. Из множества новых идей, открывшихся передо мною в это время, можно выделить три, имеющие отношение к нашей теме. Первая – и наиболее очевидная – из них состоит в том, что работа в области исследований и инноваций, допускающая и даже поощряющая свободу мыслей и действий, несравнимо лучше, чем монотонный труд на пивоварне, сводящийся к бездумной загрузке в машину пивных бутылок.

Кроме того, оказалось, что Джейн Джекобс – никогда, как я подозреваю, не бывавшая ни в одном городе-саде, несмотря на все свои обличительные замечания о них, – была права. О том, кто такая Джейн Джекобс, я узнал лишь много лет спустя, но и тогда я быстро понял, что по сравнению с жизнью в несколько обветшалом викторианском таунхаусе в Северо-Восточном Лондоне, населенном небогатыми представителями среднего класса, Стивенидж казался модным сельским курортом. И это-то и было плохо. В точном соответствии с описанием, которое предложила несколькими годами раньше Джекобс, это был «город действительно очень приятный, если только вы человек послушный, не имеете собственных планов и согласны прожить жизнь среди людей, также не имеющих собственных планов». Несмотря на всю резкость этого определения, оно точно отражает ту атмосферу скуки, монотонности, изолированности и доброжелательной «любезности», скрывающей и подавляющей тайные страсти, которая стала впоследствии ассоциироваться с пригородными поселками. Не то чтобы лондонские районы Хакни или Ист-Энд были вершинами городского блаженства; кстати говоря, несмотря на все декларации Джейн, не были ими и Гринвич-Виллидж, Маленькая Италия или Бронкс. Хотя сейчас вошла в моду некоторая романтическая ностальгия по пролетарскому Лондону, велеречивые тирады об общности жизни в городских гетто, на самом деле жизнь эта была грязной, нездоровой, тяжелой и опасной, и в ней существовали и свои собственные архитектурные ужасы, и свои собственные возможности для одиночества и отчужденности. Однако все это в большой степени компенсировалось активностью, разнообразием и ясным ощущением участия людей в жизни с легкодоступными музеями, концертами, театрами, кино, спортивными соревнованиями, собраниями, митингами протеста и всеми остальными восхитительными возможностями, которые может предложить своим жителям традиционный город.

Это было на заре появления в продаже компьютеров, и компания ICL, так же как IBM в Соединенных Штатах, разрабатывала машины как старомодные, на вакуумных лампах, так и новые, на основе транзисторов; программировали их при помощи ужасных перфокарт Холлерита. Люди моего возраста вспоминают их со своего рода пропитанной кошмарами ностальгией. Несколькими годами позже, когда я учился в магистратуре в Стэнфорде, я страстно возненавидел эти чудовищные перфокарты и занудную процедуру программирования на языках со странными именами, вроде Фортрана и Балгола. Честно говоря, очень жаль, потому что это навсегда отвратило меня от разработки компьютеров и программирования. Хотя и то и другое получалось у меня довольно неплохо и я присутствовал «при начале», и в Стивенидже, и в Кремниевой долине (тогда еще так не называвшейся), мне не хватило прозорливости понять, что компьютеры когда-нибудь пригодятся не только для выполнения сложных вычислений и статистического анализа. Надо думать, именно поэтому я и стал в конце концов ученым с весьма скромным достатком, а не одним из богатых предпринимателей в области информационных технологий, выпускавшихся стэнфордской фабрикой.

Третье из посетивших меня откровений было осознанием сложности и потенциального могущества электрических схем. Всего из нескольких простых элементов (резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и транзисторов), соединенных проводами некоторым замысловатым и сложным, но основанным на простых правилах образом, возникало мощное и «сложное» устройство, способное выполнять в мгновение ока необычайно трудные операции, – то есть электронный компьютер. Так я впервые познакомился с примитивными проявлениями концепций сетей, эмерджентности и сложности, хотя вся эта терминология еще не существовала в явном виде. Когда я начал студенческую жизнь в Кембридже, все это было забыто. Но что-то, видимо, незаметно для меня самого сохранилось в глубинах моего подсознания и вновь всплыло из них сорок лет спустя, когда я начал подозревать, что именно сети образуют фундаментальную систему, позволяющую понять, как работают наши тела, города и компании.

4. Промежуточные итоги и выводы

Это краткое и несколько личное отступление не претендует на роль всеобъемлющего критического рассмотрения или объективного обзора городского планирования и проектирования. Я скорее пытался выделить некоторые из их конкретных характеристик, которые могут подготовить нас к разговору о возможности создания теории городов. Поскольку я не специалист по градостроению, проектированию или архитектуре и не получил никакого формального образования в этих областях, мои наблюдения не могут не быть неполными. Однако из них можно сделать один важный вывод, а именно что программы городского проектирования и реновации – и в частности, почти все вновь созданные распланированные города, например Вашингтон, Канберра, Бразилиа или Исламабад, – в большинстве своем не были очень успешными. Кажется, это мнение разделяет большинство критиков, экспертов, комментаторов и тому подобных специалистов. Вот, например, какие саркастические замечания о Канберре делает в своей книге «Другой конец света» популярный писатель-путешественник Билл Брайсон:

Канберра… Ничего особенного!

Канберра… Зачем дожидаться смерти?

Канберра… Ворота во весь остальной мир![114]

Известно, как трудно объективно оценить успешность города. Неясно даже, какие именно характеристики и параметры следует использовать, чтобы понять, насколько удачным или неудачным оказался тот или иной город. Результаты измерения психологических характеристик – счастья, удовлетворенности, качества жизни – с трудом поддаются численному анализу, не говоря уже о моделировании. Тем не менее им явно поддаются более осязаемые характеристики жизни – например уровень дохода, состояние здоровья и интенсивность культурной жизни. Многое из того, что было написано об успешности городов, не выходит за рамки замысловатых рассуждений на основе таких же впечатлений, какие я приводил выше, и, в лучшем случае, интуитивного анализа историй и рассказов, вполне в духе Джейн Джекобс или Льюиса Мамфорда[115].

Существует множество социологических исследований, основанных на опросах и статистических обзорах, в которых делаются попытки разработать более объективный, «научный» подход. При всей своей давней и славной истории городская социология остается дисциплиной небесспорной и кое в чем на удивление местечковой. Даже Роберт Мозес использовал ее для обоснования своих планов прокладки автострад через традиционно жилые районы. Однако, несмотря на все это, выглядит бесспорным, что все распланированные города оказываются в той или иной степени бездушными и отталкивающими, лишенными жизненной энергии и культурной жизни и в целом бедными общественным духом. Что касается обещаний и рекламной шумихи, обычно сопровождающих создание нового города или крупную программу городского развития, наверное, можно сказать, что они никогда не реализуются в полной мере и во многих случаях могут считаться неудачными.

Однако города обладают поразительной жизнестойкостью и, будучи сложными адаптивными системами, непрерывно развиваются. Например, многие из нас считали Вашингтон «негородом», в который мы ездили только лишь из интереса к истории или патриотических соображений, а также когда нам приходилось иметь дело с федеральным правительством. Он был довольно-таки мертвым местом, бетонными джунглями, над которыми возвышались массивные правительственные здания, источающие жутковатый дух кафкианской бюрократии и странным образом напоминающие старый советский стиль.

Но взгляните на Вашингтон сегодняшний: несмотря на все свои многочисленные проблемы, он превратился в чрезвычайно многогранный и живой город, привлекающий множество энергичных и творческих молодых людей, завороженных его атмосферой активности и общности. В прилегающих к городу окрестностях развилась экономическая деятельность, уже не зависящая от государственных должностей. И правительственные здания как будто по волшебству перестали выглядеть столь угрожающе; их образ смягчило окружающее их обилие превосходных ресторанов и других заведений, переполненных молодежью со всего мира. Вашингтону понадобилось долгое время, чтобы стать «настоящим» городом, местом, которое могло бы понравиться даже Джейн Джекобс. Так что надежда есть.

И это подводит меня к еще одному важному обстоятельству. Раньше в масштабах общей картины мира было, наверное, не так уж важно, будут ли такие новые распланированные, неорганические города, как Вашингтон, Бразилиа или даже Стивенидж, «неудачными» или же они станут восхитительными местами, дающими людям безграничные возможности для полноценной жизни, расширения личных горизонтов и присоединения к энергичным творческим сообществам. Города развиваются, и в них рано или поздно возникает душа, хотя этот процесс может занять немало времени. Кроме того, в не столь отдаленном прошлом в городской среде жила гораздо меньшая доля людей, и распланированных городов тоже было гораздо меньше. Однако в связи с тем, что уровень урбанизации растет экспоненциально – вспомним, что в среднем за ближайшие тридцать лет мы будем каждую неделю создавать на планете по новому городу с населением почти полтора миллиона человек, – эта ситуация изменилась полностью и бесповоротно.

Теперь успешность городов имеет значение. Новые города и городские районы строятся с поистине поразительной скоростью, чтобы угнаться за непрерывным экспоненциальным ростом численности населения. Только в Китае за следующие двадцать лет будет построено от двухсот до трехсот новых городов, население многих из которых будет превышать миллион человек. В то же время мегаполисы, уже господствующие в развивающихся странах, продолжают расширяться, и по мере того, как в города стекается все больше народа, во многих из них возникают все новые трущобы и неформальные поселения.

Как я уже отмечал, мегаполисы прошлого, подобные Лондону и Нью-Йорку, имели ту же незавидную репутацию, которую связывают с мегаполисами нынешними. Тем не менее они смогли превратиться в крупные экономические центры, раскрывающие широкие возможности и приводящие в движение мировую экономику. Но вот в чем состоит проблема: хотя города действительно развиваются, их изменения занимают десятилетия, а у нас уже не остается времени ждать. В случае Вашингтона этот процесс занял 150 лет, в случае Лондона – 100, а в случае Бразилиа – более 50 лет, причем его эволюция еще весьма далека от завершения. При этом следует учитывать огромные масштабы этой проблемы. Китай взял на себя умопомрачительную задачу создания сотен новых городов для урбанизации 300 миллионов сельских жителей. Они строятся в спешке и без глубокого понимания сложности городов и их взаимосвязи с социально-экономической успешностью. И действительно, большинство обозревателей сообщает, что многие из этих новых городов, подобно классическим пригородным поселениям, оказываются бездушными городами-призраками, лишенными сильного духа общности. У городов имеются органические качества. Источником их развития и физического роста являются взаимодействия между людьми. Великие мегаполисы мира облегчают такое взаимодействие, создают тот неуловимый дух, ту энергию, которые порождают их новизну и радость и вносят важный вклад в жизнеспособность и успешность, как с экономической, так и с социальной точки зрения. Игнорировать этот жизненно важный аспект урбанизации и обращать внимание только на здания и инфраструктуру было бы недальновидно и даже опасно.

Глава 7. К созданию научной теории городов

Почти все теории города – это теории по большей части качественные, происходящие в основном из целевых исследований конкретных городов или групп городов, которые дополняются рассказами, забавными случаями и интуицией. Они редко бывают системными и обычно не предусматривают объединение вопросов инфраструктуры и вопросов социально-экономической динамики. Возможно, создание теорий городов того «физического» типа, за который выступаю я, просто невозможно. Города и процессы урбанизации могут оказаться попросту «слишком сложными», чтобы можно было полезным образом описать их какими-либо законами и правилами, действующими независимо от их индивидуальных характеристик. Точные науки лучше всего справляются с поиском общих черт, регулярности, принципов и универсальных положений, выходящих за пределы и лежащих в основе строения и поведения всех отдельных компонентов, будь то кварки или галактики, электроны или клетки, самолеты или компьютеры, люди или города. И лучше всего они работают там, где это можно сделать в рамках численной, допускающей математические вычисления, предсказательной системы, как, например, в случае электронов, самолетов или компьютеров. Однако существует множество вопросов, например о сущности сознания, о происхождении жизни, о зарождении Вселенной или, если уж на то пошло, тех же самых городов, которые, возможно, в принципе нельзя разрешить таким образом, и тогда мы должны признать это и ограничиться такими пределами своего понимания и своих знаний. Тем не менее мы обязаны использовать научный метод до тех пор, пока это допустимо, чтобы определить, где пролегают такие границы его применения, не смущаясь призраком непреодолимой сложности и многообразия. Собственно говоря, сам вопрос о существовании таких границ, потенциальных пределов знаний и понимания, – это вопрос фундаментальный и чрезвычайно важный, как с философской, так и с практической точки зрения.

Именно в таком двойственном духе – исходя как из острой потребности в теории, которая помогла бы исследовать практические экзистенциальные вопросы долгосрочной устойчивости, так и из стремления к пониманию этого поразительного фундаментального природного явления как такового, – в Институте Санта-Фе была начата программа исследования городов и компаний. Ее зарождение и ранние стадии были кратко описаны в начале предыдущей главы. Эту главу мы посвятим обзору некоторых из наиболее выдающихся ее достижений, способствовавших формулированию возможной теории городов, и описанию их связи с работой других исследователей, ставивших перед собой родственные цели. Я также попытаюсь соотнести нашу работу с более традиционными идеями и моделями, которые предлагались ранее для понимания разнообразных аспектов городов и урбанизации.

Это очень старая тема, восходящая еще к Аристотелю. Соответственно, в попытках понять, что такое города, как они возникают, как они работают и каково их будущее, возникло множество точек зрения и концептуальных систем. В научном мире существует головокружительное множество независимых друг от друга отделов, центров и институтов, представляющих широчайший спектр альтернативных пониманий городов: городская география, городская экономика, городское планирование, урбанистика, урбаномика, теория архитектуры и многие, многие другие дисциплины, у каждой из которых есть своя тема, своя культура и свои методы, но очень редко случается взаимодействие с другими дисциплинами. Эта ситуация быстро изменяется по мере появления новых результатов, многие из которых порождаются использованием «больших данных» и идеей крупных городов, причем и то и другое несколько наивно преподносится в качестве панацеи от всех городских проблем. Но, что характерно, до сих пор не существует специальных отделов «теории городов», или «физики городов». Эти дисциплины остаются неизведанной территорией, несмотря на насущную необходимость изучения городов методами, более близкими к точным наукам. Именно в этом контексте следует рассматривать то, что я описываю в этой книге, а именно применение концепции масштаба в качестве мощного средства, которое позволит открыть путь к созданию теоретически обоснованной, интегрированной системной основы для количественного исследования городов.

Первым шагом этой программы стало рассмотрение вопроса о том, можно ли считать города, подобно животным, приблизительными масштабными копиями друг друга. Являются ли Нью-Йорк, Лос-Анджелес, Чикаго и Санта-Фе с точки зрения своих измеримых характеристик масштабированными вариантами друг друга, и если это так, то сходны ли законы их масштабирования с законами масштабирования, действующими для Токио, Осаки, Нагои и Киото, несмотря на все различия их внешнего вида и характеров? Проявляется ли в этом масштабировании всеобщность, которую мы наблюдали в биологии, когда оказалось, что киты, слоны, жирафы, люди и мыши являются приблизительными масштабными копиями друг друга и их численные характеристики хорошо выражаются действующими для них всех законами масштабирования с четвертными показателями?

В отличие от биологии в отношении городов, городских систем и компаний таким вопросам уделялось до нашей работы на удивление мало внимания. До некоторой степени это связано с тем, что исследования городов всегда были даже еще менее количественными, чем биология, но дело еще и в том, что до нас было предложено, а тем более сопоставлено с данными сравнительно мало вычислительных моделей механизмов работы городов или компаний.

1. Масштабирование городов

Одним из первых к нашей работе присоединился Дирк Хелбинг; когда я познакомился с ним, он был директором Института транспорта и экономики Дрезденского технологического университета в Германии. Дирк получил образование в области статистической физики и применял ее методы к изучению дорожного движения и толп пешеходов. Сейчас он работает в престижной Швейцарской высшей технической школе Цюриха, обычно называемой аббревиатурой ЕТН, в которой он руководит крупным проектом под названием «Модель живой Земли» (Living Earth Simulator). Эта система должна моделировать при помощи больших массивов данных и замысловатых алгоритмов глобальные явления, от экономических систем, правительств и культурных тенденций до эпидемий, сельского хозяйства и технического прогресса.

В 2004 г. Дирк поручил одному из своих студентов, Кристиану Кунерту, исследовать, как изменяются различные характеристики европейских городов в зависимости от их размеров. Некоторые из результатов этих ранних исследований представлены на рис. 33, и из них ясно видно, что данные по разным странам и городам демонстрируют удивительную простоту и регулярность[116]. Эти графики отражают, возможно, одну из самых прозаических характеристик городов, а именно зависимость числа заправочных станций от размеров города. Число заправок отложено по вертикальной оси, а размеры города, измеренные по численности его населения, – по горизонтальной оси. Как и на предыдущих графиках, иллюстрировавших явления масштабирования, здесь использован логарифмический масштаб, то есть величины, отложенные по осям, последовательно увеличиваются на степени десяти. Даже если не знать никакой математики, не помнить, что такое логарифм, и не очень разбираться в городах, ясно видно, что число заправочных станций изменяется в зависимости от размеров города с удивительной регулярностью. Данные не рассеяны беспорядочным образом по всему графику, а с хорошей точностью ложатся на простую прямую линию, что ясно указывает на то, что эта зависимость не произвольна, а соответствует четко определенному системному поведению. Получающаяся прямая линия говорит о том, что число заправочных станций возрастает с увеличением численности населения в соответствии с простым степенным законом, очень напоминающим то, что мы наблюдали ранее в масштабировании биологических и физических величин.

Более того, наклон этой прямой, соответствующий показателю степенного закона, составляет около 0,85, что чуть выше, чем значение 0,75 (знаменитые ¾), которое мы видели в масштабировании уровня метаболизма организмов (рис. 1). Не менее интересно и то, что этот показатель остается приблизительно одинаковым для масштабирования числа заправок во всех странах, представленных на графиках. Его значение, приблизительно равное 0,85, меньше 1, так что, используя введенную выше терминологию, можно сказать, что это масштабирование сублинейно, что говорит о наличии систематической экономии на масштабе. Другими словами, чем больше город, тем меньше заправочных станций требуется на душу его населения. Таким образом, каждая заправочная станция в большом городе в среднем обслуживает больше клиентов и продает в месяц больше топлива, чем в городе меньших размеров. Точнее говоря, при каждом удвоении численности населения городу требуется приблизительно на 85 % больше заправочных станций – а не в два раза больше, как можно было бы наивно предполагать, – что дает порядка 15 % экономии при каждом удвоении размеров. Этот эффект может стать весьма значительным, если сравнить, например, маленький город с населением порядка пятидесяти тысяч с мегаполисом, население которого в сто раз больше, около пяти миллионов человек. Для обслуживания стократно большего населения требуется всего лишь в пятьдесят раз больше заправок, так что в подушном исчислении такому большому городу их нужно в два раза меньше, чем маленькому.

Зависимости числа заправочных станций от размеров городов четырех европейских стран, представленные в логарифмическом масштабе, свидетельствуют о сублинейном масштабировании с близкими показателями. Штриховая линия имеет наклон, равный 1, и соответствует линейному масштабированию

То, что в больших городах требуется меньшее число заправок на душу населения, чем в малых, может быть, и не столь удивительно. Удивительно то, что эта экономия на масштабе оказывается настолько систематической: она приблизительно одинакова для всех стран и везде подчиняется одному и тому же математическому закону масштабирования с показателем около 0,85. Еще удивительнее то, что другие инфраструктурные величины, связанные с сетями транспорта и снабжения, – суммарная длина линий электропередачи, дорог, водопроводов и газопроводов – масштабируются очень похожим образом с приблизительно такими же показателями, то есть близкими к 0,85. Более того, это систематическое поведение, по-видимому, остается неизменным во всех точках мира, для которых удалось получить соответствующие данные. То есть в отношении инфраструктуры города ведут себя в точности как организмы: они подчиняются простым степенным законам сублинейного масштабирования, что обеспечивает систематическую экономию на масштабе, хотя и меньшую, что отражает разница между степенными показателями (для организмов он равен 0,75, а для городов – 0,85).

Распространение этой изначальной попытки исследования на вопрос о масштабировании городов по более широкому спектру параметров и в большем числе стран было осуществлено чрезвычайно талантливой группой новых участников проекта. Среди них был Луис Беттанкур, с которым я познакомился, когда он, защитив диссертацию по астрофизике, изучал в Лос-Аламосе ранние этапы эволюции Вселенной. После этого он провел пару лет в MIT, а затем вернулся в Лос-Аламос на постоянную должность в группе прикладной математики. Хотя Луис родился, вырос и получил образование в Португалии, это было совершенно незаметно: он говорит по-английски настолько бегло и без какого-либо иностранного акцента, что когда я впервые встретился с ним, то принял его за англичанина. Собственно говоря, свою диссертацию по физике он защитил именно в Имперском колледже Лондона, на математическом факультете которого по случайному совпадению работаю я. Языковым талантам Луиса вполне соответствуют и его научные таланты. Он очень быстро включился в проект изучения городов и занялся сбором и анализом данных со всего мира. Он стал страстным приверженцем дела углубленного изучения городов и приобрел репутацию одного из лучших в мире специалистов в этой области.

В этом предприятии к Луису присоединился еще один блестящий новичок, Хосе Лобо, специалист по городской экономике, работающий сейчас в программе устойчивости в Университете штата Аризона. Когда мы с ним познакомились, Хосе был молодым преподавателем факультета городского и регионального планирования Корнеллского университета и уже в течение нескольких лет приезжал в SFI. Как и Луис, Хосе вложил в нашу программу свой немалый талант в области статистики и сложного анализа данных, а кроме того, привнес в нее свои профессиональные знания в сфере устройства городов и урбанизации, которые оказались жизненно важными для нашей совместной работы.

Луис и Хосе возглавили сбор и анализ огромных массивов данных, охватывающих широкий спектр параметров городских систем всего мира, от Испании и Нидерландов в Европе до Японии и Китая в Азии и Колумбии и Бразилии в Южной Америке. Они убедительно подтвердили результаты более раннего анализа относительно сублинейного масштабирования инфраструктурных параметров и дали сильные доводы в пользу гипотезы универсальности систематической экономии на масштабе в городах. Независимо от конкретных особенностей устройства городов, будь то в Японии, в США или в Португалии, а также независимо от того, о каком именно параметре идет речь – числе заправочных станций, суммарной длине труб, дорог или электрических проводов, – каждое удвоение размеров города требует его увеличения всего на 85 %[117]. Таким образом, городу с населением 10 млн человек обычно требуется на 15 % меньше той же инфраструктуры, чем двум городам с населением по 5 млн, что дает существенную экономию материалов и энергопотребления[118].

Эта экономия приводит к значительному сокращению выбросов и загрязнения окружающей среды. Соответственно, увеличение эффективности, происходящее с ростом, имеет то неочевидное, но чрезвычайно важное следствие, что большие города в среднем оказываются более экологичными и имеют меньший углеродный след на душу населения. В этом смысле самый экологичный город США – это Нью-Йорк, а город Санта-Фе, в котором живу я, – один из самых расточительных с экологической точки зрения. Средний житель Санта-Фе выпускает в атмосферу почти в два раза больше углерода, чем средний ньюйоркец. Не следует приписывать это большей мудрости нью-йоркских градостроителей и политиков или винить в этом городские власти Санта-Фе: это всего лишь почти неизбежный побочный эффект динамики, лежащей в основе экономии на масштабе, действующей при увеличении городов независимо от их индивидуальных черт. Такие преимущества обычно бывают незапланированными, хотя городские власти, несомненно, могут играть важную роль в стимулировании и усилении тех скрытых «естественных» процессов, которые к ним приводят. Собственно говоря, именно это в значительной степени и составляет их служебные обязанности. В некоторых городах это получается весьма успешно, в других гораздо хуже. В следующей главе мы обсудим сравнительные показатели разных городов.

Такие результаты внушают большой оптимизм и дают убедительные доводы в поддержку гипотезы о возможности создания теории городов. Однако еще более важным представляется то неожиданное открытие, что согласно этим данным социально-экономические величины, не имеющие аналогов в биологии, – например, средний размер зарплаты, число образованных работников умственного труда, число созданных патентов, уровень преступности, число ресторанов и величина валового внутреннего продукта (ВВП) города – также масштабируются удивительно регулярным и систематическим образом, как можно видеть из рис. 34–38.

На этих графиках также ясно проявляется еще один, не менее удивительный результат: наклон кривых масштабирования остается приблизительно одинаковым для всех этих разнообразных величин и стремится к значению, составляющему около 1,15. Таким образом, все эти параметры не только масштабируются в соответствии с чрезвычайно простыми, классическими степенными законами, но масштабируются приблизительно одинаковым образом с одним и тем же показателем, близким к 1,15, независимо от того, о какой именно городской системе идет речь. В отличие от инфраструктурных параметров, которые масштабируются в зависимости от численности населения сублинейно, социально-экономические величины – выражение самой жизни города – масштабируются суперлинейно, то есть систематически проявляют усиление на масштабе. Чем больше город, тем выше зарплаты, тем больше ВВП, тем выше уровень преступности, тем выше заболеваемость СПИДом и гриппом, тем больше в нем ресторанов, тем больше создается патентов и так далее на душу населения, и увеличение всех этих величин следует одному и тому же «правилу 15 %», в какой бы точке мира этот город ни находился.

Масштабирование некоторых социально-экономических параметров в зависимости от численности населения в нескольких разных городских системах демонстрирует замечательное сходство суперлинейных показателей масштабирования:

Рис. 34 (вверху). Зарплаты в США

Рис. 34 (внизу). Число профессионалов с высшим образованием («творческих работников») в США

Рис. 35. Число патентов, созданных в США 1

Рис. 36. Преступность в Японии

Рис. 37. Число ресторанов в Нидерландах

Рис. 38. ВВП во Франции

Таким образом, чем крупнее город, тем больше в нем создается инновационного «социального капитала», и, следовательно, тем больше имеет, производит и потребляет его средний житель, будь то товары, ресурсы или идеи. В этом состоит позитивная сторона городов и причина столь высокой их привлекательности, если не сказать соблазнительности. Однако у городов есть и темная сторона, негативные черты. Негативные показатели социального поведения человека так же систематически возрастают с размерами города, как и индикаторы позитивные: удвоение размеров города приводит не только к увеличению подушного уровня зарплат, состоятельности и инноваций приблизительно на 15 %, но и к повышению на ту же величину уровня преступности, загрязненности и заболеваемости. По-видимому, все хорошее, плохое и злое оказывается неразрывно связано друг с другом, как элементы единого и почти точно предсказуемого комплекта. Человек, переезжающий в большой город, привлеченный большей новизной, более широкими возможностями, более высокой зарплатой и атмосферой более «активной» жизни, также может ожидать найти там аналогичное увеличение количества мусора, уровня воровства и распространенности энтеровирусных инфекций и СПИДа.

Эти результаты весьма поразительны. Мы обычно представляем себе город, особенно тот, в котором живем, как нечто уникальное, со своей собственной историей, географией и культурой, как нечто, имеющее узнаваемую личность и собственный характер. Бостон не только выглядит по-другому, но и ощущается иначе, чем Нью-Йорк, Сан-Франциско или Кливленд; точно так же Мюнхен выглядит и ощущается иначе, чем Берлин, Франкфурт или Ахен. И это правда – все это действительно совершенно разные города. Но кто бы мог предположить, что, взятые в рамках соответствующих городских систем, они оказываются приблизительными масштабными копиями друг друга, по меньшей мере в том, что касается почти любых измеримых параметров? Зная размеры города, например в Соединенных Штатах, для него можно предсказать с точностью до 80–90 % средний размер заработной платы, количество создаваемых патентов, суммарную длину его дорог, число заболеваний СПИДом, число насильственных преступлений, количество ресторанов, количество врачей и юристов и так далее. Многие качества города определяются просто его размерами. Есть, конечно, отклонения и колебания вокруг таких оценок, но о них мы поговорим в следующей главе.

Также важно учесть то обстоятельство, что наблюдаемые законы масштабирования действуют для городов одной и той же городской системы, то есть одной и той же страны. Законы масштабирования, например представленные на рис. 34–38, не предсказывают, как действует масштабирование между разными городскими системами. Абсолютные величины различных параметров, например размеров зарплат, уровня преступности, количества патентов или суммарной длины дорог, зависят от общих свойств экономики, культуры и особенностей каждой национальной городской системы. Например, общий уровень преступности в Японии гораздо ниже, чем в Соединенных Штатах. Таким образом, хотя законы масштабирования предсказывают соотношение величин для Чикаго и Лос-Анджелеса, а также для Киото и Токио, они ничего не говорят о том, каково будет соотношение этих величин между Осакой и Чикаго. Однако если нам известно общее соотношение величин – которое можно вывести, например, зная, как параметры Нью-Йорка соотносятся с параметрами Токио, – то можно получить предсказание соотношения любого японского города с любым американским.

Обычно мы склонны считать, что эти разнообразные параметры и характеристики города по большей части никак не связаны друг с другом и никак друг от друга не зависят. Например, мы не думаем, что число заболеваний некой определенной болезнью может быть как-то связано с числом патентов или количеством заправочных станций в городе. Кто бы мог подумать, что зарплаты, патенты, преступность и заболеваемость масштабируются с размерами города приблизительно одинаковым «предсказуемым образом», причем в любой точке мира? Данные убедительно показывают, что, несмотря на кажущиеся различия, города все-таки можно считать приблизительными масштабными копиями друг друга: Нью-Йорк и Токио в неожиданно большой и предсказуемой степени оказываются результатом нелинейного масштабирования, соответственно, Сан-Франциско и Нагои. Эта поразительная регулярность позволяет заглянуть в основополагающие механизмы, динамические принципы и структуры, общие для всех городов, и явно указывает на то, что все эти явления на самом деле могут быть в сильной степени взаимосвязанными и взаимосогласованными, порождаться одними и теми же фундаментальными динамическими процессами и подчиняться одному и тому же набору универсальных принципов.

Следовательно, все эти характеристики города, все его параметры – будь то уровень зарплат, суммарная длина дорог, число случаев заболевания СПИДом или уровень преступности – взаимосвязаны со всеми остальными и взаимозависимы от них, и все вместе они образуют общую многоуровневую систему, сложную и адаптивную по самой своей сути, и эта система непрерывно поглощает и перерабатывает энергетические, материальные и информационные ресурсы. В результате чего и получается то поразительное коллективное явление, которое мы называем городом, порождаемое фундаментальными динамическими процессами и организацией взаимодействия между людьми, осуществляемого через социальные сети. Еще раз: города – это эмерджентное самоорганизующееся явление, которое возникает в результате взаимодействий и связей между людьми, обменивающимися энергетическими, материальными и информационными ресурсами. Все мы, городские существа, где бы мы ни жили, участвуем в многочисленных сетях интенсивного межчеловеческого взаимодействия, которое проявляется в производительности, стремительном темпе жизни и изобретательности, свойственных городам.

Важно иметь в виду, что такое систематическое увеличение производительности и параллельное ему снижение стоимости действуют для стран с очень разными уровнями развития, в том числе и технологического, и благосостояния. Хотя о городах в более богатых странах мира имеется гораздо больше информации, сейчас мы получаем все больше данных и о быстро развивающихся странах, например Бразилии и Китае. По-прежнему бывает мучительно трудно получить достоверные данные по таким странам, как Индия или африканские государства, но и эта ситуация почти наверняка должна измениться в ближайшем будущем. Данные, проанализированные до сих пор, соответствуют общей тенденции, и ниже я расскажу о некоторых из них, уже сыгравших важную роль в определении степени универсальности природы систематического масштабирования. Например, ВВП городов Бразилии и Китая, хотя и отсчитывается от более низкого базового уровня, очень хорошо ложится на ту же кривую суперлинейного масштабирования, которую дают западноевропейские и североамериканские города. Тенденции остаются неизменными, потому что для всех городов действуют одни и те же базовые социальные и экономические процессы, будь то в фавелах Сан-Паулу, под заполненным смогом небом Пекина или на аккуратных улочках Копенгагена.

Наконец, стоит отметить, что не все характеристики городов масштабируются нелинейно. Например, независимо от размеров города каждый человек в среднем имеет одно жилье и одну работу, поэтому число рабочих мест и число жилищ линейно увеличиваются с размерами города. Другими словами, показатели соответствующих им кривых масштабирования очень близки к 1, и данные это подтверждают: увеличение численности населения города в два раза соответствует удвоению числа жилищ и числа рабочих мест. Однако в этой картине имеются некоторые неявные предположения и заключения. Очевидно, что работа есть не у всех (особенно с учетом детей и стариков), а некоторые люди работают на нескольких работах сразу. Кроме того, хотя почти у всех есть жилье, не все имеют собственные дома. Тем не менее большинство людей имеет одну работу, а среднее число обитателей жилища (размер «семьи», как бы мы ни определяли это понятие) остается приблизительно одинаковым для всех городов. Поэтому на уровне грубого приближения эти средние величины доминируют, и в результате получается простое линейное соотношение.

Итак: чем больше город, тем активнее его социальная жизнь, тем больше в нем возможностей, тем выше зарплаты, тем больше разнообразия, тем доступнее хорошие рестораны, концерты, музеи и учебные заведения и тем сильнее ощущение жизненной энергии, интересной жизни и вовлеченности в нее. Эти грани больших городов оказываются чрезвычайно притягательными и соблазнительными для людей всего мира, которые в то же время игнорируют, отбрасывают или не учитывают наличие негативных аспектов – более высокого уровня преступности, загрязненности и заболеваемости. Человеку очень хорошо удается «подчеркивать позитивное и не замечать негативного», особенно когда речь заходит о деньгах и материальном благосостоянии. В дополнение к кажущимся индивидуальным выгодам, которые приносит увеличение размеров города, существуют и огромные коллективные преимущества, порождаемые экономией на масштабе. Именно это замечательное сочетание увеличения преимуществ роста размеров города для отдельного человека и систематического увеличения его же преимуществ для человеческого коллектива является основной движущей силой непрерывной взрывной урбанизации, происходящей во всем мире.

2. Города и социальные сети

Как же получается, что городские системы всего мира, в таких разных странах, как Япония, Чили, США и Нидерланды, масштабируются приблизительно одинаковым образом, несмотря на огромные географические, исторические и культурные различия, несмотря на совершенно независимое друг от друга развитие? Не существовало же между странами какого-то действующего в течение многих веков международного соглашения, которое обязывало бы их строить и развивать города в соответствии с этими простыми законами масштабирования. Это произошло без каких-либо обязательств, намерений или регулирования. Это случилось само по себе. В чем же заключается общий, объединяющий фактор, действующий несмотря на все эти различия и порождающий такое поразительное структурное и динамическое сходство?

Я уже намекал, причем довольно прозрачно, в ответ на этот вопрос: их основная общая черта – это универсальная для всего мира структура социальных сетей. Города – это люди, а люди всего мира взаимодействуют друг с другом и группируются в коллективы и сообщества в значительной мере одинаковым образом. Хотя мы выглядим по-разному, по-разному одеваемся, говорим на разных языках и верим в разные вещи, биологические и социальные принципы нашего строения и нашей динамики поразительно сходны. В конце концов, все мы люди, с приблизительно одинаковыми генами и одной и той же общей историей развития общества. В какой бы точке планеты мы ни жили, все мы сравнительно недавно превратились из кочевых охотников-собирателей в существа, ведущие преимущественно оседлую общественную жизнь. Основополагающие общие черты, выражающиеся в поразительной универсальности законов масштабирования городов, сводятся к приблизительной одинаковости структуры и динамики человеческих социальных сетей, где бы они ни находились.

Развитие языка дало человеку возможность получать и передавать информацию новых типов, причем объемы и скорость этого обмена информацией не имеют аналогов во всей истории жизни на Земле. Одним из важных последствий этой революции было открытие плодов экономии на масштабе: работая вместе, мы можем достичь большего при том же уровне усилий каждого или, что то же, выполнять те же работы быстрее и с меньшими затратами энергии каждого участника. Появление языка и порожденное им развитие способностей к обмену информацией и мышлению привели к облегчению и развитию всех видов совместной деятельности – например, строительства, охоты, создания запасов или планирования. Более того, у нас появились воображение и осознанная концепция будущего, которые дали нам замечательную способность планировать, прогнозировать и прорабатывать возможные сценарии развития событий, чтобы приспосабливаться к будущим проблемам и событиям. Это величайшее нововведение в умственной деятельности человека было совершенно беспрецедентным для нашей планеты и привело к поразительным последствиям, которые затронули не только самого человека, но и почти всех остальных обитателей Земли, от микроскопических бактерий до гигантских китов и секвой.

Разумеется, экономию на масштабе открыли и многие другие существа, например стадные животные и в особенности общественные насекомые, но их достижения оказываются сравнительно примитивными и статичными по сравнению с тем, чего добился человек. Сила языка позволила нам выйти далеко за пределы классической экономии на масштабе, которой достигают наши клетки или достигали наши предки, охотники-собиратели. Мы развили и усилили ее преимущества, приспосабливаясь к новым задачам за сроки, гораздо меньшие обычного временного масштаба эволюции, на котором до тех пор происходили все крупные инновации. Блестящая самоорганизация муравьев позволяет им создавать поразительно устойчивые, эффективные и сложные физические и социальные структуры, но ее развитие заняло миллионы лет. Более того, они достигли этого уровня более 50 миллионов лет назад и с тех пор почти не продвинулись в своем развитии. Нам же потребовалось всего несколько десятков тысяч лет после появления вербального языка для развития от охоты и собирательства до состояния оседлых земледельцев и, что еще более замечательно, всего десять тысяч лет после этого для создания городов, превращения в городских жителей и изобретения сотовых телефонов, самолетов, интернета, квантовой механики и общей теории относительности.

Разумеется, можно спорить о том, кто, мы или муравьи, лучше приспособлен к жизни; футурологи могут предсказывать, окажутся ли в конечном счете их города, экономические системы, уровень жизни и общественное устройство более или менее устойчивыми, чем наши. Исходя из нынешнего положения дел, я без колебаний поставил бы на то, что муравьи нас переживут. Они поразительно эффективны, сильны и стабильны, они существовали задолго до нашего появления и, по всей вероятности, будут существовать еще долгое время после нашего исчезновения. Тем не менее, несмотря на все наши недостатки, коих у нас, несомненно, огромное количество, с моей антропоцентрической точки зрения кажется, что по качеству и осмысленности жизни мы, бесспорно, их опережаем.

Только у нас развилось, вероятно, самое драгоценное и таинственное свойство жизни – сознание, а вместе с ним – и способность к размышлениям и суждениям, которая позволяет нам понять, как подходить к некоторым из наиболее важных из встающих перед нами вопросов. Изобретение города, плавильного котла цивилизации, движущей силы, способствующей творчеству и изобретательству, привело к усилению и развитию важнейшего свойства человека – его способности задумываться, мыслить, обдумывать, размышлять, сомневаться и рассуждать, создавать и изобретать, искать и исследовать.

Если рассматривать города исключительно в аспекте их физических элементов – зданий, дорог и многочисленных сетевых систем, проводов и труб, снабжающих их энергетическими и материальными ресурсами, – то они действительно оказываются весьма подобны организмам и подчиняются сходным систематическим законам масштабирования, обеспечивающим экономию на масштабе. Однако когда люди начали образовывать достаточно крупные сообщества, это привело к возникновению на нашей планете принципиально новой динамики, выходящей за рамки биологических систем и свойственной им экономии на масштабе. С изобретением языка и началом обмена информацией между отдельными людьми и группами людей через социальные сети мы научились вводить инновации и создавать богатства. Поэтому города – это не просто гигантские организмы или муравейники: их существование основывается на дальнодействующем обмене людьми, благами и знаниями. Они постоянно привлекают к себе творческих и изобретательных людей и стимулируют экономический рост, производство ценностей и появление новых идей.

Города образуют естественный механизм для извлечения выгоды из высокой социальной взаимосвязанности людей, рассматривающих и решающих проблемы разными методами. Возникающие в результате этого контуры с положительной обратной связью служат двигателями усиления инноваций и создания ценностей, что и приводит к суперлинейному масштабированию и усилению на масштабе. Универсальность масштабирования – это проявление основополагающей характеристики, возникшей в результате эволюции человека как общественного животного и общей для всех людей независимо от их географических, исторических и культурных особенностей. Она происходит из интеграции структуры и динамики социальных сетей с физическими инфраструктурными сетями, образующими сцену, на которой разыгрывается все разнообразие городской жизни. Хотя эта динамика выходит за рамки биологии, она имеет сходную концептуальную основу и математическую структуру, связанные с фрактальной сетевой геометрией, о которой мы говорили в главе 3.

3. Что это за сети?

Вспомним, что биологические сети, порождающие степенное аллометрическое масштабирование с четвертными показателями, имеют следующие общие геометрические и динамические свойства: 1) они заполняют пространство (то есть сеть должна обслуживать, например, все клетки организма); 2) концевые модули каждой конструкции, например капилляры или клетки, должны быть неизменными (отчего мы имеем приблизительно такие же клетки и капилляры, как мыши или киты); и 3) эволюция сетей стремится к их приблизительной оптимизации (например, энергопотребление нашего сердца, необходимое для обеспечения циркуляции крови и поддержания жизни клеток, минимизируется, чтобы максимизировать количество энергии, которую можно употребить на воспроизводство и выращивание потомства).

У всех этих свойств есть прямые аналоги в инфраструктурных сетях городов. Например, дорожные и транспортные сети должны заполнять пространство так, чтобы обеспечивать обслуживание всех локальных районов города; то же справедливо и в отношении всевозможных коммунальных сетей, которые должны подавать воду, газ и электроэнергию во все городские здания и сооружения. Эту же концепцию можно естественным образом распространить и на социальные сети: в среднем за достаточно долгое время каждый человек в городе взаимодействует с некоторым количеством других людей и групп людей так, что в сумме сеть их взаимодействий заполняет все имеющееся «социально-экономическое пространство». Более того, именно такая городская сеть социально-экономических взаимодействий и образует тот котел социальной деятельности и взаимосвязей, который определяет город и его границы. Чтобы быть частью города, необходимо быть постоянным участником этой сети. И разумеется, неизменные концевые модули сети, аналоги капилляров, клеток листьев и черешков, – это люди и их дома.

Возникает один трудный и весьма интересный вопрос: что именно оптимизируется (и оптимизируется ли что бы то ни было) в структуре и динамике городов? По сравнению с биологическими системами города существуют совсем недолго, какие-то сотни лет, в то время как многие организмы появились миллионы, если не сотни миллионов, лет назад. Поэтому у любых процессов оптимизации, осуществляемой механизмами постепенной адаптации и обратной связи по мере роста и развития городов, было не так много времени на стабилизацию и достижение каких бы то ни было результатов. Еще более осложняет эту ситуацию то, что инновации и изменения возникают в городах со скоростью гораздо большей, чем характерные темпы биологической эволюции. Тем не менее рыночные силы и социальная динамика работают непрерывно, так что есть некоторые основания полагать, что эволюция инфраструктурных сетей все же способствует приближению к минимизации экономических и энергетических затрат. Например, если речь идет о передвижении, поездки, будь то на автобусе, на поезде, на автомобиле, верхом или пешком, обычно организуют так, чтобы по возможности минимизировать длительность путешествия, длину пути или и то и другое. Электрические, газовые, водопроводные или транспортные сети, несомненно, бывают на локальном уровне чрезвычайно неэффективными, во многих случаях в связи с историческими пережитками или экономическим удобством. Однако, хотя это не всегда очевидно, в них постоянно происходят обновления, усовершенствования, замены и обслуживание, так что на достаточно долгом временном масштабе существует четкая тенденция к приблизительной оптимизации этих сетевых систем. Возникновение систематических законов масштабирования с одинаковыми показателями для разных инфраструктурных параметров и в разных городских системах по всему миру можно считать следствием такого эволюционного процесса.

Отметим, однако, что разброс данных вокруг идеализированных кривых для городов значительно больше того, что мы видели в масштабировании большинства биологических параметров. Сравним, например, совпадение данных по уровням метаболизма животных, представленных на рис. 1, с гораздо большим разбросом данных по среднему уровню зарплаты в городах, представленных на рис. 34. Такое увеличение разброса отражает гораздо меньшее время эволюции городов к идеализированной, оптимальной конфигурации, которой соответствуют кривые масштабирования, выглядящие в логарифмическом масштабе как прямые линии. Как мы будем более подробно обсуждать ниже, отклонения от этих линий определяют меру остаточного влияния на каждый город локальной истории, географии и культуры. В отличие от степенного показателя масштабирования (равного 0,85), то есть угла наклона прямых в логарифмическом масштабе, приблизительно одинакового для всех городских систем, величина отклонений (то есть разброс) данных от прямых линий (имеющих одинаковый наклон) может быть разной в разных городских системах. Это в первую очередь связано с тем, что разные страны выделяют на содержание, усовершенствование и обновление своих городов разное количество ресурсов.

Говоря о социально-экономической динамике городов, также можно спросить, что именно оптимизируется – и оптимизируется ли хоть что-нибудь – в городских социальных сетях. На этот вопрос трудно ответить определенно, и многие ученые пытались косвенно рассматривать его с разных точек зрения[119]. Если считать город большим проводником социальных взаимодействий или большим инкубатором материальных ценностей и инноваций, естественно предположить, что его структура и динамика развивались таким образом, чтобы максимизировать социальный капитал путем оптимизации взаимосвязанности отдельных людей. Из этого следует, что социальные сети и вся социальная ткань городов и городских систем – определяющая, кто с кем связан, каким количеством информации они обмениваются и какова природа структуры их групп – в конечном счете обусловлены ненасытным аппетитом отдельных лиц, мелких компаний и крупных корпораций, постоянно желающих большего. Или, говоря совсем грубо, социально-экономические механизмы, в которых все мы участвуем, питаются в первую очередь жадностью, «желанием большего», как в негативном, так и в позитивном смысле этого слова. Учитывая огромный разброс распределения доходов, наблюдаемый во всех городах мира, и явное стремление большинства из нас получать еще больше, даже имея всего в достатке, нетрудно поверить, что жадность во всех ее проявлениях вносит в социально-экономическую динамику городов немаловажный вклад. Как сказал Махатма Ганди: «Мир достаточно велик, чтобы удовлетворить нужды любого человека, но слишком мал, чтобы удовлетворить людскую жадность».

Жадность – это уничижительное название этого ненасытного желания большего, но у него есть и чрезвычайно важная позитивная сторона. Говоря метафорически, это социальный аналог эволюционного, биологического стремления всех животных, в том числе и человека, к максимизации отношения метаболической мощности к размерам тела. Как мы говорили в главе 3, его можно считать производной формой принципа естественного отбора, лежащей в основе законов аллометрического масштабирования, пронизывающих все области биологии. Распространение концепции выживания наиболее приспособленных на социальную и политическую сферы привело многих мыслителей к вызывающей много споров концепции социального дарвинизма, уходящей корнями в работы Мальтуса. Независимо от того, насколько справедлива эта идея, следует отметить, что политики и обществоведы злоупотребляли ею, искажали и неверно толковали ее самым прискорбным образом и иногда с весьма тяжелыми последствиями, применяя ее для обоснования самых разнообразных радикальных взглядов, от евгеники и расизма до ничем не ограниченного «дикого» капитализма.

Желание большего может касаться далеко не только богатства и материальных ценностей. Это чрезвычайно мощная общественная сила, создающая огромные этические, духовные и психологические проблемы как индивидуального, так и коллективного порядка. Стремление к успеху, будь то в спорте, бизнесе или науке, – пробежать быстрее всех, создать самую передовую компанию или выдвинуть самую глубокую и проницательную идею – является одной из важнейших сил общественной динамики и вносит большой вклад в достижение того необычайно высокого уровня жизни, который повезло иметь многим из нас. В то же время мы ограничиваем свою дикую материалистическую жадность, развивая альтруистическое и филантропическое поведение, встроенное в наши общественно-политические структуры в качестве защиты от нежелательных крайностей.

Изобретение города с его мощным сочетанием экономии на масштабе с инновациями и созданием материальных ценностей породило великие расколы человеческого общества. До возникновения городских сообществ наши нынешние социальные сетевые структуры практически не существовали в своей современной форме. Общество охотников-собирателей было гораздо менее иерархичным и более ориентированным на общественную жизнь, чем наше. Борьба и противоречия между неограниченным индивидуальным самосовершенствованием и заботой о менее удачливых являются важным мотивом всей истории человечества, особенно в течение последних двухсот лет. Тем не менее кажется, что без своекорыстных мотивов наступил бы крах нашей рыночной экономики свободного предпринимательства. Люди, постоянно жаждущие новых машин и новых сотовых телефонов, новых приспособлений и устройств, новой одежды и новых стиральных машин, новых увлечений, новых развлечений и вообще почти всего нового, хотя у них уже есть достаточно этого «всего», являются жизненно важным компонентом созданной нами системы. Такое положение дел может показаться не слишком привлекательным и устраивает не всех, но до сих пор оно вполне устраивало большинство, и, по-видимому, большинство из нас желает, чтобы оно сохранялось и дальше. В последней главе этой книги мы вернемся к вопросу о том, возможно ли это.

Далее в этой главе я поговорю более подробно о природе потоков информационных, энергетических и материальных ресурсов в сетях, как социальных, так и инфраструктурных, и покажу, как эти потоки порождают наблюдаемое масштабирование. Как и в случае биологических сетей, речь идет о сетях, по самой сути своей иерархических и фрактальных. Поэтому, например, в инфраструктурных сетях интенсивность потоков в коммунальных линиях систематически спадает от центральных модулей, например электростанций и водонапорных станций, к трубам и электрическим проводам соответствующих сетей, обслуживающим отдельные дома, – так же, как ток крови в системе кровообращения спадает в приблизительно правильной геометрической пропорции от сердца к аорте и далее вплоть до капилляров, обслуживающих отдельные клетки. Фрактальная природа этих сетей и протекающих в них потоков обеспечивает эффективное распределение энергетических и материальных ресурсов и порождает сублинейное масштабирование и экономию на масштабе.

На самом деле все обстоит несколько более сложным образом, так как города не однородны, но обычно содержат по нескольку локальных центров деятельности, работающих полуавтономным образом, хотя и образующих друг с другом иерархические связи. Такие центры часто называют «центральными местами» в соответствии с популярной моделью городской системы, известной под названием теории центральных мест. Она была предложена в 1930-х гг. немецким географом Вальтером Кристаллером и оказала на градостроителей и географов большое влияние.

4. Города: кристаллы или фракталы?

Это весьма любопытная теория. По сути дела, она представляет собой статичную, высокосимметричную модель физической конфигурации городов и городских систем. Вальтер Кристаллер разработал ее на основе своих наблюдений над городами Южной Германии, приблизительно так же, как Джейн Джекобс сформулировала свою версию города, исходя из своих личных впечатлений от Нью-Йорка. В этой теории не уделялось большого внимания численным расчетам и проверкам, систематическому анализу и сравнению с данными, математическим формулировкам и вытекающим из них предсказаниям; таким образом, речь не идет о научной теории в том смысле, о котором я говорю в этой книге. По духу она гораздо ближе к жесткой неорганической идее города-сада, которую развивал Эбенезер Говард, вдохновленной в первую очередь идеализированными формами евклидовой геометрии и почти не принимавшей в расчет людей за исключением их роли единиц экономической системы. Тем не менее эта теория обладает множеством интересных черт и оказала большое влияние на проекты и концепции городов ХХ в.

Концепция гексагональной решетки центральных мест Кристаллера и подтверждающие его идею «данные реального мира» из центральной области Мексики

Теория Кристаллера курьезным образом созвучна его имени: он утверждал, что городские системы, а следовательно, и отдельные города можно представить в виде идеализированных двумерных структур кристаллической геометрии, построенных на основе высокосимметричного рисунка гексагональной решетки, повторяющегося на все меньшем и меньшем масштабе. Пример такой решетки приведен на иллюстрации. Шестиугольники были выбраны потому, что это простейшие геометрические фигуры, которые можно расположить встык так, чтобы полностью покрыть географическую область города или городской системы без каких-либо пробелов. Эти шестиугольники играют роль «центральных мест» торговли, причем внутри них заключены шестиугольные центральные места меньшего размера. На эту схему Кристаллера навели его наблюдения, согласно которым в Южной Германии мелкие города сходных размеров расположены приблизительно на одинаковых расстояниях друг от друга (и предположительно образуют вершины шестиугольника), а более крупные, центральные города играют роль узловых точек (расположенных в центрах шестиугольников). Хотя такой регулярности обычно и не наблюдается в большинстве городских систем или внутри самих городов, предложенная Кристаллером модель геометрии городских систем обладает двумя очень важными качествами, общими с сетевыми системами, образовавшимися органически. Речь идет о свойствах заполнения пространства и самоподобия (и, следовательно, иерархичности), хотя оба этих термина появились лишь впоследствии. В его модели были и другие важные особенности, например идея минимизации по времени и расстоянию пути до места получения услуг, к которой мы еще вернемся.

Несмотря на то что недостатки теории центральных мест хорошо известны, она остается важным идеологическим компонентом современного планирования и проектирования городов. В начале 1950-х она легла в основу преобразования муниципальных отношений и границ во вновь созданной Федеративной Республике Германии (то есть Западной Германии), и эта система сохранилась до сих пор. Довольно парадоксальным образом после Второй мировой войны Кристаллер вступил в Коммунистическую партию, хотя во время войны он работал на СС и был членом НСДАП. Основываясь на своей теории, он разработал грандиозный план преобразования экономической географии завоеванных в ходе расширения Германии территорий Чехословакии и Польши. Еще одно, на сей раз трагическое, проявление иронии судьбы в этой истории заключается в том, что немецкий экономист Август Лёш, которого считают основоположником дисциплины региональных исследований, более всего известный расширением теории Кристаллера и приданием ей менее статичного, более математического и более реалистичного характера, был активным участником протестантского движения, резко выступавшего против нацизма. Во время войны он остался в Германии и скрывался, но умер от скарлатины через несколько дней после ее окончания. Ему было всего лишь тридцать девять лет.

Реально существующее самоподобие городов лучше отражает органически развившиеся сетевые структуры транспортных и коммунальных систем, чем жесткие гексагональные кристаллические схемы Кристаллера. Город – это не искусственная машина, спроектированная «сверху вниз» с преобладанием прямых линий и классической евклидовой геометрии; он гораздо ближе к организмам с их извилистыми линиями и фрактальными формами, характерными для сложных адаптивных систем – одной из которых он и является. Это ясно видно даже при беглом взгляде на типичный рисунок роста города: как показано на приведенных внизу снимках, непрерывное расширение филигранной сети его инфраструктуры напоминает рисунок роста колонии бактерий. Тщательный математический анализ таких рисунков подтверждает, что города – действительно самоподобные фракталы, весьма сходные с биологическими организмами или с береговыми линями в географии. Например, результаты измерений длины реальных границ города с разным разрешением, аналогичных тем, которые Льюис Фрай Ричардсон проводил для длины побережий, представленные в логарифмическом масштабе, дают прямые линии, наклон которых можно считать фрактальной размерностью границ города.

Слева: органический рост Парижа, демонстрирующий развитие фрактальной геометрии. Справа: развитие фрактальной геометрии в колонии бактерий

Как я уже объяснял выше, фрактальная размерность – это мера морщинистости объекта, и кое-кто интерпретирует ее как меру его сложности. На волне взрывного интереса к фракталам и вызванного им появления в 1980-х гг. теории сложности выдающийся урбанист Майкл Бэтти провел большое статистическое исследование городов, чтобы определить их фрактальные размерности[120]. Бэтти и его сотрудники, а также другие исследователи, последовавшие их примеру, установили, что эти размерности составляют порядка 1,2, но могут сильно колебаться, доходя приблизительно до 1,8. Помимо того что фрактальная размерность представляет собой параметр, по которому можно сравнивать уровни сложности разных городов, возможно, самое интересное ее свойство состоит в том, что она служит своего рода барометром здоровья города. Фрактальная размерность здорового, жизнеспособного города обычно устойчиво увеличивается по мере его роста и развития, что отражает увеличение сложности по мере сооружения все большей и большей инфраструктуры для обслуживания растущего населения, занимающегося все более разнообразной и сложной деятельностью. Напротив, когда город переживает период экономических трудностей или временно уменьшается в размерах, его фрактальная размерность уменьшается.

Значения фрактальной размерности представляют собой меру самоподобия различных инфраструктурных сетей города; их определяют по результатам анализа схем, подобных представленным на предыдущей странице, с разным разрешением. Однако простого взгляда на физическую структуру города не всегда бывает достаточно для понимания его фрактальной природы. В конце концов, план улиц Нью-Йорка, да и почти любого другого американского города, обычно представляет собой регулярную прямоугольную сетку – практически ничего более простого и евклидова и не бывает. Это, очевидно, не относится к городам Старого Света, например, Лондону или Риму, извивающиеся улицы которых имеют более явную фрактальную органическую структуру. Но во всех случаях, даже под геометрией городов с прямоугольными сетками улиц, скрывается фрактальность, свойственная всем городам и проявляющаяся в универсальности законов масштабирования.

Я проиллюстрирую это утверждение на примере, относящемся не к отдельному городу, а к целой городской системе, но принципиальных положений это не изменяет. На с. 327 показана карта системы федеральных автомагистралей Соединенных Штатов. Ее строительство началось после Второй мировой войны, при президенте Эйзенхауэре, по мотивам автобанов, сооруженных в довоенной Германии Гитлером, и, как и на автобаны, на эту сеть оказали большое влияние оборонные соображения того времени. Собственно говоря, официально она называлась «Национальной системой федеральных и оборонных автомагистралей». Соответственно, дороги проектировались как можно более прямыми, чтобы максимально сократить дальность и длительность переездов между крупными городами, приблизительно так же, как римляне строили свои дороги, позволявшие им управлять их империей, за две тысячи лет до этого. В результате, как можно видеть из карты, сеть федеральных автострад получилась приблизительно прямоугольной, похожей на уличную сеть типичного американского города, хотя география и местные особенности, разумеется, вынуждали ее создателей кое-где отклоняться от этой геометрии. Однако в целом эта система удивительно регулярна и мало похожа на классический фрактал.

Но, несмотря на свой внешний вид, система федеральных автомагистралей, если ее рассмотреть с точки зрения реальных транспортных потоков, существующих в ней, а не только физической сети дорог, на самом деле оказывается самым настоящим фракталом. Именно в транспортных потоках заключается самая суть автомагистрали, главный смысл ее существования. Чтобы выявить их фрактальность, рассмотрим для простоты какой-нибудь портовый город, например Бостон, Лонг-Бич или Ларедо. Из этих портов регулярно выезжают грузовики, доставляющие товары по сети федеральных автомагистралей во все концы Соединенных Штатов. Поскольку Министерство транспорта США ведет тщательный статистический учет этих транспортных потоков, легко вычислить суммарное число грузовиков, проезжающих по каждому из участков дорог в течение некоторого определенного промежутка времени – например, за месяц. Возьмем для определенности пример города Ларедо, штат Техас. Вполне очевидно, что наибольшая плотность движения приходится на шоссе, непосредственно выходящие из города, так как все грузовики неизбежно проходят по ним, выезжая из порта. По мере удаления от города эти грузовики разъезжаются по стране, сворачивая на другие участки федеральных автострад, а затем – и на шоссе локальных дорожных систем отдельных штатов. Поэтому чем дальше такие участки расположены от Ларедо, тем меньшим становится движение грузового автотранспорта по ним, обеспечивающее доставку товаров во все более и более удаленные города и поселки.

Вверху: Стандартная карта системы федеральных автомагистралей США. Внизу: Карта транспортных потоков Техаса, выявляющая фрактальную природу, скрытую в физической дорожной сети. Толщина дорог пропорциональна относительной интенсивности транспортных потоков. Многие из наиболее тонких участков, «капилляров», соответствуют местным дорогам, а более толстые участки, основные «артерии», – более крупным шоссе. Сравните эту схему с сетью кровеносных сосудов, представленной в главе 3

Это хорошо видно из карты транспортных потоков Техаса, на которой толщина каждого участка дороги соответствует интенсивности проходящих по нему грузовых перевозок с пунктом отправления в порту Ларедо: другими словами, чем толще линия дороги, тем больше на ней грузовиков, едущих из Ларедо. Как вы видите, геометрически правильная сетка федеральных автострад, которую мы привыкли видеть на обычных картах, превращается в гораздо более интересную иерархическую фрактальную структуру, поразительно похожую на нашу систему кровообращения. Именно так выглядит дорожная сеть, если рассматривать наиболее существенный ее аспект – транспортные потоки. Основная дорога, выходящая из Ларедо, играет роль аорты, отходящие от нее шоссе являются артериями этой системы, а конечные участки дорог, ведущие к различным городам и деревням, в которые, собственно, и доставляются товары, – капиллярами. В качестве сердца выступает сам город Ларедо, который «прокачивает» грузовики по сосудистой системе федеральных дорог. Эта схема повторяется для всех городов страны, так что вся система в целом представляет собой обобщенный вариант нашей физиологической сердечно-сосудистой системы, в котором каждый город играет роль сердца, насоса – или, если использовать терминологию Кристаллера, «центрального места».

К сожалению, никто не проводил аналогичного анализа внутригородских транспортных потоков – главным образом потому, что подробной статистики по движению транспорта для каждой улицы города у нас нет. Появление «умных городов», в которых на каждом углу должно быть установлено бесчисленное множество датчиков, следящих за дорожным движением, в конце концов должно привести к накоплению достаточного объема данных для осуществления такого же анализа всех городов и выявления динамической структуры их транспортных систем, аналогичной той, что изображена на карте, представленной на с. 327. Это позволило бы получить точные численные оценки схем движения транспорта и привлекательности конкретных мест, а также других параметров, жизненно важных для планирования – например, успешного развития новых городских районов или выбора мест для строительства новых торговых центров или стадионов.

Наиболее видным сторонником разработки концепции фрактального города и интеграции идей теории сложности в традиционный анализ и планирование городов является Майкл Бэтти, руководящий Центром продвинутого пространственного анализа (Centre for Advanced Spatial Analysis, CASA) в Университетском колледже Лондона. Основная цель его работы – компьютерное моделирование физических аспектов городов и городских систем. Он видит большие возможности в концепции городов как сложных адаптивных систем и активно пропагандирует развитие научной теории городов. Его точка зрения, несколько отличающаяся от моей, изложена в недавно вышедшей книге «Новая наука о городах»[121], в которой больший упор делается на более феноменологической традиции общественных наук, географии и градостроения, чем на более аналитической и математической традиции физики, опирающейся на те фундаментальные принципы, которые формулирую я. Однако окончательное решение грандиозной задачи понимания городов требует применения обоих этих подходов.

5. Город как великий социальный инкубатор

Город – это не просто сумма всех дорог, зданий, труб и проводов, образующих его физическую инфраструктуру, не сумма жизней и взаимодействий живущих в нем людей, а объединение всех этих элементов в активное, многомерное, живое образование. Город представляет собой эмерджентную сложную адаптивную систему, возникающую в результате интеграции потоков энергетических и материальных ресурсов, обеспечивающих поддержку существования и роста как его физической инфраструктуры, так и его жителей, с потоками информации, которыми обмениваются горожане в связывающих их социальных сетях. Интеграция и взаимодействие этих чрезвычайно разных сетей волшебным образом приводит к увеличению экономии на масштабе в физической инфраструктуре города и одновременно с этим к непропорционально большому увеличению социальной активности, скорости появления инноваций и экономической производительности.

Предыдущий раздел был посвящен физическим чертам городов и подчеркивал самоподобие их фрактальной природы, проявляющееся в сублинейном масштабировании инфраструктурных параметров, например длины дорог или числа заправочных станций. Процесс образования этих систем в городах весьма сходен с тем, что происходит в организмах: они являются следствием общих свойств оптимизированных, заполняющих пространство транспортных сетей, регулирующих подачу энергетических и материальных ресурсов во все части города. Эти физические сети хорошо нам знакомы – дороги, здания, водопроводные трубы, линии электропередачи, автомобили и заправочные станции весьма заметны в городской жизни, – и мы легко можем представить себе, что они имитируют поведение физиологических сетей нашего тела, например сердечно-сосудистой системы. Однако геометрию и строение социальных сетей и потоки информации, протекающие между составляющими их людьми, вообразить не так просто.

Исследование социальных сетей – это большая область, в которую входят все общественные науки, и ее долгая и славная история восходит ко времени основания социологии как научной дисциплины. Хотя сами обществоведы разработали – из теоретического интереса или для решения корпоративных и маркетинговых задач – весьма сложные математические и статистические методы анализа таких сетей, особенно сильный толчок развитие этой отрасли получило в 1990-х гг., когда математики и физики начали интересоваться сложными адаптивными системами. Этому еще более способствовало появление новых средств связи, порожденных революцией информационных технологий, которое привело к появлению социальных сетей нового типа – Facebook, Twitter и им подобных. В сочетании с появлением мобильных смартфонов это вызвало взрывной рост количества и качества данных, позволяющих анализировать взаимодействия между людьми.

За последние двадцать лет теория сетей, изначально возникшая в качестве подраздела других наук, превратилась в процветающую самостоятельную дисциплину, дающую нам более глубокое понимание как феноменологии сетей вообще, так и основополагающих механизмов и моделей поведения, приводящих к их появлению[122]. Теория сетей охватывает огромный диапазон тем, в том числе классические общественные организации, преступные и террористические сети, сети инноваций, экологические и пищевые сети, сети здравоохранения и сети распространения заболеваний, а также сети языковые и литературные. Такие исследования привели к важным открытиям по широкому спектру важных общественных вопросов: они позволили разработать наиболее действенные стратегии борьбы с пандемиями, террористическими организациями и экологическими проблемами, стимулирования инновационных процессов и оптимизации общественных организаций. Значительная часть этой интереснейшей работы проводится или вдохновляется моими коллегами, имеющими отношение к Институту Санта-Фе.

Мир тесен: Стэнли Милгрэм и шесть степеней разделения

По всей вероятности, вам знакомо понятие «шести степеней разделения» (известное также как «теория шести рукопожатий»). Его сформулировал в 1960-х гг. в высшей степени изобретательный социальный психолог Стэнли Милгрэм; речь тут идет о так называемой задаче о тесном мире[123]. Эта идея возникла из ответа на следующий интересный вопрос: какое количество людей в среднем отделяет вас от любого другого произвольно взятого жителя той же страны? Такую задачу легко представить графически: изобразим каждого человека точкой на листе бумаги; такая точка называется вершиной. Если два таких человека знакомы друг с другом, соединим представляющие их точки линией; назовем ее связью. Этот простой принцип позволяет изобразить социальную сеть любого сообщества; пример такой схемы приведен на с. 333. Тогда, рассматривая, например, социальную сеть целой страны, интересно выяснить, сколько связей в среднем разделяет двух случайно взятых людей. Очевидно, хорошо знакомые люди – те, кого обычно называют друзьями, а также родственники и коллеги или сотрудники – находятся друг от друга на расстоянии всего одной связи. Друзья ваших друзей, с которыми вы сами не знакомы, отделены от вас двумя связями. Еще на шаг дальше, на расстоянии трех связей от вас, находятся знакомые знакомых ваших знакомых, которых вы сами не знаете… и так далее. Принцип понятен: эту систему можно расширять сколь угодно долго до тех пор, пока она не охватит всех участников сети. Я живу в городе Санта-Фе, штат Нью-Мексико, а вы можете жить в Льюистоне, штат Мэн, расположенном на расстоянии более трех тысяч километров от моего города. Насколько мне известно, я не знаю никого из жителей Льюистона, и вполне вероятно, что у вас нет ни одного знакомого в Санта-Фе. Но интересно было бы узнать, какое минимальное число связей – то есть число уровней знакомых знакомых знакомых и так далее – нужно пройти, чтобы связать меня с вами. Поскольку в Соединенных Штатах живет около 350 миллионов человек, можно было бы предположить, что это число довольно велико – скажем, порядка пятидесяти, ста или даже тысячи. Поразительное открытие Милгрэма состояло в том, что среднее число связей, соединяющих любых двух человек, приблизительно равно всего лишь шести. Отсюда и появилось понятие «шести степеней разделения»: оно означает, что нас отделяют друг от друга всего шесть связей. Таким образом, мы оказываемся связаны друг с другом гораздо теснее, чем кажется.

Первый математический анализ этого неожиданного результата выполнили специалист в области прикладной математики Стивен Строгац и учившийся у него в то время Дункан Уоттс[124]. Они показали, что сети тесного мира обычно отличаются переизбытком узлов и более высокой степенью кластеризации, чем сети, связанные случайным образом. Узлами здесь просто называются вершины, с которыми соединено необычайно большое количество связей. Такая конфигурация хорошо знакома нам по тому, как авиакомпании организуют свои рейсы по «веерному» алгоритму, полученному из теории сетей. Например, аэропорт Далласа – это крупный узел компании American Airlines, так что перелет в Нью-Йорк из практически любого города западной половины Соединенных Штатов самолетами American неизбежно происходит через Даллас. Такое повышение степени кластеризации, связанное с этой узловой конфигурацией, означает, что сети тесного мира, как правило, содержат модульные подсети, называемые «кликами», внутри которых, в свою очередь, существует такая высокая степень связности, что почти любые две вершины связаны между собой. Общие свойства такого рода, характерные для социальных сетей, приводят к тому, что длина кратчайшего пути между двумя вершинами оказывается в среднем сравнительно небольшим числом, практически не зависящим от размеров популяции, в результате чего правило шести степеней разделения действует приблизительно одинаково для всех сообществ. Более того, такая модульная структура обычно бывает самоподобной, и многие характеристики сетей тесного мира подчиняются степенным законам масштабирования.

Стив Строгац, эклектичный специалист по прикладной математике из Корнеллского университета, использует идеи, почерпнутые из нелинейной динамики и теории сложности, для анализа весьма широкого спектра увлекательнейших задач. Например, он сделал замечательную работу, в которой показал, как синхронизируется поведение сверчков, цикад и светлячков, а недавно расширил область ее применения и продемонстрировал причины неработоспособности лондонского моста Миллениум[125]. Из последней задачи можно извлечь некоторые уроки, полезные с точки зрения теории городов, и я хотел бы отвлечься на ее объяснение.

В рамках празднования наступления нового тысячелетия в Британии было решено построить через Темзу новый пешеходный мост, связывающий достопримечательности южного берега, такие как Галерея современного искусства музея Тейт и шекспировский театр «Глобус», с собором Святого Павла и Сити, финансовым центром Лондона, расположенными на северном берегу. Конкурс проектов моста ожидаемо выиграли знакомые лица: заслуженный архитектор лорд Норман Фостер – о котором я упоминал выше как о главном проектировщике странного квадратного города Масдара в Аравийской пустыне – и помогавшие ему известный скульптор сэр Энтони Каро и инженерная фирма Arup. Этот прекрасный проект очень украсил Лондон. Как ни удивительно, это единственный чисто пешеходный мост, связывающий две половины города, и прогулка по нему в любое время суток поднимет ваше настроение, куда бы вы ни шли, в собор Святого Павла, в Тейт, в «Глобус» или куда-нибудь еще. Перед открытием моста его проектировщики говорили, что это «чистое выражение инженерной конструкции», и сравнивали его с «лучом света», а другие называли его «неоспоримым доказательством наших способностей на начало XXI века».

Слева: пример социальной сети с вершинами, соответствующими индивидуумам, соединенным одиночными связями. Отметим, что отношения между некоторыми людьми требуют двух или более связей и что некоторые люди играют роль узлов с переизбытком связей. Справа: социальные сети обычно содержат модульные подразделы, состоящие из тесно взаимодействующих индивидуумов, например семьи, коллег или группы очень близких друзей

День открытия моста 10 июня 2000 г. прошел с огромным успехом: по мосту прошли 90 тысяч человек, причем в каждый момент на нем одновременно находилось до двух тысяч. Однако всего через два дня мост, к сожалению, пришлось закрыть в связи с непредвиденным серьезным дефектом конструкции, и снова открыть его смогли лишь почти полтора года спустя. Оказалось, что движение людей, проходящих по мосту, вызывало его боковое раскачивание из стороны в сторону, причем это движение усиливалось бессознательным стремлением по меньшей мере некоторых из пешеходов шагать в ритме такого раскачивания, что еще более усиливало колебания. Это не только создавало неприятное, раздражающее ощущение, но и могло привести к чрезвычайно опасным последствиям.

Речь идет о классическом примере положительной обратной связи, часто проявляющейся в форме резонанса, явления, давно известного физикам и инженерам. О нем рассказывают в начальном курсе физики, объясняя его роль в возникновении звуков в музыкальных инструментах и наших голосовых связках, в работе лазеров и даже в раскачивании детских качелей: если подталкивать их с частотой, соответствующей собственной частоте качелей (их «резонансной частоте»), они взлетают все выше и выше. По сути дела, именно это и делали пешеходы, проходящие через мост Миллениум. Их коллективное естественное раскачивание вызывало поперечные колебания моста с его естественной резонансной частотой.

Возможность возникновения в мостах потенциально опасных резонансов, порождаемых их конструкцией, – явление хорошо известное: так, солдатам, переходящим строем через мост, традиционно приказывают идти не в ногу. Современные мосты проектируют так, чтобы исключить возникновение таких явлений. Как же такое могло случиться с таким сложным мостом, разработанным в конце ХХ в. ведущими архитекторами, проектировщиками и инженерами, располагавшими всеми необходимыми знаниями и вычислительными мощностями?

По-видимому, когда думают о возможных колебаниях и резонансах мостов, учитывают только вертикальные движения, а возможность боковых, горизонтальных колебаний обычно не принимают в расчет – что лично я нахожу удивительным. В защиту проектировщиков моста Миллениум нужно сказать, что, по их заявлению, такое боковое раскачивание было «явлением, до сих пор малоизвестным в инженерном мире». Стоимость моста составила почти 30 млн долларов, а на исправление этого недостатка потратили еще 8 млн. Возможно, небольшая добавка предварительного научного анализа – может быть, с привлечением кого-нибудь вроде Стива Строгаца – могла помочь сэкономить вполне приличную сумму.

То же можно сказать и о проектировании и развитии городов. Конфуз с мостом Миллениум, как и более ранняя неудача Брюнеля с кораблем «Грейт Истерн», – это сравнительно «простая» иллюстрация того, как широкий, системный научный подход, основанный на фундаментальных принципах в рамках аналитической системы, может дополнять и интегрировать традиционные методы, какими бы тщательно разработанными они ни были, позволяя избежать серьезных осложнений и неприятностей и сэкономить немалые деньги. Хотя разработка и строительство городов – задача гораздо более трудная и сложная, чем сооружение мостов или кораблей, к ней это относится в той же мере. Для оптимизации проекта и минимизации нежелательных последствий необходимо объединять знание и глубокое понимание основополагающих принципов и динамических законов, рассмотрение задачи в широком системном контексте, а также математическое и аналитическое мышление с неизбежно главенствующим вниманием к мельчайшим деталям каждой конкретной задачи.

Когда Стив Строгац занимался вместе с Дунканом Уоттсом сетями тесного мира, он работал в Институте Санта-Фе приглашенным профессором. Он написал несколько превосходных научно-популярных книг по математике и нелинейной динамике, а также вел научно-популярную колонку в газете New York Times[126]. Дункан пришел в SFI сразу после защиты диссертации в Корнелле. Его появление совпало с началом моей собственной работы там, и в те дни, которые я проводил в институте, я имел удовольствие работать в одной комнате с ним. Сейчас и сам Дункан стал крупным ученым и руководит в компании Microsoft энергичной группой, работающей над исследованиями социальных сетей в интернете.

Одна из работ Уоттса была посвящена проверке результатов Милгрэма относительно шести степеней разделения на огромных объемах данных по сообщениям электронной почты, которыми обменивались разные люди, для определения количества звеньев цепочки, связывающей любых двух случайно выбранных человек. Эта задача была важна, так как работа Милгрэма, которая проводилась на основе изучения бумажных писем, отправленных по обычной почте, подвергалась серьезной критике за сравнительно небольшое количество использованных данных и отсутствие систематического контроля.

Милгрэм также прославился своими крайне провокационными и наводящими на размышления экспериментами, исследующими подчинение властям. Под сильным впечатлением от истории холокоста и, в частности, проходившего в 1961 г. суда над Адольфом Эйхманом, одним из главных организаторов уничтожения евреев, Милгрэм разработал серию экспериментов, показывающих, как легко общественное воздействие и давление коллектива могут подтолкнуть любого из нас к поступкам или высказываниям, противоречащим нашим убеждениям и совести. Эти эксперименты также подверглись серьезной критике, не только с научной и методологической точки зрения, но и в связи с этическими проблемами, касающимися обмана участников опытов и эмоциональной нагрузки, которой они подвергались. В то время Милгрэм был молодым преподавателем в Йеле, но вскоре после этого он перешел в Гарвард, где и выполнил свою работу по шести степеням разделения. Ему не удалось получить должность штатного профессора в Гарварде, отчасти из-за скандалов, связанных с этическими аспектами его экспериментов, и в конце концов он вернулся на постоянную работу в Городской университет Нью-Йорка (CUNY).

Милгрэм вырос в Нью-Йорке в небогатой семье. Он был сыном эмигрировавшего в США пекаря-еврея, с которым я, учитывая мое маниакальное пристрастие к хорошему хлебу, с удовольствием познакомился бы. Его школьным другом был еще один выдающийся социальный психолог, Филип Зимбардо, прославившийся своими «тюремными экспериментами», которые он проводил в начале 1970-х гг. в Стэнфорде. Эти работы, на которые его навели исследования подчинения властям Милгрэма, продемонстрировали, что совершенно нормальных людей (в данном случае студентов Стэнфорда) можно побудить к садистским действиям, когда они играют роль тюремщиков, или к проявлениям чрезвычайной пассивности и угнетенности, когда они играют роль заключенных. Исследования Зимбардо приобрели особую известность, когда стало известно о том, как охранники нарушали права заключенных в тюрьме Абу-Грейб во время войны в Ираке[127].

Вопрос о том, как и почему хорошие люди становятся плохими и совершают отвратительные поступки, – человеческий аналог проблемы Иова, сводящейся к вопросу о том, почему Бог допускает страдания хороших людей, – остается фундаментальным парадоксом человеческого поведения с самого момента возникновения у человека общественного сознания. Вопрос об отношениях человека с самим собой – вечную нравственную и этическую дилемму добра и зла – можно считать вопросом, парным с проблемой места человека в его отношениях со Вселенной. Оба они являются центральными проблемами человеческого существования, занимающими главенствующее место в размышлениях человека с того самого времени, когда Homo sapiens впервые обрел сознание, и породили многочисленные религиозные, культурные и философские системы. Рассмотрение этих глубоких вопросов с точки зрения, порожденной наукой и «рациональностью», позволяющее надеяться на создание дополнительной системы для понимания их происхождения и, возможно, получения новых идей и ответов на них, началось лишь в очень недавнее время. Дерзкие работы Милгрэма и Зимбардо дают основательные доводы в пользу того, что причиной отвратительных поступков хороших людей является общественное давление, страх отторжения коллективом и стремление быть частью группы в ситуациях, в которых власть уполномочивает отдельных лиц управлять и принимать решения. Зимбардо стал активно и красноречиво ратовать за недвусмысленное признание существования этих могущественных процессов, по-видимому встроенных в нашу психику независимо от культурных особенностей и породивших на протяжении столетий многочисленные ужасы, и поиск путей разрешения связанных с ними проблем вместо следования нашей инстинктивной склонности возлагать вину на отдельных «паршивых овец», национальные отличия или культурные нормы.

Городская психология: стресс и напряжение жизни в большом городе

Как это ни печально, Милгрэм умер от инфаркта сравнительно молодым, всего в пятьдесят один год. Он внес большой вклад в изменение наших общепринятых взглядов на человеческую природу и, в частности, в демонстрацию того, насколько большое влияние оказывает на действия и поведение человека его взаимодействие с тем сообществом, в котором он существует. Его экспериментальные исследования подчинения показали, что люди, поступающие бесчеловечным образом, могут вовсе не быть злыми или ненормальными. Такие взаимоотношения между человеком и сообществом неизбежно привели его к рассмотрению более широких вопросов психологических аспектов городской жизни. В 1970 г. он опубликовал в журнале Science дискуссионную статью под названием «Опыт жизни в городах», которая заложила основы вновь зарождающейся дисциплины городской психологии, ставшей с этого момента основным предметом его исследовательской работы[128].

Психологическая жесткость жизни в большом городе весьма поразила Милгрэма. Общее впечатление было таково, что за пределами своей локальной среды каждый индивидуум обычно занимается своими делами, избегая взаимодействия с другими и вовлечения в их дела, и редко явно замечает других людей или ситуации, которые могут потребовать его участия или обязать его к чему-либо. Сверх того, большинство людей чрезвычайно неохотно вмешиваются в происходящее или даже зовут на помощь, когда на их глазах происходят преступления, совершается насилие или случаются другие чрезвычайные события. Милгрэм разработал целую серию новаторских экспериментов для исследования недостатка доверия, усиления страха и беспокойства и общей нехватки любезности и вежливости, характерных, как кажется, для жизни в мегаполисах, в отличие от маленьких городов. Например, его исследователи поодиночке звонили в двери, говоря, что потеряли адрес друга, живущего где-то поблизости, и прося разрешения воспользоваться телефоном. Число случаев, в которых их впускали в дом, в маленьких городах оказалось в три-пять раз больше, чем в большом городе. Более того, 75 % жителей большого города отвечали на звонок, крича через закрытую дверь или глядя в дверной глазок, а в маленьких городах 75 % респондентов просто открывали дверь.

В другом, родственном эксперименте, друг Милгрэма Зимбардо почти на трое суток оставил автомобиль на улице неподалеку от кампуса Нью-Йоркского университета в Бронксе; приблизительно такая же машина была оставлена на такое же время вблизи Стэнфордского университета в городе Пало-Альто. Для тех, кто не бывал в тех местах, нужно сказать, что Пало-Альто – это очень богатый маленький город к югу от Сан-Франциско, своего рода квинтэссенция американского пригородного района. По случаю я жил там во время проведения этого эксперимента и могу подтвердить, что в нем царила довольно сонная, мирная атмосфера. Чтобы «спровоцировать» потенциальных вандалов, с обеих машин сняли номера и оставили их с открытым капотом. Уже через двадцать четыре часа с нью-йоркской машины были сняты все подвижные детали, а к концу третьих суток от нее остался только металлический скелет. Удивительнее всего то, что бо́льшая часть разрушений была произведена среди бела дня, на глазах у «безразличных» прохожих. Напротив, к автомобилю, оставленному в Пало-Альто, никто даже не притронулся.

Для теоретического объяснения этой темной стороны городской жизни Милгрэм использовал термин «перегрузка», позаимствованный из теории электрических цепей и систем. В больших городах мы постоянно сталкиваемся с таким количеством видов, звуков, «событий» и других людей, сменяющих друг друга с огромной скоростью, что мы просто не в состоянии переработать весь этот шквал информации, поступающей в наши органы чувств. Если бы мы пытались реагировать на каждый стимул, наши умственные и психологические контуры разрушились бы под этой нагрузкой, то есть у нас, как в перегруженной электрической схеме, просто вылетели бы предохранители. И к сожалению, с некоторыми из нас так и случается. Милгрэм предположил, что те типы «антиобщественного» поведения, которые мы наблюдаем и с которыми сталкиваемся в больших городах, – это на самом деле адаптивная реакция на необходимость справляться с чувственной перегрузкой городской жизни, откуда следует, что без такой адаптации у всех нас вылетели бы предохранители.

Я уверен, что вам ясна ирония, заключенная в наблюдениях и рассуждениях Милгрэма относительно социально-психологических последствий перегрузки городской жизни. Те же самые аспекты жизни в городах, которые я превозносил в качестве фундаментального двигателя создания новых идей и ценностей, инноваций и привлекательности городов – рост взаимосвязанности людей и сопровождающая его энергичность больших городов, так привлекавшие Джейн Джекобс, – оказываются одним из элементов той цены, которую мы вынуждены платить за удобства, предоставляемые крупными городами. Это еще одно проявление «хороших, плохих и злых» сторон повышенной взаимосвязанности, возрастающей по законам суперлинейного масштабирования по мере увеличения размеров города. Систематическое увеличение подушных значений касается не только размера зарплат, числа патентов и количества ресторанов, возможностей, социальной активности и интересных событий, но и преступности и заболеваемости, уровня стресса, беспокойства и страха в повседневной жизни, а также снижения уровня доверия и вежливости. Как я вскоре покажу, многие из этих черт можно приписать увеличению темпа жизни в больших городах, которое является предсказуемым следствием из теории сетей.

6. Сколько у вас на самом деле близких друзей? Данбар и его числа

В нескольких предыдущих разделах я дал широкий обзор некоторых общих характеристик социальных взаимодействий в городах. Отсюда естественно перейти к обсуждению того, как систематическое самоподобие и фрактальная геометрия городских инфраструктурных сетей отражаются в сетях социальных. Прежде всего, нелишне будет повторить, что, как говорит нам концепция шести степеней разделения, мы значительно теснее связаны друг с другом, чем нам кажется и чем осознает большинство из нас. Кроме того, сети тесного мира, как правило, проявляют свойство масштабирования по степенным законам, отражающее лежащие в их основе характеристики самоподобия, и распространенность клик, состоящих из индивидуумов. Такие модульные структуры, будь то семья, круг близких друзей, отдел на работе, ближайшие соседи или целый город, являются центральным элементом нашей социальной жизни.

Постижение и анализ иерархической структуры социальных групп является важным направлением социологических и антропологических исследований в течение более чем пятидесяти лет, но их количественные характеристики начали проявляться лишь около двадцати лет назад. Отчасти это было вызвано работой эволюционного психолога Робина Данбара и его сотрудников, которые предположили, что социальную сеть среднего человека можно разложить на иерархическую последовательность дискретных вложенных кластеров, размеры которых оказываются на удивление регулярными[129]. Размер группы систематически увеличивается при переходах с уровня на уровень, например от семьи к городу, а прочность связей между людьми, входящими в группу, столь же систематически уменьшается. Так, например, у большинства людей очень сильные связи с членами ближнего круга их семьи, но очень слабые – с водителем автобуса или членами муниципального совета.

Исходя отчасти из работ по группам общественных приматов, а отчасти – из антропологических исследований человеческих обществ, от охотников-собирателей до современных корпораций, Данбар открыл, что такая иерархия обладает неожиданно регулярной математической структурой, которая подчиняется очень простым правилам масштабирования, напоминающим поведение самоподобных фракталов. Он выяснил вместе со своими сотрудниками, что на самом нижнем уровне иерархии число людей, с которыми у среднего человека существуют наиболее тесные отношения, в каждый момент составляет всего около пяти. Это те, с кем человек наиболее близок, о ком он больше всего заботится, – обычно речь идет о членах его семьи, родителях, детях или супругах; но это могут быть и очень близкие друзья или партнеры. В опросах, составленных для измерения размеров этой центральной социальной группы, одна из ее определяющих характеристик была сформулирована так: «группа людей, к которым респондент обратился бы за личным советом или помощью в случае серьезных эмоциональных или финансовых затруднений».

На следующем уровне находятся те, кого мы обычно называем близкими друзьями, с кем мы с удовольствием проводим время за какими-то осмысленными занятиями и к кому мы можем обращаться за помощью в трудные моменты, хотя эти люди и не находятся с нами в самых доверительных отношениях, характерных для членов нашего «внутреннего круга». Их число обычно составляет около пятнадцати. Еще выше расположен уровень тех, кого мы тоже можем называть друзьями, но лишь изредка приглашаем к себе на обед, хотя вполне можем позвать на праздник или вечеринку. В эту группу могут входить коллеги, соседи по кварталу или родственники, с которыми мы не очень часто встречаемся. В ней обычно бывает около пятидесяти человек.

Схема последовательности чисел Данбара, отражающая фракталоподобную иерархию модульной структуры социальных взаимодействий. Отметим, что интенсивность взаимодействия уменьшается с ростом размера модульной группы

Следующий уровень более или менее определяет пределы нашего социального круга с точки зрения личных взаимодействий. Он состоит из тех, кого можно назвать «знакомыми»: мы знаем, как их зовут, и поддерживаем с ними социальные связи. В этой группе, как правило, бывает около 150 человек. Именно это число, которое обычно и называют «числом Данбара», привлекло к себе некоторое внимание популярных СМИ.

Можно заметить, что величины, выражающие численность этих последовательных уровней групповой иерархии – 5, 15, 50, 150, – образуют последовательность с приблизительно постоянным отношением соседних членов, составляющим около трех. Такая регулярность знакома нам по фрактальным структурам, которые мы встречали не только в сетевых иерархиях наших собственных сердечно-сосудистой и дыхательной систем, но и в транспортных сетях городов. Эти сети различаются не только потоками, которые в них протекают, но и значением одного важного геометрического параметра – коэффициента ветвления, то есть отношения числа единиц, в данном случае людей, на соседних уровнях иерархии. Имеются данные, указывающие на то, что эта же тенденция с коэффициентом ветвления, равным трем, сохраняется в социальных сетях и после уровня в 150 человек, и группы следующих уровней насчитывают приблизительно по 500, 1500 человек и так далее. Эти цифры не следует считать слишком точными, так как в данных встречаются значительные колебания. Для нас важно то, что при приблизительном рассмотрении в социальных сетях обнаруживается похожая на фрактальную структура, которая, по-видимому, существует в широком спектре разных социальных организаций. Хотя структура эта остается приблизительно неизменной, с течением времени отдельные члены сети могут сменять друг друга или переходить с одного уровня на другой по мере того, как наши отношения с ними становятся более или менее близкими. Например, родители могут выйти из вашего ближнего круга, уступив свое место вашему супругу или близкому другу; или вы можете случайно познакомиться на вечеринке с человеком, который впоследствии войдет в число ваших 150. Независимо от таких изменений общая структура сети, в которой от четырех до шести человек образуют центральное ядро, а вокруг него располагаются вложенные друг в друга группы, численность которых возрастает на каждом шаге приблизительно в три раза вплоть до 150 или около того, остается неизменной.

Число, близкое к 150, – это максимальное число людей, жизнь которых средний человек может отслеживать, считая их своими знакомыми и, следовательно, членами своей существующей на данный момент социальной сети. Поэтому оно приблизительно определяет размер группы, все члены которой еще могут знать друг друга достаточно хорошо для того, чтобы группа оставалась связной и в ней поддерживались активные социальные отношения. Данбар нашел множество примеров таких действующих социальных единиц, число членов которых приближается к этому магическому числу, от групп охотников-собирателей до армейских подразделений, как в Римской империи, так и в Испании XVI в. или Советском Союзе века XX.

Он предположил, что причины такой кажущейся универсальности связаны с эволюцией когнитивных возможностей мозга: мы попросту не обладаем вычислительными мощностями для поддержки эффективных социальных отношений в группах большего размера. Отсюда следует, что дальнейшее увеличение размеров группы должно привести к значительному уменьшению социальной устойчивости, связности и согласованности, что в конце концов вызовет распад группы. В ситуациях, в которых индивидуальность и сплоченность группы считаются определяющими факторами ее успешного функционирования, понимание такого ограничения и более общих следствий структуры социальной сети, очевидно, чрезвычайно важно. Это в особенности так, когда стабильность, знание других людей и социальные отношения определяют работоспособность группы. Среди многочисленных образований, которым такая информация и такая точка зрения могут принести большую пользу в плане улучшения результатов работы, производительности и общего благополучия их членов, можно назвать, например, бизнес-структуры, армию, органы государственного управления и бюрократические организации, а также университеты и исследовательские институты.

Данбар изначально получил оценку этого числа из простой модели масштабирования, в которой он экстраполировал размеры групп в сообществах приматов на человеческое общество. Как он обнаружил вместе со своими сотрудниками, размеры групп общественных приматов увеличиваются по классическому степенному закону с увеличением объема неокортекса (новой коры) их мозга. Неокортекс – это самая сложная часть мозга, которая обеспечивает контроль и обработку высших функций, таких как чувственное восприятие, формирование моторных команд, пространственная ориентация, сознательное мышление и язык, а следовательно, и способность к участию в сложных социальных отношениях. Предположение о такой связи между размерами мозга и способностью формировать социальные группы называется гипотезой социального интеллекта. Данбар пошел гораздо дальше и предположил, что эта связь может быть причинно-следственной: что разум развился у человека в первую очередь для решения задачи формирования больших и сложных социальных групп, а не в качестве прямого следствия борьбы с неблагоприятными условиями окружающей среды, как считают обычно[130]. Но даже независимо от того, существовала ли такая причинность, он вывел свою оценку идеальной численности социальных групп людей – число 150 – из корреляции с размерами мозга.

Поскольку размеры мозга увеличиваются практически линейно с ростом уровня метаболизма, с тем же успехом можно определить идеальный размер социальной группы людей не по соотношению размеров мозга у человека и приматов, а по соотношению их уровней метаболизма. В результате получается та же грубая оценка, приблизительно 150, что позволяет предположить, вопреки мнению Данбара, что с точки зрения эволюционного развития это число может быть связано не с когнитивной задачей формирования групп, а с приспособлением к экологическим условиям, касающимся наличия ресурсов и уровня метаболизма. Сказать, какая из этих гипотез верна – то есть были ли причиной образования групповой структуры проблемы социальные или экологические, – невозможно без фундаментальной теории, которая позволила бы определить направление анализа, подкрепить его результаты и вывести из них новые проверяемые предсказания. В этом заключается очередное проявление классической задачи о том, можно ли, и до какой степени можно, считать корреляцию признаком причинности: сама по себе корреляция двух событий далеко не означает, что одно из них является причиной другого.

При этом я должен признаться, что общая идея о том, что структура социальных сетей порождается эволюционным давлением, будь оно социальным или экологическим, мне лично очень нравится, так как она предполагает, что самоподобная фрактальная природа социальных сетей закодирована в наших генах и, следовательно, в нервной системе нашего мозга. Более того, поскольку геометрия белого и серого вещества нашего мозга, образующего нейронные контуры, которые и обеспечивают возможность всей нашей умственной деятельности, тоже представляет собой фрактальную иерархическую сеть, из этого следует, что скрытая фрактальная природа социальных сетей – это на самом деле проявление физической структуры человеческого мозга. Если пойти еще на шаг дальше, по этой же логике выходит, что структура и организация городов определяется структурой и динамическими процессами социальных сетей, а тогда и универсальную фрактальность городов можно считать проекцией универсальной фрактальности социальных сетей.

Объединяя все эти предположения, мы получаем следующее невероятное утверждение: город – это, по сути дела, масштабированное представление структуры человеческого мозга. Такой вывод кажется весьма эксцентричным, но он ярко иллюстрирует идею существования универсальной природы городов. Он сводится к тому, что города являются выражением того, как люди взаимодействуют друг с другом, а то, как именно они взаимодействуют, закодировано в нейронных сетях человека и, следовательно, в строении и организации человеческого мозга. Как ни удивительно, вполне может быть, что это не просто метафора и что карта города, на которой отражены его физические и социально-экономические потоки, есть нелинейное представление геометрии и потоков нейронной сети нашего мозга.

7. Слова и города

В отличие от биологии, в которой уделялось внимание законам масштабирования, в том, что касается изучения городов, городских систем или компаний, до наших работ этим законам уделялось поразительно мало внимания. Возможно, это было вызвано тем, что мало кто подозревал, что такие сложные, исторически сложившиеся рукотворные системы могут проявлять какую бы то ни было систематическую, численно выразимую регулярность. Кроме того, в исследованиях городов гораздо меньше принято использовать подобные модели и сравнивать теории с данными, чем в физике или биологии. Существовало, однако, одно важное исключение из этого правила: я имею в виду знаменитый закон масштабирования, известный под названием закона Ципфа для рейтинга городов по численности их населения. Его графическое представление приведено на рис. 39.

Это очень интересный закон: в своей простейшей формулировке он утверждает, что рейтинг (порядковый номер) города обратно пропорционален численности его населения. Таким образом, самый крупный город городской системы должен быть приблизительно в два раза больше, чем второй по величине, в три раза больше, чем третий, в четыре раза больше, чем четвертый, и так далее. Например, по данным переписи 2010 г., крупнейшим городом Соединенных Штатов был Нью-Йорк, население которого составляло 8 491 079 человек. Согласно закону Ципфа, численность населения второго по величине города, Лос-Анджелеса, должна быть приблизительно равна половине этого числа, то есть составлять около 4 245 539 человек, у третьего по величине города, Чикаго, должно быть приблизительно в три раза меньше жителей, то есть около 2 830 359 человек, у Хьюстона, занимающего в этой классификации четвертое место, – в четыре раза меньше, то есть около 2 122 769 человек и так далее. Реальные цифры – 3 928 864 жителя Лос-Анджелеса, 2 722 389 жителей Чикаго и 2 239 558 жителей Хьюстона – оказываются в достаточно хорошем согласии с законом Ципфа; отклонения от его предсказаний ни в одном из этих случаев не превышают 7 %.

Закон Ципфа назван по имени гарвардского лингвиста Джорджа Кингсли Ципфа, который популяризовал его в своей книге «Человеческое поведение и принцип наименьшего усилия», опубликованной в 1949 г.[131]. Впервые он сформулировал свой закон в 1935 г., в применении не к городам, а к частоте употребления слов в языках. В исходной формулировке этот закон утверждал, что частота появления любого слова в корпусе письменного текста, например в полном собрании пьес Шекспира или в Библии – или даже в этой книге, обратно пропорциональна его рейтингу в таблице частотности. Так, наиболее часто встречающееся слово используется приблизительно в два раза чаще, чем второе по частотности, в три раза чаще, чем третье, и так далее, как показано на рис. 40. Например, анализ текстов на английском языке показывает, что самое частое слово – это, что неудивительно, определенный артикль the, на долю которого приходится около 7 % всех используемых слов. Второе место занимает предлог родительного падежа of, частота появления которого приблизительно в два раза меньше и составляет около 3,5 % всех слов, а за ним следует союз and, частота употребления которого меньше приблизительно в три раза, а именно близка к 2,3 %, – и так далее[132].

Еще более загадочно то, что тот же самый закон оказывается справедливым для поразительно широкого спектра примеров, в который входят распределения по размерам морских судов, деревьев и элементарных частиц, метеоритов, нефтяных месторождений, файлов, передаваемых через интернет, и многого другого. На рис. 41 показано, как подчиняется этому закону распределение размеров компаний. Удивительная универсальность закона Ципфа и некоторые из его следствий привели к тому, что многие исследователи и авторы научных работ, воображение которых поразила его ошеломляющая простота, стали находить в нем некие мистические свойства. И сам Ципф, и многие последующие ученые размышляли о происхождении этого закона, но никакого общепринятого объяснения его существования так до сих пор и не появилось.

Рис. 39. Рейтинг городов США по размерам: по вертикальной оси отложен рейтинг городов, а по горизонтальной – численность их населения. Отметим, что на обоих графиках на этой странице имеются большие отклонения для точек с наибольшим рейтингом (слова the и города Нью-Йорка)

Рис. 40. Закон Ципфа для частотного распределения слов в английском языке: по вертикальной оси отложена частота употребления слов, а по горизонтальной – их рейтинг

Рис. 41. Распределение американских компаний по размерам: по вертикальной оси отложен рейтинг компаний, а по горизонтальной – их размер (число сотрудников)

В экономике закон Ципфа появился на самом деле еще до Ципфа[133]. Он был открыт задолго до него авторитетным итальянским экономистом по имени Вильфредо Парето, который выразил его в виде частотного распределения доходов населения, а не их рейтингов. Это распределение, действующее для многих экономических параметров – например, уровня доходов, размеров состояний или величины компаний, – подчиняется простому степенному закону с показателем около –2. Если представить его в виде рейтинга, оно соответствует закону Ципфа. Оно выражает в численном виде тот вполне очевидный экономический факт, что существует крайне мало очень богатых людей или очень крупных организаций, но чрезвычайно много, соответственно, чрезвычайно бедных и чрезвычайно мелких. Закон Парето – или принцип Парето – зачастую сводят к так называемому правилу 80/20, согласно которому богатейшие 20 % населения получают 80 % суммарных доходов, что приблизительно соответствует действительности во всем мире. Аналогичным образом, примерно 80 % доходов компании поступают от 20 % ее клиентов, так же как и 80 % жалоб. Такая асимметричная ситуация, в которой существует лишь чрезвычайно малое число очень крупных образований и чрезвычайно большое число очень мелких, характерна для закона Ципфа. Например, чтобы понять 80 % литературы, требуется лишь около 20 % содержания словаря, а около 80 % населения проживает в 20 % крупнейших городов. Все точки, расположенные между этими крайними участками, приблизительно соответствуют обратно пропорциональной зависимости степенного закона.

Несмотря на общность «законов» Ципфа и Парето, часто встречаются и большие отклонения от них, и было бы наивно считать, что существует некий неизменный универсальный принцип, который точно определяет природу этих частотных определений, не рассматривая их в гораздо более широком контексте многих других динамических процессов. Например, одного лишь знания того, что размеры городов в городской системе следуют схеме Ципфа, вряд ли достаточно для разработки всеобъемлющей принципиальной теории городов. Как минимум, для этого требуется знание не только частотного распределения размеров, но и всех остальных законов масштабирования, о которых я уже говорил, описывающих весь спектр городской жизни, охватывающих в том числе потоки энергетических, материальных и информационных ресурсов. Хотя эти распределения и впрямь очень интересны, я склонен приписывать им гораздо более скромную роль, считая их лишь одним из множества феноменологических законов масштабирования, не обладающим каким-либо особым фундаментальным значением.

Тем не менее тот факт, что распределения, подобные закону Ципфа, встречаются в столь разнообразных явлениях, заставляет предположить, что они выражают некое общее системное свойство, не зависящее от характера и деталей динамического поведения той или иной системы. Они напоминают повсеместную универсальность «колоколообразного» распределения, которое используют для описания статистических вариаций вокруг некоторого среднего значения. Это распределение, называющееся на профессиональном языке гауссовым или нормальным, возникает из математических свойств случайного распределения любых некоррелированных друг с другом и независимых друг от друга событий или объектов, какова бы ни была их природа. Например, средний рост мужчин в США равен 1,77 м, и частотное распределение роста мужчин вокруг этого среднего значения – то есть распределение числа мужчин, имеющих определенный рост, – хорошо согласуется с гауссовым распределением. Отсюда можно узнать, какова вероятность того, что отдельный человек будет того или иного роста. Гауссова статистика используется во всех отраслях науки, техники, экономики и финансов для определения статистической вероятности определенных событий – например, в прогнозах погоды или обработки результатов предвыборных опросов. Однако иногда забывают, что такие оценки вероятности основаны на предположении о том, что отдельные события, будь то при сравнении сегодняшней температуры воздуха с историческими данными или сравнении роста одного человека с ростом другого, независимы друг от друга и, следовательно, могут считаться некоррелированными.

Канонический колокол гауссовой кривой встречается так часто и настолько воспринимается как должное, что мы обычно считаем, особо не задумываясь, что так распределяется «все на свете». Поэтому распределения по степенным законам, такие как распределения Ципфа и Парето, долго оставались почти неизвестными. Предположение о том, что города, доходы и слова распределяются случайным образом, следуя классической колоколообразной кривой, казалось естественным. Если бы это было так, можно было бы предсказать, что количество очень крупных городов, очень больших компаний, очень богатых людей и очень часто встречающихся слов должно быть гораздо меньше, чем оно есть на самом деле, так как все они распределяются по степенным законам, а эти распределения имеют гораздо более длинные «хвосты». Это означает, что редких событий на самом деле гораздо больше, чем можно было бы ожидать, если бы они были случайными и подчинялись гауссовой статистике. Такое различие иногда описывают и говоря, что распределения по степенным законам имеют «толстые хвосты». Понятно, что слова в книге не могут быть случайными, потому что они должны образовывать осмысленные предложения; не могут быть случайными и города, потому что они входят в состав единой городской системы. Поэтому в том, что их распределения оказываются негауссовыми, нет ничего удивительного.

В эту категорию попадают многие из интересных явлений, о которых мы говорили, в том числе и такие катастрофы, как землетрясения, крахи финансовых рынков или лесные пожары. Все они следуют распределениям с толстыми хвостами, в которых оказывается гораздо больше редких событий – сильных землетрясений, крупных биржевых крахов, гигантских лесных пожаров, – чем можно было бы предсказать, исходя из предположения о случайности таких событий и применимости к ним классического гауссова распределения. Более того, поскольку они представляют собой приблизительно самоподобные процессы, их динамическое поведение на всех масштабных уровнях остается одним и тем же. Так, небольшие коррекции финансового рынка вызывает тот же самый механизм, который действует в случае масштабного рыночного краха. В этом заключается резкое отличие от принципиально случайного характера гауссовой статистики, в которой события, происходящие на разных масштабных уровнях, считаются независимыми и некоррелированными. Как это ни забавно, экономисты и финансовые аналитики традиционно используют в своих анализах именно гауссову статистику, игнорируя господство толстых хвостов и, следовательно, корреляций. Caveat emptor![134]

Учитывая связь распределений по степенным законам и моделей, основанных на фрактальном поведении, с возникновением редких событий, неудивительно, что они приобрели большую популярность в бурно развивающейся области управления рисками. Для оценки рисков, будь то колебания финансового рынка, провал производственных проектов, наступление юридической ответственности, дефолт по кредиту, несчастные случаи, землетрясения, пожары, теракты и так далее, широко используется параметр, который называют комплексным показателем риска. Его вычисляют как произведение размеров последствий рискового события на вероятность его наступления. Размеры последствий обычно выражают в виде финансовой стоимости предполагаемого ущерба, а вероятность определяют по той или иной версии степенного закона. По мере того как общество становится все более сложным и все более нетерпимым к рискам, возрастает и потребность в развитии научной теории рисков, в связи с чем изучение толстых хвостов распределений и редких событий привлекает все больший интерес как научных, так и деловых кругов.

8. Фрактальный город: интеграция социального и физического

Обе доминирующие компоненты, которые образуют город, его физическую инфраструктуру и происходящую в нем социально-экономическую деятельность, можно концептуально представить в виде приблизительно самоподобных фрактальных сетевых структур. Фракталы часто бывают результатом эволюционного процесса, стремящегося к оптимизации определенных характеристик, например к обеспечению снабжения клеток в организме или людей в городе энергией и информацией или к максимизации эффективности путем минимизации длительности перевозок или сроков выполнения каких-либо задач с минимальными энергозатратами. Не столь очевидно, что именно оптимизируется в сетях социальных. Например, основополагающие принципы не дают нам удовлетворительного объяснения причин возникновения иерархических структур, которые обнаружил Данбар, или природы полученных им числовых последовательностей. Даже если гипотеза социального интеллекта справедлива, она не объясняет ни как возникает фрактальная природа социальных групп, ни откуда берется число 150. Некоторые данные могут указывать на то, что такие общие свойства следуют из ранее высказанного предположения о своекорыстных интересах – то есть стремлении всех индивидуумов и компаний к максимизации своих состояний и доходов – в сочетании с концепцией максимального заполнения социального пространства как основополагающих движущих силах. Несомненно, создание численной теории социальных сетей все еще требует большой работы, и будущим исследователям еще предстоит решить множество интереснейших задач.

Любая социально-экономическая деятельность в городах включает в себя взаимодействие между людьми. Наем рабочей силы, создание ценностей, возникновение идей и инноваций, распространение инфекционных заболеваний, здравоохранение, преступность, поддержание правопорядка, образование, развлечения – словом, все занятия, которые характеризуют современного Homo sapiens и олицетворяют городскую жизнь, рождаются из непрекращающегося обмена информацией, материальными благами и деньгами между людьми. Роль города сводится к созданию возможностей для этого процесса и его усилению путем предоставления подходящей для него инфраструктуры – парков, ресторанов, кафе, стадионов, кино, театров, площадей, торговых центров, офисных зданий и конференц-залов, способствующих возникновению и укреплению социальных связей.

Поэтому все социально-экономические параметры, отражающие такую деятельность, которые мы обсуждали выше, когда говорили о городских законах масштабирования, пропорциональны числу связей или взаимодействий, происходящих между людьми, которые находятся в городе. Если бы каждый человек мог, скажем, в течение года вступить в значимое взаимодействие со всеми другими людьми в городе, то суммарное число взаимодействий между людьми можно было бы легко вычислить по весьма простой формуле: оно было бы равно произведению суммарного числа людей в городе на число людей, с которыми каждый из них может быть связан. Второй множитель равен тому же суммарному числу минус единица. Например, если вы входите в группу из десяти человек, вы можете взаимодействовать с девятью остальными членами группы. Кроме того, полученный результат нужно разделить на два, поскольку связь между вами и другим человеком нельзя считать отличной от связи между этим человеком и вами. Они симметричны и являются на самом деле одной и той же связью.

Таким образом, суммарное возможное число попарных связей между людьми города равно произведению общего числа людей в городе на то же общее число минус единица, разделенному на два. Поскольку на словах это звучит несколько громоздко, я объясню, о чем идет речь, на нескольких примерах.

Если имеется всего два человека – например, вы и ваш друг, – то суммарное число связей по этой формуле равно 2 × (2 – 1) ÷ 2 = 2 × 1 ÷ 2 = 1, что очевидно правильно: вас двоих соединяет всего одна связь. Добавим к этой группе третьего человека: для такой тройки формула дает 3 × (3 – 1) ÷ 2 = 3 × 2 ÷ 2 = 3 независимые попарные связи. Легко видеть, что и это верно: это связи между А и В, между В и С и между С и А. Если увеличить размер группы до четырех, число связей становится равным 4 × 3 ÷ 2 = 6, то есть добавление всего одного человека приводит к удвоению числа связей по сравнению с группой из трех человек. Если удвоить численность группы, увеличив ее с четырех до восьми, то число связей увеличивается с шести до 8 × 7 ÷ 2 = 28, то есть более чем в четыре раза. При следующем удвоении, до шестнадцати, число связей снова возрастает приблизительно в четыре раза, с 28 до 120. Собственно говоря, при каждом удвоении размеров группы число связей увеличивается приблизительно вчетверо. Вывод ясен: число связей между людьми растет значительно быстрее, чем число членов группы, и с хорошей точностью равно половине квадрата количества людей в группе.

Из этой простой нелинейной (точнее, квадратичной) зависимости между максимальным числом связей между людьми и размерами группы вытекает множество интересных социальных следствий. Например, моя жена Жаклин особенно любит званые ужины, на которых все собравшиеся могут поддерживать одну и ту же общую беседу, а потому неохотно участвует в ужинах, на которых ожидается больше шести участников. Для шести человек существует 6 × 5 ÷ 2 = 15 возможностей независимых попарных разговоров, которые нужно будет «подавить», чтобы организовать и вести единый коллективный разговор. Это трудно, но еще возможно, и соблазнительно было бы предположить, что это связано с тем, что число других гостей, равное пяти, соответствует числу Данбара для размера группы ближнего круга друзей среднего человека. Если за столом сидит десять человек, число возможных попарных разговоров возрастает до целых сорока пяти, что неизбежно приводит к дроблению группы и распаду общей беседы на два, три или более отдельных разговоров. Разумеется, многие люди именно такую форму общения и предпочитают, но следует помнить, что если вы хотите добиться своего рода коллективной близости, это будет непросто, если число участников группы больше шести.

Аналогичным образом, семья моих дедушки и бабушки была сравнительно большой, что было типично для большинства семей до самого недавнего времени. Она состояла из десяти человек, восьми детей и двух взрослых. Таким образом, в ней одновременно существовали сорок пять связей между людьми разных возрастов и характеров, что давало широкий спектр разнообразных взаимодействий. Если эти взаимодействия приблизительно соответствовали схеме Данбара, по которой каждый из детей был тесно связан помимо родителей с двумя или тремя из своих братьев и сестер, то не все они одинаково сильно любили всех остальных членов семьи – как обычно и бывает. Однако моя собственная «нуклеарная» семья состоит из моей жены и двоих детей, то есть представляет собой группу всего лишь из четырех человек, в которой существуют всего шесть отдельных связей. Поэтому каждому из моих детей приходится иметь дело лишь с пятью разными связями, в то время как моя дорогая матушка должна была справляться с сорока четырьмя, почти в десять раз больше, хотя ее семья была лишь в два с половиной раза больше моей. Даже не пытаясь судить о сравнительных преимуществах и недостатках больших и малых семей, трудно не заметить огромные различия в динамике семейной жизни и удержаться от рассуждений о глубоких психологических последствиях, которые неизбежно должны были быть вызваны уменьшением размеров семей, произошедшим в ХХ в.

Вернемся теперь к нашей теме и посмотрим, как все это работает в масштабах целого города. Если бы каждый человек мог поддерживать значимые связи со всеми остальными людьми, образуя с ними одну большую счастливую семью, то из приведенных выше рассуждений следовало бы, что социально-экономические параметры должны масштабироваться пропорционально квадрату численности населения. То есть показатель степенного закона был бы равен 2, что, несомненно, соответствует суперлинейному масштабированию (поскольку показатель больше единицы), но значительно превышает наблюдаемое значение, равное 1,15. Однако речь тут идет о крайнем и абсолютно нереалистичном случае, в котором все население города пребывает в лихорадочном, полном и непрерывном взаимодействии с самим собой, постоянно перемешиваясь подобно изюминкам или орехам в тесте, которое взбивает на огромной скорости электрический миксер. Даже для города скромных размеров с населением около 200 тысяч человек существует, грубо говоря, 20 млрд возможных связей, и, если каждый его житель уделяет каждой из этих связей всего минуту в год, вся его жизнь уйдет на эти отношения с другими людьми; ни на что другое времени не останется. Что уж говорить о масштабах Нью-Йорка или Токио. Кроме того, существует ограничение, налагаемое числом Данбара: согласно ему нам трудно поддерживать сколько-нибудь значимые отношения более чем с приблизительно 150 людьми, не говоря уже о нескольких сотнях тысяч или нескольких миллионах. Именно это ограничение числа возможных взаимодействий сравнительно небольшой величиной и приводит к тому, что степенной показатель суперлинейного масштабирования оказывается значительно меньше возможного максимального значения, равного 2.

Это упражнение демонстрирует, что суперлинейному масштабированию социальной связности и, следовательно, социально-экономических параметров в зависимости от численного населения существует естественное объяснение. Социально-экономические параметры являются суммой взаимодействий или связей между людьми, а потому они зависят от степени коррелированности людей. Как мы видели, в предельном случае, в котором все взаимодействуют со всеми, это дает суперлинейный степенной закон с показателем, равным 2. Однако в реальности интенсивность и количество взаимодействий каждого отдельного человека оказываются существенно ограничены, в результате чего значение показателя становится меньшим 2.

Главная причина ограниченности числа и интенсивности взаимодействий, которые мы можем поддерживать с другими жителями города, коренится в пределах, которые устанавливают пространство и время. Мы просто не можем быть во всех местах одновременно. Очевидное, хотя и не всегда заметное фундаментальное ограничение вытекает из того, что любые наши взаимодействия и отношения неизбежно развиваются в каком-либо физическом месте – в домах, офисах, театрах, магазинах или на улицах. Каким бы образом вы ни общались с другими людьми, даже если это общение происходит со скоростью света, через спутники при помощи мобильных телефонов, даже если вы делаете все свои покупки в интернете, все равно вы должны при этом где-то находиться. Вы можете сидеть внутри здания, стоять на улице или идти по ней, ехать в метро или автобусе, но, где бы вы ни были, вы всегда находитесь в каком-то физическом месте. Я подчеркиваю это очевидное обстоятельство, потому что развитие интернета и быстро эволюционирующей теории сетей приводит к прискорбно широкому распространению обманчивого впечатления, что социальные сети существуют как бы подвешенными в пространстве, что на них не распространяются ни ограничения гравитации, ни другие досадные помехи, свойственные физическому миру. Эту мысль отражают распространенные изображения социальных сетей в виде узлов и соединений, о которых я говорил выше; пример такого представления был проиллюстрирован на с. 333. Такие топологические представления социальных взаимодействий, абстракции, пришедшие из теории сетей, изображают людей некими эфемерными созданиями, подвешенными в гиперпространстве и лишенными физических свойств, а не реальными людьми, сидящими на своих кухнях, в кафе, офисах или автобусах и разговаривающими друг с другом. Как это ни удивительно, несмотря на огромный объем недавних исследований строения, организации и математики социальных сетей, почти никто не признает – и тем более не учитывает в своей работе – их прямой и неизбежной связи с грубой реальностью физического мира. А физический мир, о котором идет речь, – это в первую очередь городская среда.

Именно здесь вступает в игру городская инфраструктура: как я уже подчеркивал, ее роль заключается в усилении и облегчении социальных взаимодействий. Это приводит нас к еще одному очевидному наблюдению: мы не только должны находиться в какой-то точке города, но и, что не менее важно, по крайней мере в течение некоторого времени мы должны перемещаться из этой точки в другие. Люди, находящиеся в городе, не могут оставаться неподвижными; их подвижность является важным элементом жизнеспособности и жизненной силы города. Мы все время перемещаемся с места на место: из дома на работу, в офис или на завод, обратно домой для еды и сна, в магазин за покупками или в театр в поисках развлечений. На временном масштабе нескольких дней или недель оказывается, что горожане, по сути дела, постоянно находятся в движении, которое неизбежно переплетается с транспортной системой города и ограничивается ею. Подвижность и социальные взаимодействия, два фактора, столь важные для успешного существования города, сводят вместе ограничения пространства и времени – человек не может оставаться неподвижным и должен находиться в каком-то месте, – которые переплетают структуру, организацию и динамику социальных и инфраструктурных сетей.

В главах 3 и 4 мы объяснили происхождение универсальных законов масштабирования в биологии и предложили общую теорию, которая демонстрирует связь многих аспектов живых систем с общими математическими свойствами сетей. Для создания аналогичной общей теории городов, из которой можно будет вывести, например, законы городского масштабирования, также необходимо перевести идеи, касающиеся общих свойств социальных и инфраструктурных сетей городов, на язык математики. Ниже я попытаюсь объяснить, как это делается, не вникая в замысловатые технические подробности, но уделяя особое внимание концептуальным основам и наиболее существенным особенностям этого процесса.

В контексте этой задачи отдельных людей можно считать «неизменяемыми концевыми модулями» социальных сетей, что означает, что в среднем каждый человек существует и действует в городе приблизительно в одинаковом социальном и физическом объеме. Это предположение согласуется со следствиями из «универсального» числа Данбара и теми пространственно-временными ограничениями подвижной деятельности в городах, которые мы только что обсуждали. Вспомним, что физическое пространство, в котором мы действуем, охвачено заполняющими пространство фрактальными сетями – например, дорожными и коммунальными сетями, – которые обслуживают инфраструктурные и концевые модули: жилые дома, магазины и офисы, в которых мы живем, работаем и взаимодействуем и между которыми нам также приходится перемещаться. Объединение этих двух типов сетей, то есть требование привязки социально-экономического взаимодействия, выражающегося в виде заполняющих пространство фрактальных социальных сетей, к физической сущности города, осуществляющейся в виде заполняющих пространство фрактальных инфраструктурных сетей, определяет число взаимодействий, в которых может участвовать в городе средний горожанин. А как мы уже говорили, именно это число определяет законы масштабирования социально-экономической деятельности в зависимости от численности населения.

Биологическая метафора, представляющая город живым организмом, основывается в первую очередь на восприятии его физических черт. Эта аналогия особенно ясно видна в сетях, транспортирующих энергетические и материальные ресурсы в виде электричества, газа, воды, машин, грузовиков и людей, и именно этот элемент города более всего напоминает сети, столь распространенные в биологии, – наши сердечно-сосудистую и дыхательную систему или систему сосудов деревьев и других растений. Совместное применение принципов заполнения пространства, неизменности концевых модулей и оптимизации (например, минимизации длительности перемещений и энергопотребления) приводит к тому, что эти сети также становятся фрактальными, и инфраструктурные параметры масштабируются по сублинейным степенным законам, говорящим о наличии экономии на масштабе и подчиняющимся правилу 15 %.

Когда такие ограничения подвижности и пространства физического взаимодействия городского человека налагаются на структуру социальных сетей, получается важный результат, имеющий далеко идущие последствия: число взаимодействий с другими горожанами, осуществляемых средним человеком, масштабируется с ростом размеров города по закону, обратному закону масштабирования инфраструктуры. Другими словами, масштабирование инфраструктуры и энергопотребления должно быть сублинейным в той же степени, в которой масштабирование числа социальных взаимодействий среднего индивидуума суперлинейно. Исходя из этого показатель степенного закона, регулирующего социальные взаимодействия, а следовательно, и все социально-экономические параметры – универсальное правило 15 %, по которому масштабируется в зависимости от размеров города все хорошее, плохое и злое, что в нем есть, – оказывается больше единицы (1,15) настолько же, насколько показатель, определяющий размеры инфраструктуры и потоки энергетических и материальных ресурсов, меньше единицы (0,85), что мы и наблюдаем в данных. В графическом представлении наклоны всех прямых на рис. 34–38 превосходят 1 настолько же, насколько на рис. 33 они не доходят до 1.

Поэтому с точки зрения принципов масштабирования сетей физические и социальные аспекты не случайно отражают друг друга настолько, что физический город – со всеми его сетями дорог, линий электропередачи, газовыми и водопроводными трубами – оказывается обратным нелинейным представлением города социально-экономического – с его сетями социальных взаимодействий. Город – это действительно люди.

Приблизительно 15 %-е увеличение числа социальных взаимодействий и, следовательно, значений социально-экономических параметров, например доходов, числа патентов или уровня преступности, происходящее при каждом удвоении размеров города, можно считать премией или наградой, которую порождает 15 %-я экономия размеров физической инфраструктуры и энергопотребления. Систематическое увеличение социальных взаимодействий – это важный двигатель социально-экономической активности в городах: социальные сети и рост интенсивности межличностного взаимодействия стимулируют и усиливают создание ценностей, появление инноваций, преступность с применением насилия и ощущение энергичной жизни и широких возможностей.

Однако это же положение вещей можно с тем же успехом представить и с другой стороны: город можно считать катализатором или горнилом «социальной химии», в котором рост социальных взаимодействий приводит к росту творчества, инноваций и возможностей, приносящему нам в награду увеличение экономии на масштабе. Так же как повышение температуры газа или жидкости увеличивает интенсивность и частоту столкновений между молекулами, увеличение размеров города приводит к росту интенсивности и числа взаимодействий между горожанами. Тогда увеличение размеров города можно уподобить, в некоем метафорическом смысле, повышению его температуры. В этом отношении Нью-Йорк, Лондон, Рио и Шанхай – города очень горячие, особенно по сравнению с Санта-Фе, в котором живу я. Эту метафору хорошо выражает вошедший в поговорку образ «плавильного котла», который исходно описывал именно Нью-Йорк.

С этой точки зрения признак успешного города, какими бы ни были его размеры, состоит в том, что он обеспечивает физическую среду, культурную атмосферу и жизненный ландшафт для стимуляции и усиления разнообразных социальных взаимодействий – привлекательные городские пейзажи и места собраний, удобные и доступные системы транспорта и связи, а также благоприятную атмосферу общественной жизни, торговли, культуры, гражданственности и руководства. Город – это, по сути дела, машина для стимулирования и интеграции непрерывной положительной обратной связи между физическими и социальными аспектами, благодаря которой каждая из этих сторон обеспечивает мультипликативное усиление другой. Как будет показано в следующей главе, именно этот мультипликативный механизм является первопричиной неограниченного экспоненциального роста, характерного для городов и экономики, к которому мы так пристрастились, – чтобы не сказать попали в рабство.

Существование корреляции между усилением социальных взаимодействий, социально-экономической деятельностью и увеличением экономии на масштабе, вероятно, не столь удивительно. Удивительно, однако, то, что эта основополагающая взаимосвязь подчиняется столь простым математическим правилам, которые можно выразить в следующей изящной универсальной форме: сублинейность масштабирования размеров инфраструктуры и энергопотребления точно равна величине, обратной суперлинейности масштабирования социально-экономической деятельности. Следовательно, чем больше город, тем больше каждый горожанин зарабатывает, создает, изобретает и общается – тем больше он встречается с преступностью, болезнями, развлечениями и возможностями, – и тем меньше на каждого горожанина приходится инфраструктуры и энергии, причем на одни и те же 15 %. В этом и состоит гениальность городов. Неудивительно, что они привлекают к себе столько народа.

Тесная связь между ростом социально-экономической деятельности и инфраструктурной экономией на масштабе, заключенная в обратном соотношении этих факторов, происходит с механистической точки зрения из аналогичного обратного соотношения лежащих в их основе сетевых структур. Хотя социальные и физические сети обладают одинаковыми общими чертами – и те и другие фрактальны, заполняют пространство и содержат неизменяемые концевые модули, – между ними имеются существенные различия. Одно из главных таких различий с огромными последствиями касается того, как масштабируются размеры и потоки внутри сети, по мере продвижения между разными уровнями фрактальной иерархии[135].

В инфраструктурных сетевых системах – транспортной, водопроводной, газовой, электрической или канализационной – размеры и интенсивность потоков в трубах, в проводах, на дорогах и так далее систематически возрастают от концевых модулей, обслуживающих отдельные здания, к крупным каналам и артериям, обеспечивающим соединения с некоторым центральным источником, узлом или хранилищем. Очень похожим образом устроена наша сердечно-сосудистая система, в которой размеры сосудов и интенсивность тока в них систематически увеличиваются от капилляров к аорте и далее к сердцу. В этом заключается причина сублинейного масштабирования и экономии на масштабе. Напротив, как было сказано, когда мы обсуждали иерархию чисел Данбара, в сетях социально-экономических – которые отвечают за создание ценностей, инновации, преступность и так далее – работает обратная система. Интенсивность социальных взаимодействий и потоков обмена информацией выше всего между концевыми модулями (то есть отдельными людьми) и систематически уменьшается при перемещении вверх по иерархии групповых структур, от семей и других небольших групп ко все более крупным сообществам, что порождает суперлинейное масштабирование, усиление на масштабе и ускорение темпов жизни.

Глава 8. Следствия и предсказания

От мобильности и темпов жизни до социальных связей, многообразия, метаболизма и роста

В этой главе я рассмотрю некоторые из следствий нашей общей теории городов, которую мы разработали в предыдущей главе. Хотя работа над этой теорией еще не закончена, я покажу на нескольких примерах, что многое из того, с чем мы встречаемся в городах и, в более широком смысле, в своем повседневном участии в социально-экономической деятельности, встроено в эту численную систему. В этом отношении ее следует рассматривать как дополнение к традиционным социологическим и экономическим теориям, которые обычно бывают по характеру своему более качественными, более локализованными, в большей степени основанными на описательном подходе, менее аналитическими и в меньшей степени вскрывающими действующие механизмы. С точки зрения физики жизненно важным свойством теории является ее способность к формированию численных предсказаний, которые можно сопоставить с данными, а в некоторых случаях – с «большими данными».

Наша теория уже прошла первое испытание: она дала естественное объяснение происхождения многих из рассмотренных выше законов масштабирования. Она также объясняет их универсальную применимость к разным параметрам и разным городским системам, а также самоподобие и фрактальность городов. Более того, наш анализ позволяет обобщить и объяснить огромное количество данных, заложенных в неявном виде во множество законов масштабирования, управляющих измеримыми характеристиками структуры и организации городов, в том числе и социально-экономической жизни их горожан.

Хотя этот результат уже можно считать большим достижением, на самом деле это только начало. Мы получили отправную точку для распространения своей теории на широкий круг задач, касающихся не только городов и урбанизации, но и экономических систем и фундаментальных вопросов роста, инноваций и устойчивости. Одна из важных частей этого процесса состоит в проверке и подтверждении справедливости теории путем сравнения ее предсказаний с данными, например численными характеристиками социальных связей между людьми, их перемещений в городах и популярности определенных мест. Например, сколько народа посещает то или иное место в городе? Как часто они в нем бывают и с каких расстояний приезжают? Каково распределение по видам профессий и коммерческих предприятий? Каково предполагаемое число работающих в городе окулистов, адвокатов по уголовным делам, продавцов, программистов или косметологов? Какие из этих параметров растут, а какие – уменьшаются? В чем причина повышения темпов жизни и неограниченного роста? И наконец, наиболее важный вопрос, который мы будем рассматривать в главе 10: насколько все это устойчиво?

1. Возрастающий темп жизни

В предыдущей главе я показал, что увеличение размеров города приводит к образованию большего числа социальных взаимодействий на душу населения и в то же время к снижению их стоимости. Эта динамика проявляется в необычайном усилении новаторства, творчества и неограниченного роста по мере увеличения размеров города. В то же время она порождает еще одну важную особенность современной жизни – по-видимому, непрекращающееся увеличение ее темпа.

Как было сказано выше, если мы представляем себе социальные сети в виде иерархических слоев, начинающихся с «неизменяемых концевых модулей», то есть отдельных людей, и продолжающихся в систематически увеличивающихся модульных группировках, от семьи, группы близких друзей и коллег до круга знакомых, профессиональных сообществ и организаций, то соответствующие величины интенсивности взаимодействия и объемов обмена информацией систематически уменьшаются на каждом следующем уровне, что приводит к суперлинейному масштабированию. Обычный человек более тесно связан, проводит больше времени и обменивается бо́льшим количеством информации с другими индивидуумами, будь то члены его семьи, близкие друзья или коллеги, чем с гораздо более крупными и более безликими коллективами – например, городской администрацией или руководством предприятия.

В инфраструктурных сетях действует иерархия противоположного типа. Размеры и объемы потоков систематически увеличиваются от концевых элементов (жилищ и других зданий) вверх по сети, что порождает сублинейное масштабирование и экономию на масштабе. В главе 3, когда мы рассматривали кровеносные и дыхательные системы организмов, я показал, что сетевая архитектура такого типа также приводит к систематическому замедлению темпа жизни по мере увеличения размеров организма. Более крупные животные живут дольше, их сердца и дыхательные системы работают медленнее, они медленнее растут, взрослеют и производят потомство, да и вообще живут в более медленном темпе. Биологическое время растягивается с увеличением размеров систематическим и предсказуемым образом в соответствии с законами масштабирования с четвертными показателями. Суетящаяся мышка во многих отношениях оказывается просто ускоренной, уменьшенной в масштабе копией величественного слона.

Зная обратное соотношение между этими двумя типами сетей, мы не должны особенно удивляться тому, что в сетях социальных обнаруживаются прямо противоположные тенденции. Вместо систематического снижения темпов жизни с увеличением размеров суперлинейная динамика социальных сетей приводит к систематическому росту темпов жизни: болезни распространяются быстрее, компании рождаются и умирают чаще, сделки совершаются в более высоком темпе и даже люди ходят с большей скоростью, причем все эти изменения соответствуют правилу 15 %. Именно в этом заключается научное объяснение того, что жизнь в Нью-Йорке кажется нам более быстрой, чем в Санта-Фе, и что темпы жизни во всем мире возросли в течение нашей жизни по мере увеличения городов и роста их экономики.

Эффективное ускорение времени есть эмерджентное явление, порождаемое механизмами непрерывной положительной обратной связи, заложенными в социальных сетях: по мере увеличения размеров социальные взаимодействия порождают новые взаимодействия, идеи стимулируют появление новых идей, а богатство приводит к появлению нового богатства. Все это отражает беспрестанное перемешивание, составляющее самую суть динамики жизни города, и приводит к мультипликативному усилению социальных связей между людьми, которое и проявляется в виде суперлинейного масштабирования и систематического ускорения течения социально-экономического времени. Если биологическое время растягивается систематическим и предсказуемым образом по мере увеличения размеров, следуя степенным законам масштабирования с четвертными показателями, то время социально-экономическое точно так же сжимается в соответствии с 15 %-ми законами масштабирования, и в обоих этих случаях выполняются математические правила, определяемые геометрией и динамикой сетей, лежащих в основе соответствующих систем.

2. Жизнь на ускоряющейся беговой дорожке: город как невероятная машина для сжатия времени

Даже если вы очень молоды, вы, наверное, легко согласитесь с тем, что за время вашей жизни почти все аспекты жизни постоянно ускорялись. Лично для меня это несомненно так. Хотя я дожил до середины восьмого десятка и многие из больших жизненных препятствий и трудностей остались для меня позади, мне непрерывно приходится прилагать все усилия, чтобы удержаться на «беговой дорожке», которая не только никогда не останавливается, но, как кажется, еще и движется все быстрее и быстрее. Мой почтовый ящик остается полным, сколько бы я ни удалял сообщений и ни отвечал на них, мое отставание от графика с заполнением налоговых деклараций – не только за этот год, но и за прошлый – достигло угрожающего уровня, я судорожно пытаюсь запомнить полубесконечное количество паролей, дающих мне доступ ко всевозможным счетам и учетным записям и так далее и так далее. Вы наверняка тоже ведете свою собственную борьбу с подобным же сонмом неотложных дел, на которые, как бы вы ни старались, никогда не хватает времени. А если вы живете в большом городе, у вас есть маленькие дети или собственное предприятие, все это еще более усугубляется.

Ускорение социально-экономического времени является неотъемлемой чертой современной жизни в эпоху урбаноцена. Тем не менее, как и у многих из нас, у меня в сознании существует романтический образ совсем недавнего времени, когда жизнь была менее суматошной, менее напряженной и более расслабленной, когда у нас оставалось время на мысли и рассуждения. Посмотрите, однако, что говорил на эту тему почти двести лет назад, в 1825 г., вскоре после начала промышленной революции, великий немецкий поэт, философ, ученый и государственный деятель Иоганн Вольфганг фон Гёте:[136]

Теперь все ultra, все преступает границы, как в мыслях, так и в поступках. Никто не знает самого себя, никто не понимает элемента, в котором живет и действует, предмета, который обрабатывает. О чистой простоте нечего и говорить. Молодые люди слишком рано берутся за перо, а потом увлекаются потоком времени. Богатство и быстрота, вот чему удивляется свет, и вот за чем все гонятся. Образованный мир выдумывает железные дороги, быстрые почты, пароходы и всевозможные удобства сообщений, чтобы переполнить свое образование и все-таки не выйти из посредственности. Распространение посредственного образования есть, кажется, необходимый результат всеобщности…

Эта любопытная смесь замечаний об ускорении темпа жизни и вызванной им эрозии культуры и ценностей, хотя и высказанная языком несколько архаическим, звучит поразительно знакомо.

Итак, в ускорении жизни нет ничего нового; удивительно, однако, то, что это ускорение носит всеобщий характер и может быть выражено в численном виде и подтверждено путем анализа данных. Более того, применение математики социальных сетей позволяет соотнести это ускорение с механизмами положительной обратной связи, которые способствуют творчеству и новаторству и являются источником многих преимуществ и недостатков социального взаимодействия и урбанизации, и объяснить его с научной точки зрения. В этом отношении города оказываются машинами ускорения времени.

Сжатие социально-экономического времени – это одна из наиболее заметных и имеющих наиболее далеко идущие последствия черт современной жизни. Несмотря на то что оно пронизывает жизнь всех и каждого, ему до сих пор уделялось явно недостаточное внимание. Я хотел бы привести здесь историю из своего личного опыта, иллюстрирующую ускорение времени и те изменения, которые оно приносит.

В первый раз я приехал в Соединенные Штаты в сентябре 1961 г., на учебу в магистратуре физического факультета Стэнфордского университета. Я доехал на поезде, который тянул паровоз, от лондонского вокзала Кингс-Кросс до Ливерпуля, сел там на канадский пароход «Императрица Англии» и почти десять суток плыл через Атлантику и по реке Святого Лаврентия, пока не достиг Монреаля. Там я переночевал и сел на автобус компании Greyhound, который доставил меня в Калифорнию за четверо суток с учетом ночевки в отделении YMCA[137] в Чикаго, где у меня была пересадка на другой автобус. В целом это путешествие стало для меня замечательным во многих отношениях приключением, не в последнюю очередь благодаря тому, что оно дало мне превосходную возможность познакомиться с разнообразием, многогранностью и эксцентричностью американской жизни, а также ощутить огромные географические размеры этой страны. Даже сейчас, пятьдесят пять лет спустя, я все еще пытаюсь осознать все то, с чем я встретился в этом путешествии, продолжая свои попытки разгадать смысл и тайну Америки и всего, что она олицетворяет.

Хотя я происходил из семьи довольно скромного достатка, такое путешествие было типичным для большинства студентов того времени. В общей сложности путь из Лондона в Лос-Анджелес, где я остановился у друга, прежде чем меня отвезли в Пало-Альто, занял у меня более двух недель. Сегодня даже самый бедный студент может совершить путешествие из Лондона в Лос-Анджелес менее чем за двадцать четыре часа, а подавляющее большинство преодолевает это расстояние намного быстрее. Прямой перелет длится в наше время около одиннадцати часов, и даже в конце 1950-х гг. вы могли с удобством долететь от Лондона до Лос-Анджелеса менее чем за пятнадцать часов – если, конечно, вы могли себе это позволить. Однако если бы я предпринял то же путешествие лет за сто до того, оно могло занять многие месяцы.

Это лишь один яркий пример того, насколько сократилось за последнюю пару сотен лет время, необходимое для путешествий. Это обстоятельство часто выражают расхожим образом: мир сжался. Понятно, что на самом деле мир не сжимался: расстояние между Лондоном и Лос-Анджелесом как было, так и осталось равным 8800 км; сжалось время, и его сжатие имеет глубокие последствия для всех аспектов жизни, от личного до геополитического. В 1914 г. знаменитый шотландский картограф Джон Бартоломью, придворный картограф Георга V, опубликовал «Атлас экономической географии», замечательное собрание данных и фактов об экономической деятельности, ресурсах, здоровье, климатических условиях и бог знает чего еще обо всех известных местах всего мира[138]. Одной из уникальных иллюстраций этого атласа была карта, показывающая, сколько времени занимает путешествие в любую из крупных областей планеты. Это очень поучительная карта. Например, границы Европы отстояли друг от друга на расстояние пяти суток пути: теперь их разделяет всего несколько часов. Точно так же в 1914 г. границы Британской империи распространялись на несколько недель пути, а сегодня ее призрачные останки можно пересечь менее чем за сутки. Путь до большинства точек Центральной Африки, Южной Америки и Австралии занимал более сорока суток, и даже до Сиднея нужно было добираться больше месяца.

Но длительность переездов – это лишь одно из проявлений поразительного ускорения темпов жизни, вызванного головокружительным распространением сжимающих время инноваций. Только на протяжении моей жизни мы стали свидетелями появления в области транспорта реактивных самолетов и скоростных поездов, в области связи – персональных компьютеров, сотовых телефонов и интернета, в области снабжения товарами и продуктами – дистанционной торговли и ресторанов быстрого питания с обслуживанием без выхода из автомобиля, в области домашнего хозяйства – микроволновых печей, стиральных и посудомоечных машин, в военном деле – газовых камер, ковровых бомбардировок и ядерного оружия и так далее. А если говорить о более ранней эпохе, можно представить себе, сколь революционными были перемены, принесенные паровым двигателем, телефоном, фотографией, кинематографом, телевидением или радио.

Один из наиболее иронических аспектов всех этих чудесных изобретений (за исключением, может быть, ужасных средств уничтожения) состоит в том, что все они обещали облегчить нашу жизнь, сделать ее более управляемой и, следовательно, дать нам больше свободного времени. Во времена моей молодости ученые мужи и футурологи говорили о великолепном будущем, которое обеспечат нам такие экономящие время изобретения, и активно обсуждался вопрос о том, что мы будем делать со всем тем свободным временем, которое окажется в нашем распоряжении. При наличии дешевой энергии из ядерных источников и этих фантастических машин, которые будут делать за нас всю физическую и умственную работу, наша рабочая неделя станет короче, и у нас останется масса времени на наслаждение жизнью в компании родных и друзей, наподобие той несколько скучной привилегированной жизни, которую вели дамы и господа из аристократических классов прежних веков. В 1930 г. великий экономист Джон Мейнард Кейнс писал:

Впервые с момента творения человек столкнется с реальной, вечной проблемой: как использовать свою свободу от неотложных экономических забот, завоеванную для него наукой и сложными процентами, для жизни разумной, приятной и благополучной.

А в 1956 г. сэр Чарльз Дарвин, внук «того самого» Чарльза Дарвина, опубликовал в журнале New Scientist эссе о грядущем Веке Досуга, в котором утверждал:

Предположим, что возможное рабочее время составляет пятьдесят часов в неделю. Технологи, работающие по пятьдесят часов в неделю, будут создавать изобретения, которые позволят остальным людям работать в неделю всего по двадцать пять часов. Чтобы эти имеющие больший досуг члены общества не натворили каких-нибудь бед, в оставшиеся двадцать пять часов придется играть в игры… Готово ли большинство представителей человечества к выбору своего досуга или же потребуется учреждать для взрослых нечто вроде обязательных развлечений школьников?

Как они заблуждались! Они считали, что труднее всего будет чем-то занять людей, чтобы они не умерли со скуки. Вместо того чтобы предоставить нам больше времени, «наука и сложные проценты», подстегиваемые «технологами, работающими по пятьдесят часов в неделю», на самом деле дают нам все меньше времени. Мультипликативное усиление социально-экономического взаимодействия, порожденное урбанизацией, неизбежно приводит к сокращению времени. Нам грозит не столько смерть от скуки, сколько тревожные расстройства, нервные срывы, инфаркты и инсульты, вызванные смертельно большим ускорением.

Наверное, можно сказать, хотя и в несколько другом смысле, что сэр Чарльз, сам того не зная, кое в чем был прав. В конце концов, по всей видимости, телевидение и информационная революция больше всего повлияли на общество именно в сфере «учреждения для взрослых чего-то вроде обязательных развлечений школьников». Разве не такими развлечениями являются Facebook, Twitter, Instagram, «селфи», СМС и все остальные развлекательные средства, господствующие в нашей жизни и заполняющие наше время? Разумеется, они выполняют и другие функции и, несомненно, могут повысить качество жизни, но искушению попасть в зависимость от них противиться трудно. Соблазнительно было бы считать, что они превратились именно в такие «обязательные развлечения» или заняли место религии в качестве Марксова «опиума для народа» XXI в. Как бы то ни было, они дают прекрасный пример недавних инноваций, внесших свой вклад в ускорение социальной жизни.

Ниже я познакомлю вас с теорией роста, разработанной на основе сетевой теории масштабирования, и покажу, что поддержание непрерывного и неограниченного роста требует все большего ускорения темпов инноваций и коренных изменений, которые, таким образом, еще более способствуют ускорению времени. Однако прежде я хотел бы привести несколько ярких примеров, в части которых используются «большие данные», позволяющих обосновать и проверить различные количественные предсказания нашей теории, в том числе и в отношении увеличения темпов жизни.

3. Время на дорогу и размеры городов

В 1970-х гг. израильский инженер, специалист по транспортным системам Яков Захави написал для Министерства транспорта США, а затем – для Всемирного банка серию интереснейших отчетов о транспорте в городах. Они должны были помочь в устранении конкретных проблем транспорта и подвижности, возникающих по мере роста городов и все более частого возникновения заторов. Как и следовало ожидать, в этих отчетах было множество весьма подробных данных и предлагались решения конкретных транспортных проблем. Однако в дополнение к стандартному анализу, выполненному с точки зрения классического инженера-консультанта, Захави неожиданно свел свои результаты в общую приблизительную систему, как мог бы сделать на его месте физик-теоретик. Его модель, которой он дал величественное название «Объединенная модель механизмов перемещения», не учитывает ни физической, ни социальной структуры городов, так же как и фрактальной природы дорожных сетей. Она основана почти исключительно на оптимизации экономической стоимости перемещений для среднего человека с учетом его доходов (грубо говоря, человек выбирает самое быстрое средство перемещения, какое он может себе позволить). Хотя эта модель не получила всеобщего признания и не была опубликована в научных журналах, один из многочисленных интересных выводов из нее проник в городской фольклор. Он позволяет взглянуть на вопрос увеличения темпов жизни с несколько неожиданной стороны.

Используя данные, собранные в городах нескольких стран, в том числе Соединенных Штатов, Англии, Германии и некоторых развивающихся стран, Захави получил следующий удивительный результат: суммарное количество времени, которое средний человек ежедневно тратит на дорогу, остается приблизительно одним и тем же независимо от размеров города и способа перемещения. Оказывается, мы, как правило, тратим на дорогу около часа в день, кто бы и где бы мы ни были. Грубо говоря, средняя длительность перемещения из дома на работу составляет около получаса в один конец, и эта величина не зависит ни от города, ни от способа перемещения.

Поэтому, хотя некоторые люди перемещаются быстрее – кто на машине или на поезде, кто на автобусе или на метро, – а некоторые гораздо медленнее, на велосипеде или пешком, в среднем все мы тратим на дорогу на работу и обратно не более часа или около того. Поэтому увеличение скорости перемещения, вызванное потрясающими инновациями последней пары сотен лет, привело не к сокращению времени, затрачиваемого на дорогу, а к увеличению дальности перемещения. Благодаря всем этим усовершенствованиям люди получили возможность жить дальше от работы и попросту ездить на нее на бо́льшие расстояния. Вывод ясен: размеры города до некоторой степени определяются способностью транспортной системы доставлять людей на работу немногим дольше чем за полчаса.

Поразительные наблюдения Захави произвели большое впечатление на итальянского физика Чезаре Маркетти, который работал старшим научным сотрудником в Международном институте прикладного системного анализа (International Institute for Applied Systems Analysis, IIASA) в Вене. IIASA проводит важную работу в сферах изучения глобальных изменений климата, экологического воздействия и экономической устойчивости, и именно в этих областях были сосредоточены интересы и результаты работы Маркетти. Работы Захави заинтриговали его, и в 1994 г. он опубликовал большую статью, в которой разрабатывал тему кажущейся инвариантности времени, проводимого ежедневно в дороге, и утверждал, что действительно постоянной величиной является суммарное за сутки время перемещения, которое он назвал «длительностью выхода»[139]. То есть даже если время, которое человек тратит на дорогу, меньше одного часа, такой человек инстинктивно компенсирует эту разницу другими занятиями, например прогулками или пробежками. В обоснование этого утверждения Маркетти иронично замечает: «Даже те, кто отбывает пожизненное заключение в тюрьме, кому некуда идти и нечего делать, каждый день выходят на часовую прогулку на свежем воздухе».

Поскольку скорость пешехода составляет около 5 км/ч, характерный размер «пешеходного города» – около 5 км в поперечнике, что соответствует площади порядка 20 кв. км. Как утверждает Маркетти, «ни в одном крупном древнем городе (до 1800 г.), будь то Рим или Персеполь, нет городских стен диаметром более 5 км или радиусом более 2,5 км. Даже сегодня в Венеции, остающейся пешеходным городом, максимальный размер связного центра в точности равен 5 км». С появлением конки и автобуса, электровоза и паровоза, а в конце концов и автомобиля размеры городов стали расти, но, по словам Маркетти, этот рост был ограничен правилом одного часа. При наличии автомобилей, способных перемещаться со скоростью 40 км/ч, города или, в более общем случае, городские агломерации могут вырасти до 40 км в поперечнике, типичного размера большинства крупных городов. Это соответствует площади порядка 1250 кв. км, что более чем в 50 раз превышает площадь пешеходного города.

Это удивительное наблюдение примерно получасовой длительности ежедневного перемещения живущего в обществе человека, неизменной, где бы он ни жил – в Древнем Риме, в средневековом городе, в греческой деревне или в Нью-Йорке ХХ в., стало известно под названием постоянной Маркетти, хотя исходно открыл его Захави. В качестве приблизительного правила оно, несомненно, имеет важные следствия для проектирования и структуры городов. По мере того как проектировщики начинают разрабатывать безавтомобильные экологические районы и в центрах все большего числа городов вводятся запреты на въезд автомобилей, понимание и учет ограничений, которые подразумевает постоянная Маркетти, становятся важными факторами поддержания жизнеспособности города.

4. Растущая скорость ходьбы

Захави и Маркетти предполагали, что скорость конкретного способа перемещения, например ходьбы или езды на машине, не меняется при изменении размеров города. Как мы видели выше, Маркетти оценивал приблизительный размер города, в котором основной способ перемещения – пешая ходьба, исходя из допущения, что средняя скорость пешехода равна 5 км/ч. Однако в крупных городах, в которых существует много разных видов транспорта, человек ходит пешком в оживленных районах, в которых он, по сути дела, становится частью толпы, и в игру вступает динамика социальных сетей. Мы подсознательно испытываем влияние присутствия других людей, заражаемся увеличивающимся темпом жизни и, сами того не замечая, спешим – в магазин, в театр или на встречу с другом. В маленьких городах пешеходные улицы редко бывают заполнены народом, и общий темп жизни бывает гораздо более неспешным. Поэтому можно предположить, что скорость пешей ходьбы будет возрастать с увеличением размеров города, и соблазнительно было бы предположить, что она подчиняется все тому же правилу 15 %, так как механизм, ответственный за ее увеличение, отчасти запускается путем социальных взаимодействий.

Как это ни забавно, данные подтверждают, что скорость пешей ходьбы действительно возрастает с увеличением размеров города и приблизительно следует степенному закону, хотя его показатель несколько меньше канонического числа 0,15: он оказывается ближе к 0,10 (см. рис. 42). В этом нет ничего удивительного с учетом простоты нашей модели и того факта, что социальные взаимодействия лишь отчасти обусловливают этот странный эффект. Интересно отметить, что, по имеющимся данным, скорость среднего пешехода в городах с населением более миллиона человек, доходящая до стремительных 6,5 км/ч, почти в два раза превышает ту же величину для маленьких городов с населением всего несколько тысяч. Весьма вероятно, что эта величина где-то достигает насыщения, поскольку существуют очевидные биофизические ограничения максимальной скорости, с которой человеку может быть удобно ходить.

Эта скрытая динамика нашла свое неожиданное выражение в недавно открытых в британском городе Ливерпуле дорожках для быстрых пешеходов. Оказалось, что пешеходы, идущие недостаточно быстро, так раздражали людей, что городу пришлось ввести специальные дорожки для быстрой ходьбы (см. рис. 43). Подпись под этой фотографией дает поразительное выражение увеличения темпа жизни: половина опрошенных заявила, что низкая скорость ходьбы, которую задавали другие пешеходы, мешала им ходить за покупками в центре города. Этот эксперимент пробудил интерес в других городах всего мира, которые стали следовать примеру Ливерпуля, так что я подозреваю, что мы еще встретимся с этим любопытным явлением на центральных улицах других крупных городов.

Рис. 42. Масштабирование скорости среднего пешехода в разных европейских городах

Рис. 43. Дорожки для быстрых пешеходов в английском городе Ливерпуле

5. Вы тут не один: мобильные телефоны как детекторы человеческого поведения

Одно из наиболее революционных проявлений высокой степени связности нашего мира XXI в. – это поразительно широкое распространение сотовых (мобильных) телефонов. Легкий доступ к дешевым многофункциональным смартфонам, подключенным к интернету, внес большой вклад в ускорение темпов жизни и сжатие времени. Моментальная передача звуковых фрагментов при помощи «твитов», текстовых сообщений и электронной почты задавила традиционные телефонные разговоры, не говоря уже о тщательно написанных письмах былых времен или, боже упаси, личных разговорах с глазу на глаз. Мы еще вернемся к разговору о значении и некоторых непредвиденных последствиях этого поразительного нововведения, но сейчас я хотел бы обратить особое внимание на один мало кем замечаемый аспект сотовой телефонии, который запустил настоящую революцию в одной небольшой научной дисциплине.

Вы, наверное, знаете, что провайдеры сотовой связи отслеживают все телефонные звонки и текстовые сообщения: где они происходят, сколько длится разговор, кому вы звоните или пишете, где находитесь вы и где – ваш собеседник или адресат… а в некоторых случаях, весьма вероятно, и что именно вы говорите или пишете. Все это образует огромный массив данных, которые в принципе могут дать беспрецедентную и чрезвычайно подробную информацию о социальных взаимодействиях и мобильности, в особенности в связи с тем, что сегодня такие устройства используют почти все. Сейчас на нашей планете используется больше сотовых телефонов, чем живет людей. Только в Соединенных Штатах каждый год делается более триллиона телефонных вызовов, и обычный человек в среднем проводит за своим сотовым телефоном более трех часов в сутки. Число людей во всем мире, имеющих доступ к сотовым телефонам, почти в два раза превышает число тех, кто имеет доступ к унитазам, – что, видимо, что-то говорит нам о наших приоритетах.

Огромное преимущество от этого получили даже самые бедные страны: так они смогли перепрыгнуть через традиционные технологии и перейти сразу к инфраструктуре связи XXI в. по цене, составляющей малую долю стоимости прокладки и обслуживания наземных телефонных линий. Многие из них не могли позволить себе такие расходы, тем более в тех масштабах, которые обеспечивает покрытие средствами мобильной связи. Поэтому неудивительно, что самый высокий процентный уровень использования мобильной телефонии приходится именно на развивающиеся страны.

Итак, анализ огромных массивов данных по вызовам сотовой связи может дать нам новую, поддающуюся проверке численную информацию о структуре и динамике социальных сетей и пространственным отношениям между людьми и их местоположением, а следовательно, и о структуре и динамике городов. Это непредвиденное последствие развития мобильных телефонов и других информационных устройств открыло дорогу эпохе «больших данных» и «умных городов», сопровождающейся несколько преувеличенными надеждами на то, что эти средства смогут решить все наши проблемы. Причем речь идет не только об инфраструктурных проблемах городов: эта надежда распространяется на все сферы жизни, от здоровья и загрязнения окружающей среды до преступности и развлечений. Это лишь одно из проявлений быстрого возникновения «умных» отраслей, порожденных наличием огромных объемов данных, которые мы, сами того не подозревая, и создаем, будь то в результате использования мобильных устройств, перемещений или записей в медицинской истории. Эта развивающаяся система, несомненно, дает нам новые мощные инструменты, разумное применение которых может быть благотворным, не говоря уже о всех тех новых способах извлечения прибыли, которые получают при этом компании и отдельные предприимчивые люди. Однако ниже я еще выскажу некоторые резкие предостережения, касающиеся в основном наивности и даже опасностей, неразрывно связанных с таким подходом[140].

Здесь же я хочу сосредоточиться на возможностях научного использования данных сотовой телефонии для проверки предсказаний и следствий создаваемой нами теоретической системы изучения городов. Помимо того что города, и вообще социальные системы, – это сложные адаптивные системы, для разработки проверяемых численных теорий в общественных науках всегда существовали и другие традиционные препятствия, одно из которых сводилось к очевидной трудности получения больших объемов достоверных данных и проведения контролируемых экспериментов. Одна из важных причин того огромного прогресса, которого достигли физика и биология, состоит в том, что изучаемые ими системы можно конструировать или преобразовывать таким образом, чтобы они подходили для проверки конкретных, точно определенных предсказаний и следствий, выводимых из предлагаемых гипотез, теорий и моделей.

Огромные ускорители элементарных частиц, подобные Большому адронному коллайдеру, построенному в швейцарском городе Женеве, на котором не так давно был открыт бозон Хиггса, – это типичный пример организации такого контролируемого эксперимента. Объединяя результаты анализа многочисленных экспериментов со столкновениями элементарных частиц на сверхвысоких энергиях и развитие сложной математической теории, физики в течение многих лет открывали фундаментальные субатомные составляющие элементы материи и силы взаимодействия между ними, а также определяли их свойства. Это привело к одному из величайших достижений науки ХХ в., созданию стандартной модели элементарных частиц. Она включает в себя, объединяет и объясняет потрясающе широкий диапазон явлений окружающего нас мира, в том числе электричество, магнетизм, законы движения Ньютона, теорию относительности Эйнштейна, квантовую механику, электроны, фотоны, кварки, глюоны, протоны, нейтроны, бозоны Хиггса и многое другое, причем все это объединено в общую математическую систему, подробные предсказания которой блестяще подтверждались и подтверждаются непрерывной последовательностью продолжающихся экспериментов.

Не менее замечательно и то, что энергетические и пространственные масштабы, изучаемые в таких экспериментах, проливают свет на явления, которые определили развитие Вселенной после Большого взрыва. В этих экспериментах мы искусственно воссоздаем события, произошедшие буквально в самом начале существования Вселенной. Получающаяся в результате теоретическая система дает нам правдоподобное численное толкование того, как образуются галактики и почему небо выглядит именно так, а не иначе. Понятно, что мы не можем экспериментировать с самим небом или с самой Вселенной: они таковы, каковы они есть, и представляют собой последствия единичного события, которое, в отличие от лабораторных экспериментов, невозможно повторить. Мы можем только наблюдать. Астрономия, подобно геологии и, кстати говоря, общественным наукам, – это наука историческая в том смысле, что проверять свои теории мы можем только на «постсказаниях», описании того, что должно было бы произойти в соответствии с их логикой и уравнениями, и поисках правильного места для проверки таких предположений. Именно так действовал Ньютон, когда он вывел Кеплеровы законы движения планет из своих фундаментальных законов движения и закона всемирного тяготения, которые были созданы для объяснения вполне прозаичного движения непосредственно окружавших его объектов. Он не мог ставить эксперименты с самими планетами, но мог сравнить свои предсказания их движения с наблюдениями и измерениями Кеплера и проверить таким образом их справедливость. За последние сто лет этот образ действия доказал свою замечательную эффективность как в астрофизике, так и в геологии. Вследствие этого мы уверены, что понимаем, почему Вселенная и Земля ведут себя именно так, а не иначе. Таким образом, в этих исторических науках успех достигается путем хитроумного объединения сложных наблюдений с традиционным экспериментированием на аналогичных событиях, которые могут происходить здесь и сейчас.

Несмотря на очевидные затруднения, возникающие при исследовании социальных систем, обществоведы проявили большую изобретательность в разработке аналогичных численных экспериментов для формулирования и проверки гипотез и в результате получили важную информацию об устройстве и динамике общественных структур. Многие такие исследования подразумевают использование обзоров и ответов на всевозможные вопросники, причем в них возникают ограничения, зависящие от роли самих исследователей, вынужденных взаимодействовать с исследуемыми людьми. Поэтому получить большие объемы данных, а не малую выборку из широкого спектра разных людей и социальных ситуаций, очень трудно, и это может породить сомнения в достоверности и общности результатов и выводов.

Прелесть данных современной мобильной телефонии или электронных социальных сетей – таких как Facebook или Twitter – с точки зрения исследований социального поведения состоит в том, что они позволяют в значительной мере преодолеть трудности такого рода. Хотя, конечно, эти данные порождают свои собственные непростые вопросы. Можно ли считать пользователей сотовых телефонов репрезентативными представителями всего населения, а разговоры по сотовым телефонам – репрезентативными образцами социальных взаимодействий? Эти вопросы еще не решены, но ясно, что эта форма общения стала сейчас господствующей чертой социального поведения и позволяет нам получить численную оценку того, как, где и когда мы взаимодействуем.

6. Проверка теории: социальные связи в городах

Карло Ратти – итальянский архитектор и дизайнер, работающий на архитектурном факультете MIT; он возглавляет там отделение под броским названием «Лаборатория разумного города» (Senseable City Lab). Я познакомился с Карло, когда мы с ним оказались в одном и том же отделении ежегодной мюнхенской конференции DLD. Это мероприятие стремится стать чем-то вроде конференций TED, но с более узкой тематикой, ориентированной на искусство и дизайн. Подобно конференциям TED и давосским конференциям Всемирного экономического форума это, по сути дела, продолжающийся несколько дней фуршет для неформального общения с насыщенной программой выступлений в атмосфере «того места, где происходит самое главное», старающийся произвести впечатление мероприятия футуристической культуры, высокотехнологичного бизнеса и «новаторства». Там присутствует эклектичное собрание интересных и даже влиятельных людей, и в некоторых выступлениях иногда можно выловить проблески замечательных идей, хотя их с лихвой уравновешивает масса напыщенной, довольно поверхностной чуши, обернутой в превосходно выполненные слайды PowerPoint. Это часть жизни, и престижных мероприятий, подобных этому, проходит довольно много. Несмотря на все свои недостатки, они служат важной цели: они наводят мосты между разными сферами и позволяют бизнесменам, предпринимателям, технологам, художникам, писателям, журналистам, политикам и даже кое-кому из ученых познакомиться с новыми и новаторскими, хотя иногда и безумными и провокационными, идеями и, разумеется, другими такими людьми. Этим они несколько напоминают города, но чрезвычайно сильно сжатые во времени и пространстве. К слову, как и в случае конференций TED, на этих собраниях трудно найти человека, который знал бы, что означает аббревиатура DLD; я смутно припоминаю, что буква D в обоих случаях означает «дизайн»[141]. Аббревиатуры – тоже часть жизни, еще одно малозаметное проявление ускорения ее темпов. 2M2H. LOL[142].

Хотя Карло не занимается точными науками, его увлекла идея исследования городов с научной точки зрения, и он попытался убедить меня в том, что данные сотовой телефонии дают прекрасную возможность испытать нашу теорию и изучить другие аспекты городской динамики. Я отнесся к этой идее скептически, в основном потому что использование сотовых телефонов не казалось мне достаточно широким, разнообразным и репрезентативным, чтобы его можно было считать достоверной моделью для измерения социальных взаимодействий и мобильности. Однако Карло – человек настойчивый. Постепенно я начал обращать внимание на статистику необычайного роста объемов использования сотовой телефонии, особенно в развивающихся странах, где ими пользуется до 90 % населения, и так же постепенно я начал понимать, что Карло и его единомышленники могут быть правы. Многие исследователи уже начинали использовать этот новый источник данных, в основном для исследования сетевых структур и их динамики и получения информации о происходящих в них процессах, таких как распространение заболеваний или новых идей.

Вдохновившись нашими работами по масштабированию, Карло нанял нескольких молодых талантливых физиков и инженеров и поручил им заниматься вопросами использования сотовых данных. Вместе с ним мы с Луисом Беттанкуром, оставаясь в Санта-Фе, начали совместную работу по проверке одного из фундаментальных предсказаний нашей теории. Среди самых загадочных аспектов масштабирования городов – его универсальность. Как мы видели, кажущиеся не связанными друг с другом социально-экономические величины, от уровня доходов и скорости создания патентов до уровня преступности или заболеваемости, масштабируются в зависимости от размеров города суперлинейным образом с похожими показателями, близкими к 1,15. В предыдущей главе я утверждал, что такая удивительная схожесть разных городов, разных городских систем и разных параметров отражает интенсивность взаимодействия между людьми и происходит из общей для всех структуры социальных сетей. Люди всего мира ведут себя очень схожим образом независимо от своей истории, культуры и географического положения. Таким образом, не привлекая каких-либо замысловатых математических теорий, эта концепция предсказывает, что число взаимодействий между людьми, находящимися в городах, должно масштабироваться с размерами городов так же, как масштабируются все эти разнообразные социально-экономические параметры, а именно по суперлинейному степенному закону с показателем около 1,15, о какой бы городской системе ни шла речь. Другими словами, систематический рост на лишние 15 % социально-экономической активности, будь то зарплаты или патенты, преступность или заболеваемость, при каждом удвоении размеров города должен отражать предсказанное увеличение интенсивности взаимодействия между людьми на те же 15 %.

Как же измерить число взаимодействий между людьми? Традиционные методы основывались на использовании письменных опросов, что было делом долгим и трудоемким; к тому же они иногда страдали ошибками выборки, так как охват их по необходимости был ограничен. Даже если некоторые из этих препятствий можно было преодолеть, проведение такого опроса в масштабах целой городской системы, состоящей из сотен городов, было бы предприятием устрашающим и вряд ли осуществимым. В то же время недавно появившиеся крупномасштабные наборы данных, собранных автоматически в сетях мобильной связи, которые охватывают значительные и репрезентативные части населения всего мира, открывают беспрецедентные возможности систематического изучения социальной динамики и организации всех городов. К счастью, у наших коллег из MIT был доступ к таким большим наборам данных, состоящим из миллиардов обезличенных записей по телефонным вызовам (то есть мы не знали ни имен, ни номеров абонентов). Очевидно, некоторые из этих вызовов были одноразовыми, поэтому учитывались только те случаи, в которых между теми же двумя абонентами в течение определенного времени проходил ответный вызов. Из этих данных мы извлекли суммарное число взаимодействий между абонентами, суммарный объем вызовов и суммарное время, затраченное в каждом городе на эти телефонные вызовы[143].

Рис. 44. Масштабирование четырех отдельных параметров городов – доходов, ВВП, преступности и числа патентов – по данным рис. 34–38 с изменением масштаба для демонстрации масштабирования всех этих параметров с показателями, близкими к 1,15

Рис. 45. Масштабирование степени связности между людьми, измеренной по числу взаимных телефонных вызовов между индивидуумами в городах Португалии и Великобритании, демонстрирует степенную зависимость со сходным показателем, как и предсказывает наша теория

Рис. 46. Размеры модульных дружеских групп остаются приблизительно неизменными независимо от размеров города

Наш анализ основывался на двух независимых друг от друга наборах данных: мы использовали данные мобильной телефонии в Португалии и данные по использованию стационарных телефонов в Великобритании. Результаты показаны на рис. 44–46, на которых суммарное число контактов между горожанами в течение длительного периода времени отложено в логарифмическом масштабе в зависимости от численности населения города. Как можно видеть, для обоих наборов данных получаются классические прямые линии, говорящие о масштабировании по степенному закону, показатель которого в обоих случаях имеет одно и то же значение, очень близкое к предсказанной величине 1,15, что блестяще согласуется с нашей гипотезой. Для более наглядной иллюстрации этого согласия я привожу этот график рядом с объединенным графиком данных, представленных в главе 7 на рис. 34–38, который демонстрирует универсальность масштабирования социально-экономических параметров города: некоторые из этих разнообразных параметров – уровень доходов, ВВП, производство патентов и уровень преступности – представлены на одном графике, чтобы показать, насколько одинаковым оказывается их масштабирование при соответствующем изменении масштабов отображения.

Этот результат дает чрезвычайно удовлетворительное подтверждение гипотезы о том, что в основе универсального масштабирования характеристик города действительно лежат социальные взаимодействия. Еще одно подтверждение этой гипотезы дает то наблюдение, что с увеличением размеров города сходным образом систематически увеличивается как суммарное время, которое люди затрачивают на взаимодействия, осуществляемые по телефону, так и суммарный объем всех их звонков. Эти результаты также подтверждают, что причиной ускорения темпа жизни является повышение степени связности и усиление положительной обратной связи в социальных сетях по мере увеличения размеров города. Например, за те пятнадцать месяцев, которые охватывают данные, собранные в Португалии, средний житель Лиссабона, население которого составляет около 560 тысяч человек, потратил приблизительно вдвое больше времени на приблизительно вдвое большее число телефонных разговоров, чем средний житель Лиши, маленького сельского города, население которого составляет всего лишь около 4200 человек. Кроме того, если включить в анализ и одноразовые, невзаимные вызовы, то показатель масштабирования систематически увеличивается, что говорит о том, что и число индивидуальных запросов, например звонков с рекламными предложениями или политической агитацией, пропорционально возрастает в крупных городах. Жизнь в большом городе оказывается во всех отношениях более быстрой и более интенсивной, в том числе и в том, что касается вываливающегося на нас еще большего количества еще более бессмысленной чуши, чем в маленьких городах.

На самом деле, не совсем во всех отношениях. Когда мы исследовали, сколькие из людей, с которыми поддерживает контакт тот или иной индивидуум, – его «друзей» – дружат друг с другом, мы получили довольно неожиданный ответ. В общем случае полная социальная сеть человека охватывает группу весьма разнообразных людей, от ближайших членов его семьи, друзей и коллег до сравнительно далеких случайных знакомых, например автомеханика или водопроводчика, к которым такой человек обращается. Многие из этих людей знакомы и взаимодействуют друг с другом, но у большинства из них таких связей нет. Например, ваша матушка не общается даже с ближайшим из ваших коллег и почти не знает его, хотя вы сами находитесь в тесных отношениях и с той, и с другим. Сколько же членов вашей суммарной социальной сети – все совокупности людей, с которыми вы поддерживаете связи, – общаются друг с другом? Это подмножество определяет вашу «расширенную семью» и размеры вашего социального модуля. Поскольку в крупных городах имеется значительно более широкий доступ к большему числу людей, можно было бы ожидать, что и размеры расширенной семьи будут больше и что они будут масштабироваться суперлинейным образом, подобно другим социально-экономическим величинам. По меньшей мере, я ожидал именно этого. Однако, к нашему большому удивлению, данные показали, что эта величина, напротив, вообще не масштабируется. Размер модульного кластера знакомств среднего индивидуума, в который включаются его знакомые, взаимодействующие друг с другом, остается приблизительно постоянным – он не меняется с ростом города. Например, размеры «расширенной семьи» среднего обитателя Лиссабона, в котором живет более 500 тысяч человек, не превышает аналогичное число для среднего жителя Лиши, численность населения которого не доходит и до 5000. Таким образом, даже в крупных городах мы живем группами, так же тесно взаимосвязанными, как в мелких городах и деревнях. Эта неизменность несколько напоминает инвариантность чисел Данбара, о которых мы говорили в предыдущей главе, и, как и в случае этих чисел, вероятно, отражает некие фундаментальные особенности того, как развивалась наша неврологическая система, чтобы справляться с обработкой социальной информации в крупных коллективах.

Однако в природе таких модульных групп в деревнях и крупных городах существует одно важное качественное различие. В настоящей деревне, в связи с ее малыми размерами, наше общество неизбежно ограничено теми, кто находится поблизости. В большом же городе мы обладаем большей свободой выбора своей «деревни» благодаря гораздо большей широте возможностей и большему многообразию, которые предоставляет более многочисленное население. Нам открываются более широкие возможности для поиска людей, имеющих сходные с нами интересы, профессии, этнические корни, сексуальную ориентацию и так далее. Ощущение свободы, создаваемое бо́льшим разнообразием многих аспектов жизни, – это одна из наиболее привлекательных черт городской жизни, вносящая значительный вклад в стремительный рост урбанизации во всем мире.

7. Удивительно регулярная структура перемещений в городах

Поразительные многообразие и многомерность городов породили массу образов и метафор, пытающихся выразить те или иные из отдельных проявлений городов. Пешеходный город, техногород, зеленый город, экологический город, город-сад, постиндустриальный город, устойчивый город, жизнестойкий город… и, конечно же, умный город. Этот перечень можно продолжать. Каждое из этих определений выражает одну из важных характеристик городов, но никакое из них не отражает одной фундаментальной характеристики, заключенной в риторическом восклицании у Шекспира: «А что такое город? Наш народ». Образы и метафоры городов в большинстве своем описывают их физические проявления и, как правило, оставляют без внимания ту центральную роль, которую играют социальные взаимодействия. Этот жизненно важный компонент находит свое отражение в метафорах другого рода: город называют плавильным котлом, горном, миксером или реактором, перемешивание социальных взаимодействий в котором катализирует социальную и экономическую деятельность: город человеческий, город коллективный, «антропогород».

Образ города как огромного резервуара, в котором люди постоянно перемешиваются, взбалтываются и смешиваются друг с другом, можно физически ощутить в любом из крупных городов мира. Наиболее ярко он проявляется в непрерывном, иногда лихорадочном движении людей в деловых и торговых центрах городов: иногда оно кажется почти случайным, подобно движению молекул газа или жидкости. И подобно тому, как общие свойства газов или жидкостей – например, их температура, давление, цвет или запах – определяются межмолекулярными столкновениями и химическими реакциями, свойства города порождаются социальными столкновениями между людьми и реакциями, проходящими между ними.

Метафоры иногда бывают полезны, но могут быть и обманчивыми, и это как раз такой случай. Несмотря на все кажущееся сходство, движение людей в городах не имеет ничего общего со случайным движением молекул в газе или частиц в реакторе. Напротив, это движение в высшей степени систематическое и направленное. Случайными бывают очень немногие перемещения. Почти все перемещения, какими бы средствами они ни совершались, включают в себя преднамеренное движение из одного конкретного места в другое: в основном из дома на работу, в магазин, в школу или в кино и так далее… и обратно. Более того, большинство людей выбирает для своих перемещений быстрейший и кратчайший путь, который занимает меньше всего времени и предполагает преодоление наименьшего расстояния. В предельном, идеальном случае это означало бы, что все предпочитают перемещаться по прямым линиям, но очевидные физические ограничения, существующие в городах, этого не позволяют. Нам не остается ничего другого, как следовать по извилистым дорогам и железнодорожным линиям, так что в общем случае любое конкретное перемещение происходит по зигзагообразному маршруту. Однако в более крупном масштабе, в грубом приближении, усредняющем все перемещения всех людей за достаточно длительное время, оказывается, что предпочитаемый маршрут между любыми двумя конкретными точками приближается к прямой линии. Грубо говоря, это означает, что в среднем люди перемещаются в приблизительно радиальных направлениях, то есть вдоль радиусов кругов, центром которых является особый для них пункт назначения, играющий роль узла сети перемещений.

С учетом этого допущения можно вывести чрезвычайно простое, но и чрезвычайно сильное математическое свойство перемещения людей в городах. Вот оно. Рассмотрим произвольную точку города; она может быть как «центральным районом», например местом или улицей в деловом центре, торговым центром или другим оживленным участком, так и любым жилым микрорайоном, например таким, в каком живете вы. Эта математическая теорема предсказывает число людей, приезжающих в это место с любого расстояния, и частоту их посещений. Точнее говоря, она утверждает, что число посетителей должно быть обратно пропорционально как квадрату расстояния, так и квадрату частоты посещений.

С математической точки зрения все законы обратных квадратов – это всего лишь упрощенный вариант степенных законов масштабирования, о которых мы столько говорили в этой книге. В этой терминологии предсказание относительно перемещений в городах можно выразить следующим образом: число людей, перемещающихся в определенное место, масштабируется в зависимости от преодолеваемого расстояния и частоты его посещений по степенному закону с показателем –2. Таким образом, построенные в логарифмическом масштабе зависимости числа посетителей такого места от преодолеваемого ими расстояния и от частоты их посещений должны представлять собой прямые линии с одинаковым наклоном, равным –2 (напомню, что минус попросту означает, что прямая наклонена вниз). Я хочу подчеркнуть, что, как и в случае любых других законов масштабирования, здесь предполагается усреднение по достаточно длительному времени, скажем равному шести месяцам или году, что позволяет сгладить суточные колебания или различия между рабочими и выходными днями.

Как легко видеть из рис. 47, данные самым великолепным образом подтверждают эти предсказания. Действительно, наблюдаемое масштабирование замечательно единообразно, и наклоны линий прекрасно согласуются с предсказанным значением –2. Особенно приятно видеть, что один и тот же предсказанный закон обратных квадратов наблюдается по всему миру, в разных городах с разными культурными и географическими особенностями, находящихся на самых разных ступенях развития: мы наблюдаем одну и ту же картину в Северной Америке (Бостон), Азии (Сингапур), Европе (Лиссабон) и Африке (Дакар). Более того, если разбить каждую из этих городских агломераций на отдельные районы, в каждом из них проявляется тот же закон обратных квадратов, как показывают, например, рис. 48 и 49, на которых представлена выборка конкретных мест в Бостоне и Сингапуре.

Позвольте мне привести простой пример, иллюстрирующий действие этой теоремы. Предположим, что район, окружающий Парк-стрит в Бостоне, в среднем посещают раз в месяц 1600 человек, живущих на расстоянии 4 км от него. Каково число людей, живущих на вдвое большем расстоянии (8 км) и посещающих это место с той же частотой, то есть раз в месяц? Согласно закону обратных квадратов это число равно ¼ (= (½)2) от предыдущего, то есть раз в месяц на Парк-стрит бывают всего 400 человек, живущих в 8 км от нее. А как насчет тех, кто живет в пять раз дальше, в 20 км? Отношение равно 1/25 (=(1/5)2), то есть всего 64 посетителя (1/25 × 1600) ежемесячно. Принцип понятен. Но дело этим не кончается: точно так же можно спросить, что получится, если изменить частоту посещений. Например, предположим, что мы хотим узнать, сколько человек, живущих на том же расстоянии 4 км, посещают Парк-стрит, но с большей частотой, два раза в месяц. Здесь также действует закон обратных квадратов, так что ответ равен ¼ (=(½)2) исходного числа, то есть 400. Соответственно, число посетителей с того же расстояния, равного 4 км, бывающих там пять раз в месяц, равно 64 (1/25 × 1600).

Заметим, что это число совпадает с количеством людей, приезжающих на Парк-стрит с расстояния в пять раз большего (20 км) всего раз в месяц. Таким образом, число людей, приезжающих с расстояния 4 км пять раз в месяц, равно числу тех, кто приезжает один раз в месяц с пятикратно большего расстояния (20 км): в нашем примере это число равно 64. Этот результат не зависит от конкретных чисел, которые я выбрал для этой иллюстрации. Он дает пример поразительной общей симметрии подвижности: если произведение преодолеваемого расстояния на частоту посещений любого конкретного места сохраняется постоянным, то постоянным остается и число посетителей этого места. В нашем примере мы имеем в первом случае 4 км × 5 раз в месяц = 20, а во втором – 20 км × 1 раз в месяц = 20. Такое постоянство действует для любого расстояния до любого района любого города и любой частоты его посещений. Эти предсказания подтверждаются данными и проявляются в различных графиках, представленных на рис. 48 и 49, из которых можно ясно видеть, что схема посещений остается неизменной, когда произведение расстояния на частоту имеет одно и то же значение.

Я хотел бы подчеркнуть, насколько замечательно и неожиданно это предсказание с учетом необычайной сложности и многообразности перемещений и перевозок, совершаемых в городе. Если вспомнить о, по-видимому, хаотических, случайных и разнообразных перемещениях людей в таких городах, как Нью-Йорк, Лондон, Дели или Сан-Паулу, трудно избавиться от ощущения, что эта простая картина скрытого порядка и регулярности должна быть маловероятной и даже абсурдной. Она предсказывает, что случайные решения, которые каждый человек принимает относительно своих перемещений из одного конкретного места в другое, пешком, на метро, на автобусе, на своей машине или даже с использованием всех этих способов передвижения, складываются в один связный коллективный поток – так же как случайные движения триллионов отдельных молекул воды складываются в плавный и связный поток, как только мы открываем кухонный кран.

Как я уже объяснял, данные сотовой телефонии дают подробную информацию не только о том, с кем и как долго вы разговаривали, но и о том, когда это происходило и где вы при этом находились. По сути дела, каждый из нас носит с собой прибор, отслеживающий, где мы находимся в любой момент. Как если бы мы могли пометить каждую из молекул, находящихся в комнате, и отслеживать таким образом ее положение, скорость ее движения, с чем она сталкивается и так далее. Поскольку в комнате обычных размеров находится более десяти тысяч триллионов триллионов (10^28) молекул, мы получили бы при этом настоящую квинтэссенцию «больших данных». Однако вся эта информация была бы на самом деле не очень полезной, особенно в отношении газов, находящихся в равновесном состоянии: такое исследование было бы избыточным. В статистической физике и термодинамике уже успешно разработаны мощные методы, позволяющие понять и описать макроскопические свойства газов – например, их температуру, давление, фазовые переходы и так далее, – не вдаваясь в неприглядные подробности движения всех составляющих их молекул. Напротив, в случае городов такая информация чрезвычайно ценна, не только потому, что молекулами здесь являемся мы сами, но и потому, что, в отличие от газов, города представляют собой сложные адаптивные системы со сложнейшими сетевыми структурами, осуществляющими обмен как энергией, так и информацией. Данные мобильной телефонии дают нам мощный инструмент для определения структуры и динамики этих сетей и, следовательно, для количественной проверки теоретических предсказаний.

Рис. 47. а) Поток посетителей конкретного района Бостона, приезжающих с разных расстояний с разной, но постоянной частотой (f раз в месяц), демонстрирует согласие с законом обратных квадратов. б) Те же данные, что и на графике «а», иллюстрирующие сведение всех частот и расстояний в единую линию при построении зависимости от единой переменной, произведения частоты на расстояние. в) График, аналогичный графику «б», демонстрирующий, что поток посетителей в самых разных городах всего мира подчиняется одному и тому же предсказанному закону обратных квадратов

Рис. 48. График, аналогичный графику «в», для разных районов Бостона

Рис. 49. То же для разных районов Сингапура; сплошной линией представлены предсказания теории

Эта закономерность может стать мощным инструментом планирования и развития городов, поскольку она дает основу для оценки потоков людей в определенные районы города и из них. Строительство нового торгового центра или жилого микрорайона требует точной – или по меньшей мере правдоподобной – оценки транспортных и человеческих потоков для организации действенной и достаточной транспортной системы. Такие оценки по большей части получают из компьютерных моделей, несомненно очень полезных, но в основном сильно локализованных, не учитывающих взаимоотношений с большей, интегрированной системной динамикой города и очень редко основанных на общих фундаментальных принципах.

Блестящий анализ огромных объемов данных мобильной телефонии, использованных для проверки нашей теории, провели швейцарский инженер Маркус Шлепфер и венгерский физик Майкл Селл, два представителя группы талантливых постдокторантов, которых Карло Ратти завербовал в MIT. Впоследствии, в 2013 г., Маркус присоединился к нам в Институте Санта-Фе, в котором мы начинали эту работу. Один из особенно интересных его проектов, над которым он работал вместе с Луисом, касался анализа соотношения высот и объемов зданий с размерами города. С тех пор Маркус перешел в престижную Высшую техническую школу (ЕТН) своего родного Цюриха и участвует там в большом совместном проекте под названием «Лаборатория городов будущего» (Future Cities Lab), который базируется в Сингапуре и получает поддержку правительства этой страны.

8. Перевыполнение и недовыполнение

Большинство из нас очень интересуется рейтингами, будь то рейтинги городов, школ, университетов, корпораций, штатов или стран, не говоря уже о футбольных командах или теннисистах. В основе рейтингов, разумеется, лежит выбор параметров и методик, по которым их составляют. То, как именно задаются вопросы и какой сегмент населения выбирают для опроса, может сильно влиять на результаты опросов и анкет, что может приводить к серьезным последствиям в политике и бизнесе. Такие рейтинги играют все более важную роль в принятии решений – как частными лицами, так и планировщиками и идеологами в государственных органах и промышленности. Рейтинг города или штата по уровню здоровья населения, образования, налогообложения, занятости или преступности, в масштабах всего мира или данной страны, может оказывать сильное влияние на его образ в глазах инвесторов, крупных компаний или туристов.

В спорте бесконечно обсуждается вопрос о величайших игроках или командах в истории: вопрос, очевидно не имеющий сколько-нибудь объективного ответа. Проблема заключается не только в выборе параметров и разумных критериев «величия», но и в том, что речь обычно идет о сравнении несравнимых вещей («яблок с апельсинами»), да зачастую еще и за разные исторические периоды. В связи с этим мы можем ненадолго вернуться к обсуждению результатов в тяжелой атлетике, о которых мы говорили в главе 2, и вспомнить эпохальное открытие Галилея, согласно которому сила конечностей животного должна масштабироваться сублинейно, пропорционально массе тела в степени ⅔. Это предсказание подтверждается результатами тяжелоатлетов, представленными на рис. 7. Я предложил тогда рассматривать кривую масштабирования в качестве стандарта, относительно которого следует измерять результаты спортсменов: она показывает, какой вес должен поднимать идеализированный чемпион по тяжелой атлетике, имеющий ту или иную собственную массу. Степенной закон масштабирования с показателем ¾, представленный на рис. 1, точно так же показывает, каким «должен» быть уровень метаболизма идеализированного организма тех или иных размеров. «Идеализированной» следует в этом случае считать систему, «оптимизированную» с точки зрения энергопотребления, динамики и геометрии сетевых структур, как было объяснено в главе 3.

Эта концепция была использована в качестве отправной точки для разработки научной меры результативности. Четверо из наших шести чемпионов подняли тот вес, который они и должны были поднять по прогнозам закона масштабирования. Вместе с тем спортсмен среднего веса перевыполнил предполагаемую для своих размеров норму, а тяжеловес недовыполнил свою. Поэтому, хотя тяжеловес поднял больший вес, чем кто бы то ни было, с научной точки зрения он оказался самым слабым из всех чемпионов, а спортсмен, выступавший в среднем весе, – самым сильным.

В ситуациях, подобных этой, мы можем создать количественную систему научной оценки результатов на основе масштабирования. Мы также можем выделить разумные параметры для ранжирования и сравнения участников разных соревнований. Эта методика потенциально применима к более механическим видам спорта – например, к тяжелой атлетике, гребле или даже бегу, – но оценивать командные виды спорта, такие как футбол или баскетбол, оказывается значительно труднее. Таким образом, отклонения от законов масштабирования дают нам обоснованные параметры для измерения индивидуальных результатов и отправную точку для количественного исследования их причин – в нашем примере с состязанием тяжелоатлетов речь идет о причинах, по которым спортсмен среднего веса перевыполнил норму, соответствующую его размерам, а тяжеловес недовыполнил ее.

Такая стратегия ранжирования результатов, по сути дела, обеспечивает равенство условий для всех участников, так как она устраняет самое существенное различие, вызванное разницей в их размерах, и выявляет собственные возможности каждого из участников соревнования. Ниже я применю эту идею к городам, но сначала я хотел бы использовать ее в сочетании с анализом подвижности в городах, чтобы показать, как ее можно было бы использовать в качестве важного инструмента городского планирования и развития.

Данные по перемещениям в определенные точки городов, примеры которых приведены на рис. 48 и 49, очень хорошо совпадают с теоретическими предсказаниями. Однако если внимательно посмотреть на графики для Бостона, можно увидеть, что для двух мест – аэропорта и футбольного стадиона – существуют более значительные отклонения, и совпадение с теорией оказывается не столь точным. Учитывая особую роль обоих этих мест, это может быть не слишком удивительным, так как они привлекают к себе сравнительно узкое подмножество людей, которые используют их в двух очень конкретных целях: соответственно, чтобы отправиться в путешествие и чтобы посмотреть футбольный матч.

Хотя данные для аэропорта в целом достаточно хорошо группируются вокруг предсказанных значений, наибольшие отклонения наблюдаются в числе людей, приезжающих в него с небольших расстояний или сравнительно нечасто. Собственно говоря, к этому подмножеству принадлежит большинство людей, пользующихся аэропортом. Напротив, те, кто приезжает издалека, или те, кто посещает аэропорт наиболее часто, хотя такие люди и составляют меньшинство, очень хорошо соответствуют теоретической кривой масштабирования. Очевидно, что знание и понимание таких тенденций – как общих закономерностей, так и отклонений от них – важны для планирования и организации транспортных потоков в аэропорт и внутри его, а также их взаимодействия с общей транспортной системой всей агломерации.

В Сингапуре имеется лишь одно такое значительное отклонение, и оно касается района Раффлз-плейс, финансового центра этого города-государства. Кроме того, этот район является крупным транспортным узлом и лежит на пути в крупный туристический район. На самом деле данные по числу посетителей достаточно хорошо масштабируются, но показатель оказывается значительно ниже, чем для всех остальных частей Сингапура, показывающих превосходное согласие с предсказанным значением –2. Кроме того, в этом районе обнаруживаются и гораздо большие колебания вокруг кривой масштабирования, чем в остальных частях Сингапура. Это означает, что число людей, приезжающих в этот район с близкого расстояния или изредка, меньше ожидаемого, а число тех, кто приезжает чаще или издалека, – больше ожидаемого. Это вполне может быть связано с тем, что Сингапур – это маленькое островное государство, причем ключевой его район Раффлз-плейс расположен не вблизи географического центра страны, а на ее краю, на берегу моря.

Как и в случаях бостонских аэропорта и стадиона, для планирования, проектирования и организации транспорта и передвижений, как в этом конкретном районе, так и в городе в целом, важно понимать, что Раффлз-плейс выбивается из господствующей схемы перемещений, наблюдаемой во всех других частях города. Не менее важно и то, что эти отклонения можно выразить в численном виде и объяснить в контексте всей городской системы.

9. Структура богатства, инноваций, преступности и жизнеспособности: индивидуальность и рейтинги городов

Какой уровень богатства, творчества или безопасности можно ожидать найти в том или ином городе? Как выяснить, какие города занимают первые места по количеству инноваций, по уровню насилия, по эффективности создания ценностей? Как определить рейтинг города по экономической деятельности, стоимости жизни, уровню преступности, числу заболеваний СПИДом или уровню счастья населения?

Обычно для ответа на эти вопросы попросту используют соответствующие статистические показатели на душу населения для оценки результатов деятельности городов и определяют по ним их рейтинги. Почти все официальные статистические и программные документы по уровням заработной платы, валового внутреннего продукта (ВВП), преступности, безработицы, инноваций, индексов стоимости жизни, заболеваемости и смертности, а также бедности, которые составляются государственными службами и международными организациями во всем мире, используют совокупные и подушные значения соответствующих параметров. Более того, в хорошо известных комплексных индексах качества городов, например составляемых Всемирным экономическим форумом и такими журналами, как Fortune, Forbes и Economist, в основном используются наивные линейные комбинации таких параметров[144].

Поскольку у нас имеются количественные кривые масштабирования для многих из этих характеристик городов, а также теория, описывающая лежащую в их основе динамику, мы можем разработать гораздо лучшую научную основу для оценки и ранжирования городов.

Особенно вопиющая ошибочность повсеместного использования подушных показателей для оценки и сравнения городов состоит в том, что оно предполагает стандартным свойством, нулевой гипотезой для любой характеристики города ее линейное масштабирование в зависимости от численности населения. Другими словами, считается, что идеализированный город представляет собой простую сумму деятельности всех горожан, и таким образом игнорируется его наиболее существенная черта, самый смысл его существования – тот факт, что город есть коллективная эмерджентная агломерация, возникающая в результате именно нелинейных социальных и организационных взаимодействий. Города – это по сути своей сложные адаптивные системы, и потому они представляют собой нечто значительно большее, чем линейная сумма отдельных компонентов и составных частей, будь то здания, дороги, люди или деньги. Следствием этого являются суперлинейные законы масштабирования, показатели которых равны не 1,00, а 1,15. Такой приблизительно 15 %-й дополнительный прирост всех видов социально-экономической деятельности при каждом удвоении численности населения происходит почти независимо от администраторов, политиков, планировщиков, истории, географического положения и культурных особенностей.

Поэтому для оценки показателей каждого конкретного города следует сравнивать его результаты с достижениями, обусловленными только лишь численностью его населения. Подобно тому как мы выявляли самого сильного среди чемпионов по тяжелой атлетике по отклонениям результатов каждого из них от идеализированной кривой масштабирования силы, успешность города можно численно выразить, измерив отклонения его разнообразных параметров от значений, ожидаемых в соответствии с идеализированными законами масштабирования. Эта стратегия позволяет отделить истинно местные особенности организации и динамики города от общих структурных и динамических черт, свойственных всем городам. Это позволяет ответить на некоторые фундаментальные вопросы относительно такого города: насколько он исключителен по сравнению с другими сравнимыми городами, каковы временные рамки, существенные для получения результатов местных административных решений, какова местная взаимосвязь между экономическим развитием, преступностью и инновациями и насколько этот город можно считать уникальным, а насколько – представителем семейства сходных с ним городов.

Мои коллеги Луис, Хосе и Дебби провели такой анализ по целому набору параметров для всей городской системы США, состоящей из 360 городских статистических районов (ГСР)[145]. Некоторые из их результатов представлены на рис. 50: на этих графиках по вертикальной оси отложены в логарифмическом масштабе отклонения уровней личных доходов и производства патентов в городах Соединенных Штатов за 2003 г. от кривых масштабирования, а по горизонтальной – рейтинги городов. Мы назвали такие отклонения городскими показателями с учетом масштаба (Scale-Adjusted Metropolitan Indicators, SAMI). Горизонтальная ось, проходящая в середине каждого графика, соответствует линии, на которой соответствующие SAMI равны нулю, то есть отклонения от предсказаний для города таких размеров отсутствуют. Как можно видеть из графиков, все города в той или иной степени отклоняются от ожидаемых значений. Города, расположенные слева, показывают результаты, превосходящие средние, а те, что находятся справа, не достигают средних показателей. Эта картина позволяет составить осмысленный рейтинг индивидуальных, уникальных особенностей городов, отбросив то, что, по сути дела, обеспечивает сам факт тех или иных размеров города. Не вдаваясь в подробности этого анализа, я хотел бы выделить некоторые важные черты этих результатов.

В отличие от обычных подушных показателей, по которым семь из двадцати крупнейших городов оказываются в первой двадцатке по уровню ВВП, в наших научно обоснованных рейтингах в первую двадцатку не попадает ни один из этих городов. Другими словами, после коррекции данных на общие для всех суперлинейные эффекты численности населения эти города оказываются далеко не столь успешными. Таким образом, мэры этих городов, ставящие себе в заслугу и интенсивно рекламирующие экономические достижения своей политики, которые выражаются в высоких рейтингах по уровню ВВП на душу населения, создают неверное впечатление.

Как это ни забавно, с этой точки зрения Нью-Йорк в целом оказывается весьма средним городом: он лишь немногим богаче, чем можно было бы ожидать от города его размеров (88-е место по доходам, 184-е по ВВП), не особенно изобретателен (178-е место по производству патентов), но на удивление безопасен (267-е место по преступлениям с применением насилия). И в то же время самым выдающимся из крупных городов является Сан-Франциско: он отличается богатством (11-е место по доходам), творческой активностью (19-е место по патентам) и сравнительной безопасностью (181-е место по насильственным преступлениям). Но действительно исключительные города, как правило, имеют меньшие размеры: взять хотя бы доходы Бриджпорта (в нем находятся пригородные дома многочисленных банкиров и управляющих хедж-фондами из Нью-Йорка), патенты Корваллиса (в котором расположены исследовательская лаборатория компании Hewlett-Packard и престижный Университет штата Орегон) и Сан-Хосе (территория которого охватывается Кремниевой долиной – нужно ли к этому еще что-нибудь добавлять?) или безопасность Логана (в связи с мормонской культурой?) и Бангора (бог весть почему).

Инновации в городах уровень производства патентов в сравнении с ожидаемым по законам масштабирования

Рис. 50. Зависимость отклонений числа патентов, произведенных в городах США в 2003 г., от числа, ожидаемого в соответствии с законами масштабирования с учетом размеров города, от рейтинга городов. Города, расположенные выше пунктирной черты, показывают результаты, превышающие ожидаемые (первое место занимает Корваллис), а расположенные ниже – результаты, меньшие ожидаемых (последнее место занимает Мак-Аллен)

Рис. 51. Изменения тех же отклонений (SAMI) с течением времени демонстрируют их долговременную устойчивость

Это данные за один-единственный год (2003), и естественно спросить, как все они изменяются со временем. К сожалению, информацию о значениях этих параметров до 1960-х гг. найти нелегко. Однако и анализ данных за последние 40–50 лет дает некоторые весьма интригующие результаты, представленные на рис. 51, на котором приведены графики временных изменений отклонений уровня личных доходов для некоторых типичных городов. Вероятно, наиболее интересным оказывается то, насколько медленно происходят на самом деле фундаментальные изменения. Города, показывавшие результаты выше нормы в 1960-х гг., например Бриджпорт и Сан-Хосе, как правило, остаются богатыми и творческими и сегодня, в то время как города, результаты которых были ниже нормы в 1960-х, такие как Браунсвиль, так и остаются в нижней части рейтинга. Таким образом, несмотря на рост численности населения и общее повышение суммарного ВВП и уровня жизни во всей городской системе, индивидуальные сравнительные показатели городов изменились мало. Грубо говоря, все города поднимаются и падают вместе. Можно выразить эту мысль и еще более прямо: если город был успешным в 1960-х гг., он, вероятно, продолжает быть успешным и до сих пор, а если он тогда был паршивым местом, то таким он, вероятно, и остался.

Набранное городом опережение или отставание относительно предсказаний масштабирования имеет тенденцию сохраняться в течение десятилетий. В этом смысле города оказываются чрезвычайно устойчивыми и прочными, как в хорошем, так и в плохом: их трудно изменить и почти невозможно убить. Взять хотя бы Детройт или Новый Орлеан, или еще более трагические примеры Дрездена, Хиросимы и Нагасаки: все эти города, хотя и в разной степени, пережили события, казавшиеся серьезными угрозами самому их существованию. И все они продолжают успешно существовать и просуществуют еще долгое время.

Замечательный пример устойчивого опережения нормы дает город Сан-Хосе, который находится в столь притягательной для всех Кремниевой долине. Неудивительно, что его показатели по созданию ценностей и инновациям сильно превышают норму. Удивительно то, что, как ясно видно из рис. 51, Сан-Хосе опережал норму и в 1960-х гг., причем примерно в той же степени, что и сейчас. Из графика также видно, что это опережение было устойчивым и даже растущим в течение более чем сорока лет, несмотря на кратковременный технологический и экономический цикл взлета и спада в 1999–2000 гг., после которого город вернулся к той же базовой тенденции. Говоря несколько иными словами, не считая сравнительно небольшого пика в конце 1990-х, непрерывно успешное существование Сан-Хосе началось задолго до появления Кремниевой долины. Это подразумевает, что считать Кремниевую долину источником успехов Сан-Хосе и его подъема в традиционных социально-экономических рейтингах нельзя: напротив, в культуре и генах города Сан-Хосе должно быть нечто неуловимое, что способствовало необычайному успеху Кремниевой долины[146].

Осуществление значительных изменений занимает десятилетия. Это обстоятельство имеет большое значение для городского планирования и управления, так как временные масштабы политических процессов, в которых принимаются решения о будущем города, в лучшем случае составляют всего несколько лет, а большинству политиков и два года кажутся вечностью. В наши дни их успех зависит от быстрого возврата вложений и немедленного получения удовлетворительных результатов, необходимых для противостояния политическому давлению и удовлетворению требований выборного процесса. Очень немногие из мэров могут позволить себе думать в масштабах 20–50 лет и прилагать значительные усилия к осуществлению стратегий, которые приведут к получению существенных результатов, способных стать действительно долговременным наследием.

10. Прелюдия к экологической устойчивости: краткое отступление о воде

Мы, жители развитых стран, воспринимаем значительную часть своей инфраструктуры как должное и редко осознаем объемы и стоимость усилий, необходимых для обеспечения наших удобств – например, чистой, пригодной для питья воды, текущей из наших кухонных кранов. Ее наличие – огромная привилегия и, как я говорил в одной из предыдущих глав, одна из первостепенных причин того резкого увеличения продолжительности нашей жизни, которое началось в конце XIX в. Предоставление таких основных удобств всем людям мира – одна из сложнейших задач, с которыми мы сталкиваемся в процессе урбанизации своей планеты. Питьевая вода становится все более частой причиной социальных трений, особенно по мере изменений климата, которые вызывают непредсказуемые периоды сильных засух или крупномасштабных наводнений, так как и те и другие нарушают работу систем водоснабжения. Эта проблема уже остро ощущается во многих развивающихся странах и начинает проявляться даже в Соединенных Штатах с возникновением крупных неисправностей в системах водоснабжения (как, например, во Флинте, штат Мичиган) и случаев серьезной нехватки воды во многих западных штатах.

Я живу в маленьком городе Санта-Фе, штат Нью-Мексико, с населением около 100 тысяч человек. Обычно считается, что он расположен в зоне семиаридного (то есть полузасушливого) климата высокогорной пустыни и годовая норма осадков составляет всего около 360 мм. Соответственно, вода очень дорога, и за ее перерасход предусмотрены большие штрафы. Город занимает одно из первых мест по цене на воду во всех Соединенных Штатах – она приблизительно в два с половиной раза больше средней по стране и приблизительно на 50 % выше, чем в следующем по дороговизне воды городе. Как ни странно, этим городом оказывается вечно дождливый Сиэтл, в котором за год выпадает почти 1000 мм осадков. Но не менее удивительно и то, что эта цена в шесть раз выше, чем в одном из самых дешевых в этом отношении городов, Солт-Лейк-Сити, получающем в год всего лишь 420 мм осадков. Еще поразительнее тот факт, что в расположенных в пустыне городах Финиксе, население которого составляет 4,5 миллиона человек, и Лас-Вегасе с населением чуть меньше 2 миллионов цена воды почти не превышает ту, что существует в Солт-Лейк-Сити, хотя годовая норма осадков в Финиксе равна всего лишь 200 мм, а в блистательном Лас-Вегасе – каким-то жалким 100 мм. Кто бы мог подумать!

Такая расточительность царит везде. Например, большинство не осознает, что даже такие калифорнийские мегаполисы, как Лос-Анджелес и Сан-Франциско, население которых чуть ли не в сто раз превышает население Санта-Фе, даже модные «вечнозеленые» города с роскошной растительностью – например, Пало-Альто, в котором расположен Стэнфордский университет, или Маунтин-Вью, в котором находится компания Google, – получают приблизительно то же количество осадков, что и Санта-Фе, а именно около 360 мм в год. И значительная часть воды, которую они потребляют, расходуется на то, чтобы их газоны и сады выглядели так, будто бы они растут в каком-нибудь Сингапуре, годовая норма осадков которого составляет 2300 мм.

Хорошо то, что большинство городских сообществ и в Соединенных Штатах, и во всем мире все в большей степени прислушивается к этим проблемам, осознает, что чистая вода – это ценнейший ресурс, истощающийся с вызывающей тревогу быстротой, на который нельзя не обращать внимания. Большинство городов начинает вводить меры по значительному сокращению потребления воды, но – как это бывает со многими инициативами по защите окружающей среды – меры эти могут оказаться и недостаточными, и запоздалыми.

Дело в том, что все эти сообщества тратят огромные средства на сооружение инфраструктуры, которая обеспечила бы им изобилие воды, подаваемой с огромных расстояний и/или из чрезвычайно глубоких водоносных пластов, причем молчаливо предполагается, что такие источники воды должны быть неисчерпаемыми или неизменно дешевыми, – что по меньшей мере сомнительно. По мере все большего усиления насущности урбанизации и проблем экологической устойчивости политические и экономические аспекты потребления воды будут порождать все более острую конкуренцию – подобно тому, как это происходило в ХХ в. с нефтью и другими энергоресурсами. И, как и в случае с нефтью, вопросы владения водными ресурсами и доступа к ним в конце концов могут привести к крупным конфликтам.

При этом интересно отметить, что, в отличие от нефти, воды на нашей планете более чем достаточно – точно так же, как на ней более чем достаточно солнечной энергии, которая может практически вечно удовлетворять все потребности всего человечества. Приспособление наших технологических и социально-экономических стратегий к этому простому обстоятельству жизненно важно для долгосрочного выживания человека, и нам давно уже следовало принять эту точку зрения и взяться за развитие возобновляемой солнечной энергетики и технологий опреснения воды. Неужели наши близорукость и ограниченность уже обрекли нас на ужасы коллективной жажды подобно морякам из «Поэмы о старом мореходе» Сэмюэла Тейлора Кольриджа?

Кругом вода, но как трещит

От сухости доска!

Кругом вода, но не испить

Ни капли, ни глотка[147].

Прежде чем мы вернемся к науке и городам, я хотел бы дать вам представление о масштабах системы водоснабжения крупного города и о том, что с ней связано. Нью-Йорк по праву пользуется славой законодателя мод практически во всем, но одно из его достижений редко оценивают по достоинству – это его водопровод. Нью-йоркскую водопроводную воду часто считают превосходящей по качеству и вкусу не только воду в других городах, но и модную минеральную воду, продающуюся в бутылках, не говоря уже о том, что она стоит во много раз меньше и не требует безумно расточительного использования одноразовой пластиковой тары. В следующий раз, когда вы окажетесь в Нью-Йорке, вы можете сэкономить несколько долларов и в то же время выиграть в качестве, просто наполнив свою флягу водой из-под крана.

Вода поступает в город из водосборных бассейнов, расположенных к северу от него, на расстоянии до полутора сотен километров, и течет в основном под действием силы тяжести, что позволяет сэкономить массу энергии, которая в ином случае требовалась бы для ее закачивания. Резервуары системы водоснабжения вмещают около 2 миллиардов кубометров воды, что дает более чем 9 миллионам жителей города более 4,5 миллиона кубометров чистой питьевой воды в сутки. Это огромные числа: чтобы представить себе, что именно они означают, можно сказать, что речь идет о подаче 100 тысяч этих дурацких полулитровых пластмассовых бутылок воды каждую секунду. Чтобы обеспечить такую невероятную производительность, воду выводят из резервуаров по огромным «трубам», которые на самом деле представляют собой проложенные глубоко под землей бетонные туннели. Сейчас осуществляется проект стоимостью 5 миллиардов долларов по прокладке нового такого туннеля в дополнение к двум уже существующим. Он должен иметь в длину около ста километров и пролегать на глубине до 240 м, а его диаметр на выходе из резервуара составляет более 7 м (даже больше, чем у аорты Годзиллы). Этот диаметр постепенно уменьшается от участка к участку по мере того, как вода распределяется по иерархической сети во все концы нью-йоркской агломерации. в конце концов она попадает в магистральные трубы, проходящие под улицами, диаметр которых составляет от четырех до двенадцати дюймов в зависимости от плотности застройки (самые большие трубы, очевидно, находятся в нижней, наиболее плотно застроенной части Манхэттена). Из этих магистральных труб вода подается по дюймовым трубам в отдельные здания; внутри домов размер труб еще более уменьшается, и к кухонным кранам и унитазам доходят уже трубы полудюймовые.

Иерархическая геометрия водопроводной системы Нью-Йорка характерна для систем водоснабжения городов всего мира – за исключением, разумеется, общих масштабов, которые варьируются в зависимости от размеров городов. Эта схема весьма похожа на нашу собственную систему кровообращения даже в том, что обе эти сети заполняют пространство и обе системы содержат приблизительно неизменяемые концевые модули. Система водоснабжения Санта-Фе гораздо меньше нью-йоркской, но дюймовые трубы, подающие воду в мой дом, и полудюймовые трубки, по которым вода поступает в мой туалет, имеют те же размеры, что и в Нью-Йорке. Приблизительно так же обстоит дело с нашими капиллярами, имеющими очень схожие размеры с капиллярами мышей или синих китов. Такое фрактальное устройство отражается в общей длине труб нью-йоркской водопроводной системы: если просуммировать все их от резервуара до уличных магистральных труб, получится около 10 500 км. Другими словами, если вытянуть все трубы системы в одну линию, она протянется от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса и обратно. Хотя такие размеры впечатляют, они меркнут в сравнении с длиной всех сосудов в нашей собственной системе кровообращения: если вытянуть их в одну линию, она тоже протянется от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса и обратно, и тем не менее вся она помещается внутри нашего тела.

11. Социально-экономическое многообразие коммерческой деятельности в городах

Многообразие стало таким же чрезмерно широко используемым в описании успешных городов модным словом, как устойчивость или инновации. Действительно, постоянно меняющаяся смесь личностей, национальностей, культур, коммерческих предприятий, услуг и социальных взаимодействий – это определяющая характеристика городской жизни. Ее важной социально-экономической составляющей является изобилие разных видов деловой активности, имеющихся в городах. Во всех городах существуют сходные наборы основных занятий – адвокаты, врачи, рестораторы, мусорщики, учителя, администраторы, – но лишь в немногих из них встречаются люди, занимающиеся узкоспециализированными видами деятельности, например специалисты по морскому праву, врачи по тропическим болезням, кузнецы, владельцы шахматных магазинов, физики-ядерщики или управляющие хедж-фондами.

В связи с этим численное описание многообразия видов предприятий может быть затруднительно, потому что любая систематическая классификационная схема неизбежно будет опираться на произвольное определение конкретных категорий; любой вид коммерческой деятельности можно делить на более мелкие подвиды, пока не кончатся определяющие критерии. Например, рестораны можно разбить на заведения высокой кухни, рестораны быстрого питания и так далее, а также на множество категорий по типам кухни, уровню цен, качеству и другим критериям. Существуют широкие категории, например рестораны азиатской, европейской и американской кухни, но, скажем, азиатские рестораны можно разделить на китайские, индийские, тайские, индонезийские, вьетнамские и так далее, а китайские, в свою очередь, можно разбить на еще более узкие категории – кантонские, сычуаньские, димсам и так далее. Вывод ясен: городское многообразие масштабозависимо в том смысле, что оно изменяется в зависимости от того, с каким разрешением мы его рассматриваем. Эта проблема довольно близка по духу к той, с которой впервые столкнулся Льюис Фрай Ричардсон, пытавшийся измерять длину различных береговых линий и границ, и которая привела Бенуа Мандельброта к изобретению концепции фракталов.

К счастью, задача формального определения категорий коммерческих предприятий, по меньшей мере в Северной Америке, уже имеет решение. Речь идет о поразительном наборе данных, в который входят записи почти о всех (более 20 миллионов) коммерческих заведениях Соединенных Штатов. Он был составлен в результате впечатляющей совместной программы, осуществленной США, Канадой и Мексикой, и называется Североамериканской системой отраслевой классификации (North American Industry Classification System, NAICS)[148]. Заведением называется в этой системе любое отдельное физическое место, в котором осуществляется коммерческая деятельность. Поэтому каждое индивидуальное предприятие, входящее в состав общеамериканской коммерческой сети, например каждый магазин Walmart или каждый ресторан McDonald’s, считается отдельным заведением. Заведения часто рассматривают как фундаментальные единицы экономического анализа, так как именно через образование и рост таких мест работы проявляются инновации, создание ценностей, предпринимательство и образование рабочих мест. В классификационной схеме NAICS используются шестизначные коды, дающие подробнейшее описание отраслей коммерческой деятельности. Первые две цифры обозначают общую сферу деятельности, третья определяет более узкую отрасль и так далее, что позволяет рассматривать экономическую активность с чрезвычайно высоким разрешением.

Эти данные проанализировали мои коллеги Луис, Хосе и Дебби, а основной вклад в эту работу внесла наша постдокторант Юн Хечжин. Хечжин изучала в Сеуле статистическую физику и приехала в SFI в аспирантуру. Сначала она работала над происхождением и структурой языков, а затем присоединилась к нашей программе. Сейчас она стала признанным специалистом по технологическим инновациям и работает теперь в Институте нового экономического мышления (Institute of New Economic Thinking, INET) в Оксфордском университете – новой исследовательской программе, созданной на средства финансиста Джорджа Сороса.

Так же как мы видели при анализе других городских параметров, в данных обнаружились удивительно простые и неожиданные закономерности. Например, суммарное число заведений в любом городе, какой бы деятельностью они ни занимались, оказалось прямо пропорционально численности населения города. Удвоение размеров города в среднем приводит к удвоению числа коммерческих предприятий. Коэффициент пропорциональности равен 21,6, что означает, что на 22 жителя города приходится приблизительно по одному заведению – независимо от размеров города. Другими словами, каждый раз, когда население города увеличивается всего лишь на 22 человека, в городе, будь то мелкая деревня или крупный мегаполис, в среднем возникает одно новое место работы. Это неожиданно небольшое число обычно вызывает у большинства людей, даже самих предпринимателей и коммерсантов, сильное удивление. Данные также показывают, что суммарное число работников этих заведений тоже возрастает с численностью населения приблизительно линейным образом: в среднем на каждое заведение приходится всего лишь около восьми работников, и это число также не зависит от размеров города. Такое замечательное постоянство среднего числа работников и среднего числа заведений в городах самых разных размеров и типов не только противоречит всему, что мы предполагали раньше, но и озадачивает с учетом повсеместных суперлинейных эффектов агломерации, которые управляют всеми аспектами социально-экономической деятельности, в том числе ростом подушной производительности, зарплат, ВВП и производства патентов[149].

Для более глубокого понимания этой картины и выявления делового характера города полезно спросить, сколько разных типов предприятий существует в городе. Этот вопрос подобен вопросу о числе разных видов животных в экосистеме. Простейшее, самое грубое представление об экономическом многообразии города можно получить, просто подсчитав число разных типов заведений, существующих в нем, и построив зависимость этого числа от численности населения. Данные классификации NAICS подтверждают, что многообразие систематически увеличивается с ростом размеров города на всех уровнях разрешения. К сожалению, классификационная схема не может отразить весь спектр экономического многообразия крупных городов, потому что она не в состоянии различить близкородственные типы заведений – например, рестораны южноитальянской и североитальянской кухни. Однако экстраполяция данных убедительно показывает, что если бы мы могли измерить многообразие с самым высоким разрешением, оно масштабировалось бы в зависимости от размеров города по логарифмическому закону.

Такое масштабирование соответствует росту с увеличением численности населения, но крайне медленному по сравнению с каноническими степенными законами масштабирования. Например, увеличение численности населения в сто раз – скажем, со 100 тысяч до 10 миллионов – приводит к стократному увеличению числа коммерческих предприятий, но их многообразие возрастает при этом всего в два раза. Другими словами, удвоение размеров города дает удвоение суммарного числа заведений, но увеличивает число новых типов предприятий всего лишь на каких-то 5 %. Такое увеличение многообразия почти полностью сводится к росту степени специализации и взаимозависимости, приводя к увеличению числа людей, имеющих отношение к соответствующим заведениям, – как их работников, так и клиентов. Это наблюдение важно, так как оно показывает, что увеличение многообразия тесно связано с ростом специализации, который играет важную роль в повышении производительности, происходящим в соответствии с правилом 15 %.

Чтобы оценить экономическое многообразие еще подробнее, нужно копнуть глубже и рассмотреть конкретные типы заведений, которые образуют деловой пейзаж каждого отдельного города. Сколько в каждом городе юридических консультаций, приемных частнопрактикующих врачей, ресторанов или строительных фирм и сколько из них специализируются на корпоративном праве, ортопедии, индонезийской кухне или водоснабжении? Пример такого анализа, показанный на рис. 52, показывает распространенность ста ведущих типов предприятий в некоторых городах Соединенных Штатов. Они нанесены на график в том же классическом рейтинговом формате, который мы использовали при обсуждении закона Ципфа для частотных распределений слов в языках и городов в городских системах. Когда я читаю лекции, перед тем как показать этот график, я спрашиваю слушателей, какой, по их мнению, тип предприятия наиболее распространен в Нью-Йорке. Пока что правильного ответа не дал никто, в том числе и в аудиториях, состоящих из видных представителей бизнеса и корпоративной экономики, работающих в самом Нью-Йорке. Простой аналитический, основанный на научных принципах подход к вопросу позволяет узнать поистине поразительные вещи.

Так вот, более всего в Нью-Йорке распространены приемные врачей. Это очень странно, особенно с учетом того, что врачи занимают лишь пятое место в Финиксе, в котором живет множество дряхлых пенсионеров вроде меня, и седьмое в Сан-Хосе, что, может быть, не так удивительно, если вспомнить обо всех этих молодых калифорнийцах с их маниакальным пристрастием к бегу трусцой и здоровому образу жизни. Менее удивительно и то, что второе место после врачей занимают в Нью-Йорке юридические конторы, а за ними следуют рестораны. Собственно говоря, рестораны занимают высокие места во всех городах: например, они стоят на первом месте в Чикаго, Финиксе и Сан-Хосе. Еда в ресторане, будь то фешенебельное заведение сети Four Seasons или ресторан быстрого питания McDonald’s, очевидно, является важным компонентом социально-экономической деятельности американцев. С более общей точки зрения интересно порассуждать о том, что́ такие рейтинги говорят о городе. Например, в Финиксе второе место после ресторанов занимают агентства недвижимости, что, вероятно, неудивительно для быстро растущего города, а в Сан-Хосе, который находится в Кремниевой долине, вторым по распространенности занятием ожидаемо оказывается компьютерное программирование. Понятно, почему в Нью-Йорке много юристов и ресторанов, но что в Нью-Йорке может быть такого особенного, что порождает такое изобилие врачей? Неужели жизнь в «Большом яблоке» настолько напряженна и вредна для здоровья? Если вас тоже заинтересовала эта загадка, вы можете найти аналогичные раскладки по видам экономической деятельности для своего любимого города в дополнительных материалах к нашей статье, выложенных в интернете. Для тех, кто управляет городом, думает о его будущем или вкладывает средства в его развитие, такие подробные данные о составе его делового пейзажа, несомненно, могут дать немало ценной информации.

Рис. 52. Число заведений, расположенных в порядке убывания частоты (от распространенных к редким) для Нью-Йорка, Чикаго, Финикса и Сан-Хосе. Типы заведений обозначены по классификации NAICS

Рис. 53. Кривая общего рейтинга подушной распространенности типов заведений для всех 366 статистических городских районов США; выделены Нью-Йорк, Чикаго, Финикс, Детройт, Сан-Хосе, Урбана-Шампейн и Данвилл. На врезке показаны в логарифмическом масштабе первые 200 типов, поведение которых приблизительно соответствует степенному закону, подобному закону Ципфа

В отличие от фундаментальных и универсальных свойств городов, которые проявляются в законах масштабирования, такие частотные рейтинги типов коммерческой деятельности отражают индивидуальность и собственные характеристики каждого конкретного города, которые проявляются в составе его экономики. Они являются фирменным знаком города и, очевидно, зависят от его истории, географии и культуры. Поэтому тем более замечателен тот факт, что, несмотря на уникальность смеси типов коммерческих заведений каждого города, их распределения имеют одну и ту же математическую форму. Настолько одинаковую, что при помощи простого, теоретически обоснованного масштабного преобразования их рейтинги по распространенности можно свести в единую универсальную кривую, общую для всех городов, как наглядно иллюстрирует рис. 53. С учетом огромных различий в уровне доходов, плотности и численности населения, не говоря уже об уникальных чертах и культурных различиях, столь разнообразных в разных городах Соединенных Штатов, такая универсальность кажется чрезвычайно удивительной.

Особенно приятен тот факт, что и эту неожиданную универсальность, и саму форму универсальной кривой, и логарифмическое масштабирование многообразия можно вывести из теории. Универсальность порождается ограничением суммарного числа всех коммерческих предприятий города, которое растет прямо пропорционально численности населения и не зависит от характерного для этого города распределения по типам деятельности. Змеевидную форму кривой функции распределения, представленной на рис. 53, можно объяснить, исходя из частного случая очень общего динамического механизма, который уже успешно использовался для истолкования рейтинговых распределений во множестве разных областей, от слов и генов до биологических видов и городов. Для него используют много разных названий: предпочтительное присоединение, кумулятивное преимущество, «богатые становятся еще богаче» или процесс Юла – Саймона. Он основан на механизме положительной обратной связи, в рамках которого новые элементы (в данном случае предприятия того или иного типа) добавляются к системе с вероятностью, пропорциональной уже существующей их распространенности. Чем их больше, тем больше новых элементов такого типа будет добавлено, то есть распространенность более часто встречающихся типов растет со все более высокой вероятностью, чем для типов более редких[150].

Это утверждение может быть полезно проиллюстрировать парой примеров из жизни: успешные компании и университеты привлекают к себе самых умных людей, в результате чего они становятся еще более успешными, что привлекает к ним еще более умных людей, что приводит к еще большему успеху и так далее. Точно так же богатые люди привлекают к себе выгодные инвестиционные возможности, которые увеличивают их богатство, которое они продолжают инвестировать, становясь от этого еще богаче. Этот процесс и описывает расхожее выражение «богатые становятся еще богаче», а также его подразумеваемое, но обычно непроизносимое вслух следствие: «а бедные – еще беднее». Ту же мысль красноречиво выразил в новозаветном Евангелии от Матфея Иисус Христос:

Ибо кто имеет, тому дано будет и приумножится, а кто не имеет, у того отнимется и то, что имеет[151].

Это удивительное заявление использовалось христианскими фундаменталистами и некоторыми другими в качестве оправдания дикого капитализма, чего-то вроде перевернутого девиза Робин Гуда, призывающего отбирать у бедных и отдавать богатым. Но, хотя замечание Иисуса дает хороший пример предпочтительного присоединения, фраза эта, разумеется, вырвана из контекста. Многие предпочитают не вспоминать о том, что Иисус на самом деле говорил не о материальных богатствах, а о знаниях и тайнах Царства Небесного. Его выражение – это духовный вариант самой сути идеи прилежного познания, накопления знаний, исследований и образования, выраженной раввинами древности: «Тот, кто не увеличивает знания, уменьшает их».

Первое серьезное математическое рассмотрение предпочтительного присоединения выполнил шотландский математик Удни Юл, который использовал его в 1925 г. для объяснения степенного закона распределения числа видов по родам цветковых растений. Современный социально-экономический вариант механизма предпочтительного присоединения или кумулятивного преимущества обязан своим появлением Герберту Саймону, так что теперь его обычно называют процессом Юла – Саймона. Саймон, кстати говоря, был поразительным ученым-универсалом и одним из наиболее авторитетных исследователей ХХ в. в области социальных наук. Диапазон его исследований охватывал сферы когнитивной психологии, информатики, экономики, теории управления, философии науки, социологии и политологии. Он был отцом-основателем нескольких важных производных научных дисциплин, приобретших в последние годы большое влияние, в том числе областей исследования искусственного интеллекта, обработки информации принятия решений, решения задач, теории организации… и сложных систем. Почти вся его научная карьера прошла в Университете Карнеги – Меллон в Питтсбурге, а его фундаментальная работа по процессам принятия решений в экономических организациях была удостоена Нобелевской премии по экономике.

Представленный выше эмпирический и теоретический анализ многообразия коммерческой деятельности показывает, что все города демонстрируют в процессе своего роста одну и ту же фундаментальную динамику развития деловой экологии. Сначала маленьким городам с ограниченным набором видов экономической деятельности необходимо быстро создать новые предприятия и новые функциональные возможности. Эти базовые виды деятельности образуют экономическое ядро любого города, как большого, так и малого. Любому городу нужны юристы, врачи, лавочники, торговцы, администраторы, строители и так далее. По мере того как город растет и спрос на эти базовые, основные виды деятельности насыщается, скорость появления новых функциональных возможностей резко снижается, но никогда не падает до нуля. Когда в городе накапливается достаточно большой набор индивидуальных конструктивных элементов, получающегося сочетания талантов и функций оказывается достаточно для создания новых вариантов, которые расширяют экономический пейзаж и приводят к появлению специализированных заведений – экзотических ресторанов, профессиональных спортивных команд и магазинов, торгующих предметами роскоши, – что приводит к увеличению экономической производительности.

Хотя теория не может предсказать, как конкретные виды деятельности распределяются в тех или иных городах (например, почему врачи занимают в Нью-Йорке первое место, а в Сан-Хосе – только седьмое), она успешно предсказывает, как изменяются их рейтинги по мере роста города. Общее правило заключается в том, что рейтинг тех видов деятельности, распространенность которых масштабируется суперлинейным образом, систематически повышается, а тех, которые масштабируются сублинейно, систематически падает. Например, если взять самый грубый уровень классификационной схемы NAICS, такие традиционные отрасли, как сельское хозяйство, горное дело и коммунальные услуги, масштабируются сублинейно; теория предсказывает, что рейтинги и относительная распространенность этих отраслей должны уменьшаться по мере роста городов. И вместе с тем виды деятельности, связанные с информацией и услугами, – научные и технические занятия, высококвалифицированная работа, управление компаниями и предприятиями – масштабируются суперлинейно и, следовательно, должны диспропорционально расти с увеличением размеров города, что и подтверждается наблюдениями. В качестве конкретного примера можно рассмотреть число юридических контор. Оно масштабируется суперлинейно с показателем, близким к каноническому значению 1,15, что означает, что число юристов на душу населения в крупных городах систематически больше, чем в мелких. Модель предпочтительного присоединения предсказывает, что по мере роста города рейтинг юридических услуг должен возрастать по приблизительно степенному закону с показателем около 0,4, и это также подтверждается наблюдениями[152]. Такие предсказания можно получить для любого типа деятельности и на любом уровне подробности рассмотрения.

Таким образом, показатели масштабирования, определяющие, как распространенность каждой категории деятельности изменяется вместе с изменением размеров города, отражают неравномерный рост разных отраслей и дают ему численное выражение более систематическим образом, чем простой подсчет коммерческих предприятий или суждения «экспертов», зачастую весьма субъективные, о природе той или иной отрасли. Важнейший принцип этого подхода заключается в том, что города и предприятия представляют собой сложные адаптивные системы, и рассматривать их следует не как изолированные, независимо действующие объекты, а как интегрированную систему. Совместное рассмотрение всех городов и всего набора коммерческих отраслей, составляющих всю городскую экономику страны, позволяет такому анализу связать экономическую ткань каждого города с хозяйственной структурой всей системы городов.

12. Рост и метаболизм городов

Одним из лейтмотивов всей этой книги является идея о том, что ничто на свете не растет без притока и преобразования энергетических и материальных ресурсов. Именно на этом утверждении основывалась общая теория количественного понимания роста биологических систем, будь то отдельные организмы или сообщества, которую я представил в главе 4. Вспомним ее основополагающую мысль: пища потребляется, а затем переваривается и преобразуется в процессе метаболизма в пригодную для использования форму, в которой она транспортируется по сетям и используется для снабжения клеток, причем часть ее выделяется на восстановление и содержание клеток уже существующих, часть – на замену умерших, а часть – на создание новых и наращивание общей биомассы. Эта последовательность представляет собой базовый шаблон, по которому происходит рост чего угодно – организмов, сообществ, городов, компаний и даже экономики целых стран. Грубо говоря, поступающие метаболизированные энергетические и материальные ресурсы распределяются между общим содержанием и восстановлением, в которое входит и замена уже существовавших, но распавшихся элементов, и созданием новых элементов, будь то клетки, люди или части инфраструктуры, которые добавляются к системе и увеличивают ее размеры. Таким образом, энергия, которая может быть выделена на рост, попросту равна разности между уровнем поступления энергии и уровнем ее расходов, необходимых для содержания системы.

Уровень обеспечивающего снабжение метаболизма в живых организмах масштабируется в зависимости от числа клеток сублинейно (в соответствии с общим степенным законом с показателем ¾, который порождают ограничения сетевой структуры), а потребность в энергии возрастает приблизительно линейно. Поэтому, так как линейный рост опережает сублинейный, по мере того как размеры организма увеличиваются, потребности в конце концов превосходят возможности снабжения, в результате чего количество энергии, которая может быть израсходована на рост, непрерывно уменьшается и в конце концов доходит до нуля, что означает прекращение роста. Другими словами, рост прекращается из-за несоответствия между масштабированием потребностей обслуживания и снабжения с увеличением размеров. Таким образом, сублинейное масштабирование уровня метаболизма и связанная с ним экономия на масштабе, возникающие в результате оптимизации производительности сети, являются причиной прекращения роста и наличия у биологических систем ограниченных сигмоидных кривых роста, представленных на рис. 15–18 в главе 4. Тот же сетевой механизм, который порождает сублинейное масштабирование, экономию на масштабе и прекращение роста, отвечает и за систематическое замедление темпов биологической жизни по мере увеличения размеров – а также за неизбежную смерть.

Теперь я хочу применить ту же концептуальную систему к росту социальных организаций, начиная с городов. Благодаря своей общности она легко может быть распространена и на случаи компаний и целых экономических систем, о чем мы поговорим в следующей главе. Как объяснялось в главе 7, города состоят из двух общих для всех них компонентов: физической инфраструктуры, осуществленной в зданиях, дорогах и тому подобном, и социально-экономической динамики, проявляющейся в форме идей, инноваций, создания ценностей и социального капитала. Обе эти системы имеют сетевую структуру, и их тесная взаимосвязь и взаимозависимость порождают приблизительную дополнительность или зеркальность между соответствующими сублинейными и суперлинейными законами масштабирования: 15 %-я экономия, получаемая в первой системе при каждом удвоении размеров, приблизительно соответствует 15 %-му приросту второй системы.

Именно первая из этих составляющих, физическая инфраструктура, обладает чертами, близкими к чертам систем биологических, и позволяет уподоблять город живому организму. Но, как я настойчиво подчеркивал, город не сводится к одним лишь физическим проявлениям. Соответственно, в концепцию уровня метаболизма как источника роста города и поддержки его существования необходимо включить и социально-экономическую деятельность. К электричеству, газу, нефти, воде, материалам, продуктам, изделиям и прочим ресурсам, которые используются и производятся в городе, нужно добавить богатство, информацию, идеи и социальный капитал. На более фундаментальном уровне все эти ресурсы, как физические, так и социально-экономические, порождаются и поддерживаются притоком энергии. Энергии требуют не только отопление зданий, перевозка материалов и людей, производство товаров и снабжение газом, водой и электричеством, но и каждая сделка, каждый заработанный или потраченный доллар, каждый разговор или совещание, каждый телефонный звонок или текстовое сообщение, каждая идея и каждая мысль. Более того, если пищу необходимо преобразовывать при помощи метаболизма в форму, пригодную для питания клеток и поддержания жизни, то поступающие в город энергетические и материальные ресурсы точно так же необходимо преобразовывать в некую форму, которую можно использовать для питания, поддержки и роста социально-экономической деятельности – создания ценностей, инноваций и уровня жизни. Красноречивее всех выразил эту мысль великий урбанист Льюис Мамфорд:[153]

Главная функция города – преобразовывать власть в форму, энергию в культуру, мертвую материю в живые символы искусства, биологическое воспроизводство в социальное творчество.

Этот необычайный процесс, который можно представить себе в виде социального метаболизма города, приводит к увеличению условного уровня нашего биологического метаболизма, происходящего за счет той пищи, которую мы съедаем, со всего лишь 2000 пищевых калорий в сутки, то есть 100 ватт, приблизительно до 11 000 ватт, что эквивалентно 200 000 пищевых калорий в сутки. При этом энергетическое содержание самой пищи дает лишь малый вклад в суммарный энергетический бюджет города, менее 1 % общего энергопотребления, и именно поэтому я не включил его в предшествующее обсуждение, хотя пища, очевидно, является жизненно важной составляющей городской жизни. Это может показаться парадоксальным, особенно с учетом того, что, как мы видели в предыдущем разделе, во многих городах предприятия общественного питания являются самым распространенным типом заведений, опережая даже юридические конторы. Дело в том, что огромные расходы энергии, связанные с едой, – это не энергетическое содержание самой пищи (все те же 2000 пищевых калорий в сутки на человека), а затраты на ее производство, транспортировку, распределение и продажу, на ее путь по всей цепи поставок, от фермы до магазина, до вашего дома и в конечном счете до вашего рта.

Если задуматься об огромном числе различных участников суммарного метаболизма города, становится ясно, что определение его стоимости, будь то в долларах или в ваттах, – это сложнейшая задача, за детальное решение которой, насколько мне известно, до сих пор никто никогда не брался[154]. Это весьма удивительно, учитывая основополагающую роль этого процесса в функционировании и росте городов и, в более общем случае, экономических систем. Помимо необходимости сбора и анализа громадных объемов данных по широкому спектру самых разнообразных видов деятельности, не вполне ясно, что именно можно считать частью социального метаболизма города. Какие из независимых вкладов следует включать в анализ? Нужно ли, например, считать энергетические расходы, связанные с преступностью, полицией, патентами, строительством, инвестициями и исследованиями, независимыми вкладами, или же, поскольку между ними явно существуют пересечения и взаимосвязи, это приведет к многократному учету одних и тех же факторов?

Однако в рамках изучения роста эта задача может быть изящно уточнена при помощи концептуальной системы нашей теории масштабирования. Наиболее важное положение состоит в том, что все социально-экономические вклады в социальный метаболизм, на которых и основывается рост, в том числе создание ценностей и инноваций, масштабируются приблизительно одинаковым образом, следуя классическому суперлинейному степенному закону с общим показателем около 1,15. А поскольку все его составляющие масштабируются таким образом, то и суммарный уровень социального метаболизма города также должен масштабироваться суперлинейно с показателем 1,15. В этом преимущество исследования через масштабирование: чтобы определить траекторию роста города, нам не нужно знать во всех подробностях, какие именно явления вносят вклады в его метаболизм. Все они взаимосвязаны и взаимозависимы в рамках одной и той же общей динамики социальных и инфраструктурных сетей, которая и составляет жизнь города.

Рис. 54–59. Кривые роста для разных городов мира, иллюстрирующие повсеместное присутствие неограниченного суперэкспоненциального роста. Показаны данные для Бомбея, Мехико, Лондона, Остина, агломерации Нью-Йорка и агломерации Лос-Анджелеса. Приблизительно до 1850 г. достоверные данные отсутствуют

Суперлинейное масштабирование метаболизма оказывает большое влияние на рост. В отличие от того, что происходит в биологии, количество метаболической энергии, производимой городами, увеличивается по мере их роста быстрее, чем потребности поддержания их существования. Поэтому доля, которая остается для роста, попросту равная разности между уровнем социального метаболизма и затратами на содержание, постоянно возрастает по мере того, как увеличиваются размеры города. Чем больше становится город, тем быстрее он растет – классическая картина неограниченного экспоненциального роста. Более того, математический анализ показывает, что скорость роста, вызываемого суперлинейным масштабированием, на самом деле оказывается даже выше экспоненциальной: речь идет о суперэкспоненциальном росте.

Хотя теоретические основы и математическая структура уравнения роста одинаковы для организмов, колоний общественных насекомых и городов, из них получаются весьма разные следствия: сублинейное масштабирование и экономия на масштабе, характерные для биологии, порождают устойчивый ограниченный рост и замедление темпов жизни, а суперлинейное масштабирование и усиление на масштабе, характерные для социально-экономической деятельности, приводят к неограниченному росту и ускоряющемуся темпу жизни.

Механизм непрерывной положительной обратной связи, заложенный в социальных сетях, которые порождают мультипликативное усиление социальных связей и суперлинейное масштабирование, естественным образом приводит к неограниченному суперэкспоненциальному росту и происходящему параллельно с ним увеличению темпов жизни. Именно это и происходит в течение последних двух сотен лет по мере взрывного роста городов по всей нашей планете. Некоторые примеры этого роста, взятые из разных точек мира, показаны на рис. 54–59, на которых представлены города Старого Света (Лондон), Нового Света (Нью-Йорк, Остин, несколько калифорнийских городов и Мехико) и Азии (Бомбей). Главное обстоятельство, которое я хочу здесь подчеркнуть, заключается в том, что уравнение роста, порожденное суперлинейным масштабированием, дает математическую формулу, предсказания которой согласуются с общим для разных городов суперэкспоненциальным ростом, проиллюстрированным этими графиками.

Отметим, однако, что и у Лондона, и у Нью-Йорка имеются периоды сокращения и застоя. Мы еще обсудим эти эффекты в главе 10, в которой мы вернемся к явлению неограниченного роста в более широком контексте и свяжем его с ролью циклов инноваций и ускоряющегося темпа жизни, а также покажем их влияние на принципиально важные вопросы устойчивости.

Глава 9. К созданию научной теории компаний

Наряду с людьми и домашними хозяйствами компании являются фундаментальными элементами социально-экономической жизни городов и государств. В возникновении и росте коммерческих предприятий, фирм и корпораций (которые я объединяю под общим названием «компании») проявляются инновации, создание ценностей, предпринимательство и образование рабочих мест. Компании главенствуют в экономике. Например, суммарная стоимость всех котирующихся на бирже компаний Соединенных Штатов – то, что на профессиональном языке называется их совокупной рыночной капитализацией, – составляет более 21 триллиона долларов, то есть на 15 % больше всего ВВП страны. Стоимость и годовой объем продаж любой из крупнейших компаний, таких как Walmart, Shell, Exxon, Amazon, Google и Microsoft, приближаются к полутриллиону (500 миллиардам) долларов, из чего следует, что небольшое число компаний владеет львиной долей всего рынка.

Учитывая наши предыдущие открытия относительно рейтингов и частотных распределений личных доходов (закон Парето) и городов (закон Ципфа), нас не должно удивлять, что такой перекос отражает распределение рыночной капитализации и годовых объемов продаж компаний по сходному степенному закону[155]. Это распределение уже было показано на рис. 41 в главе 8. Таким образом, существует совсем немного чрезвычайно крупных компаний и огромное множество компаний очень мелких, и все они следуют простому и систематическому распределению по степенному закону. Поэтому, хотя в Соединенных Штатах существует почти 30 миллионов независимых предприятий, большинство из которых – частные компании, в которых работает всего по нескольку человек, имеется всего лишь около четырех тысяч компаний, котирующихся на бирже, на которые и приходится основная часть экономической деятельности.

С учетом этого наблюдения естественно будет спросить, как мы спрашивали в отношении городов и организмов, масштабируются ли измеримые параметры компаний – например, их объемы продаж, активы, расходы и прибыли. Проявляются ли в компаниях систематические закономерности, не зависящие от их размеров, индивидуальных черт и сфер деятельности? И если это так, может ли существовать численная, обладающая предсказательной силой научная теория компаний, аналогичная научной теории городов, которую мы разрабатывали в предыдущих главах? Можно ли понять общие численные характеристики истории существования компаний, осознать, как они растут, достигают зрелости и в конце концов умирают?

Как и в случае городов, исследование компаний имеет обширную историю, восходящую еще к Адаму Смиту и временам основания современной экономики. Многие из этих работ носят качественный характер и часто основываются на фактологическом изучении конкретных компаний или отраслей, из которого делаются интуитивные выводы об общих динамических и организационных чертах компаний вообще. В прошлом компании считали необходимыми агентами, которые организуют коллективную работу людей, что позволяет воспользоваться преимуществами экономии на масштабе и уменьшить операционные издержки производства либо услуг, оказываемых потребителю. Стремление к минимизации стоимости, максимизации прибыли и завоеванию как можно большей доли рынка было чрезвычайно действенной движущей силой создания современной рыночной экономики, обеспечившей возможность предоставления товаров и услуг по доступным ценам огромному количеству людей. Несмотря на все свои ловушки, злоупотребления и непредвиденные негативные последствия, идея свободного рынка стала важнейшим фактором обеспечения беспрецедентно высокого уровня жизни во всем мире. Сторонники этой потенциально прямолинейной и упрощенной точки зрения часто упускают из вида качество и, что еще более важно, роль прямой социальной ответственности корпораций, основополагающего дополнительного компонента, который позволяет компаниям существовать, не ограничиваясь примитивной жаждой максимизации прибылей и вознаграждений.

Работы по исследованию компаний по большей части проводились с точки зрения экономики, финансов, права и теории организации, хотя в последнее время в них начали играть все большую роль идеи, позаимствованные из экологии и эволюционной биологии. Также существует обширная популярная литература, написанная успешными инвесторами и корпоративными администраторами, рассказывающими о секретах своего успеха, который они часто обобщают в виде объяснений и советов относительно процветания одних компаний и неудач других. Все эти работы в той или иной степени дают информацию о природе, динамике и структуре компаний, но ни одна из них не содержит того обобщающего научного подхода к задаче, о котором я говорю в этой книге[156].

Механизмы, которые традиционно рассматривались для понимания компаний, можно разделить на три большие категории: стоимость экономических операций, организационная структура и рыночная конкуренция. Хотя они взаимосвязаны, их часто рассматривали по отдельности. В терминах системы, разработанной в предыдущих главах, эти категории можно описать следующим образом: 1) Минимизация стоимости экономических операций отражает экономию на масштабе, которую порождает принцип оптимизации, например максимизация прибыли. 2) Организационная структура есть сетевая система, существующая внутри компании для передачи информационных, материальных и финансовых ресурсов на содержание, обеспечение жизнедеятельности и рост предприятия. 3) Конкуренция создает эволюционное давление и процессы отбора, свойственные экологии рынка.

Широкомасштабное производство автомобилей, компьютеров, шариковых ручек или пакетов страховых услуг невозможно без создания сложной организационной структуры, которая должна быть адаптивной, чтобы выжить в условиях рыночной конкуренции. Как и в случае городов, это порождает потребность в интеграции энергетических, материальных и финансовых ресурсов – метаболизме компании – и обмене информацией для подпитки инноваций и творчества. В этом смысле компании любых размеров представляют собой классические сложные адаптивные системы, и именно эти принципы, происходящие из законов масштабирования, я и хочу рассмотреть. До какой степени возможно разработать количественную теорию, объясняющую рост, продолжительность существования и организацию компаний, которая дополняла бы традиционные взгляды на них?

Существует на удивление мало исследований природы компаний, использующих большие наборы данных, которые охватывали бы весь спектр экономической деятельности и целые истории компаний. По большей части такие работы проводились исследователями, вдохновленными идеями сложных систем, и хороший пример такого исследования дает открытие того факта, что распределение компаний по размерам подчиняется систематическому степенному закону, подобному закону Ципфа (как показано на рис. 41). Автором этого открытия был специалист по вычислительной социологии Роберт Акстелл, который изучал политологию и информатику в Университете Карнеги – Меллон, где и попал под влияние великого эрудита Герберта Саймона, о котором я уже говорил.

Акстелл, работающий сейчас в Университете имени Джорджа Мейсона в Виргинии и в филиале Института Санта-Фе, является ведущим специалистом по агентному моделированию, вычислительной методике, которую используют для построения моделей систем с большим числом составляющих[157]. Грубо говоря, эта методика предполагает постулирование простых правил взаимодействия между отдельными агентами системы, которые могут быть компаниями, городами или людьми, в сочетании с алгоритмом, определяющим, как они изменяются со временем, и компьютерный обсчет развития получившейся системы. В более сложных вариантах, направленных на реалистичное моделирование эволюционных процессов, могут вводиться правила обучения, адаптации и даже воспроизводства.

С появлением мощных компьютеров агентное моделирование стало стандартным средством получения информации по многим аспектам экологических и социальных систем, например в моделировании структуры террористических организаций, интернета, закономерностей дорожного движения, поведения фондового рынка, распространения эпидемий, развития экосистем и коммерческих стратегий. В последние годы Акстелл пытался произвести агентное моделирование всей экосистемы американских компаний, охватывающей более шести миллионов компаний и 120 миллионов работников. В этом грандиозном проекте активно используются данные переписей – как для определения параметров модели, так и для проверки результатов моделирования.

Впоследствии он начал работать вместе с другими выдающимися членами коллектива SFI, в том числе с Дойном Фармером, ныне оксфордским профессором, и Джоном Джинакоплосом, известным экономистом из Йеля, над расширением этого проекта для создания модели целой экономической системы. Эта поистине титаническая задача требует гигантского количества исходных данных по всем аспектам экономики, от финансовых транзакций и промышленного производства до недвижимости, государственным расходам, налогам, коммерческим инвестициям, международной торговле и даже поведению потребителей. Есть надежда, что такую интегрированную модель всей экономической системы можно будет использовать в качестве испытательного стенда для оценки разных стратегий стимулирования экономики – например, чтобы решить, следует ли сокращать налоги или увеличивать бюджетные расходы на общественные нужды, – а также, что, быть может, важнее всего, для предсказания резких изменений экономической ситуации и прогнозирования приближающихся кризисов, что позволило бы предотвращать возможные спады или даже очередной экономический крах[158].

Отсутствие такой подробной модели реальных механизмов экономической системы и тот факт, что стратегические решения преимущественно основываются на сравнительно локализованных, иногда интуитивных представлениях о том, как они должны работать, производят отрезвляющее впечатление. Очень редко принимается во внимание тот факт, что экономика представляет собой непрерывно эволюционирующую сложную адаптивную систему и что разбиение ее бесчисленных взаимозависимых составляющих на все более мелкие полуавтономные подсистемы может привести к ошибочным и даже опасным выводам, как хорошо видно из истории экономического прогнозирования. Эта задача, как и долговременное прогнозирование погоды, чрезвычайно сложна, и тут экономистам нужно отдать должное: они хорошо умеют делать краткосрочные прогнозы при условии, что состояние системы остается стабильным. Традиционные экономические теории сильно зависят от сохранения приблизительно равновесного состояния экономики. Способность предсказывать события, выходящие за обычные рамки, крупные изменения, поворотные моменты и разрушительные экономические ураганы и торнадо – гораздо более трудная задача, и с ее решением экономическая наука в большинстве случаев справлялась далеко не блестяще.

Нассим Талеб, автор приобретшего большое влияние бестселлера «Черный лебедь», особенно резко высказывается об экономистах, несмотря на то – а может быть, именно потому – что сам он получил образование в области коммерции и финансов[159]. Он работал в нескольких престижных университетах, в том числе в Нью-Йоркском университете и в Оксфорде, и основная тема его трудов – это важность осознания экстраординарных событий и более глубокого понимания рисков. Он резко и даже грубо критикует классическое экономическое мышление, часто выступая с преувеличенными заявлениями вроде: «Много лет назад я заметил одну важную черту экономики, а именно что экономисты никогда не бывают правы». Талеб даже призывал к отмене Нобелевской премии по экономике, заявляя, что экономические теории могут причинять поистине катастрофический ущерб. Хотя я не всегда согласен с идеями и полемическими приемами Талеба, существование таких резких на язык диссидентов, бросающих вызов догме, всегда важно и полезно, особенно когда история этой дисциплины насчитывает такое количество провалов, а ее постулаты оказывают столь большое влияние на нашу жизнь.

Самое большое преимущество агентного моделирования состоит в возможности создания альтернативной основы для решения этих важных задач с рассмотрением всей системы как единого целого, а не суммы неких идеализированных кусочков. Этот подход с самого начала признает, что экономика обычно представляет собой систему не равновесную, а развивающуюся и обладающую эмерджентными свойствами, которые порождаются взаимодействиями между ее многочисленными составляющими.

Однако он обладает и серьезными недостатками. Прежде всего, жизненно важную роль играет в нем изначально вводимое определение правил, по которым агенты действуют, взаимодействуют и принимают решения, а такое определение во многих случаях по необходимости приходится создавать наугад, а не на основе фундаментальных знаний и принципов. Кроме того, часто бывает трудно истолковать результаты подробного моделирования и определить причинно-следственные связи между разными компонентами и подразделениями системы. Поэтому может быть непросто отличить важные движущие факторы, определяющие те или иные конкретные результаты, от элементов, являющихся следствием общих принципов, действующих во всех таких системах. В предельном случае философия, лежащая в основе агентного моделирования, прямо противоречит традиционному научному методу, в котором основная задача состоит в сведении большого количества, по-видимому, разрозненных и не связанных друг с другом наблюдений ко всего нескольким общим принципам и законам. Так обстоит дело в биологии, в которой принцип естественного отбора применим ко всем организмам, от клеток до китов, или в физике, в которой законам Ньютона подчиняется любое движение чего угодно, от автомобилей до планет. Задача же агентного моделирования, напротив, состоит в воссоздании каждой конкретной системы, почти что в масштабе «один к одному». Общие законы и принципы, которые определяют ее структуру и динамику, играют лишь вспомогательную роль. Например, в модель конкретной компании входят все отдельные работники, администраторы, транзакции, продажи, расходы и так далее, и после этого каждую компанию рассматривают как отдельное, почти что уникальное образование, как правило не учитывая явно его систематического поведения или его соотношения с более общей картиной.

Несомненно, оба этих подхода необходимы: всеобщие, экономные «универсальные» законы и систематическое поведение отражают общую картину и господствующие силы, которые определяют общую динамику, а обоснованное, подробное моделирование отражает индивидуальность и уникальность каждой компании. В применении к городам законы масштабирования показывают, что от 80 до 90 % их измеримых характеристик можно определить, зная лишь численность их населения, а оставшиеся 10–20 % являются мерой индивидуальности и уникальности каждого города, и понять их можно только при помощи подробных исследований, принимающих во внимание местные исторические, географические и культурные особенности. Рассуждая в том же духе, я хочу сейчас исследовать, насколько такая же система может быть использована для выявления эмерджентных законов, которым подчиняются компании.

1. Walmart как увеличенная скобяная лавка

Финансовая компания Standard & Poor’s, более всего известная своим индексом фондового рынка по американским компаниям, S&P 500, также предоставляет доступ к весьма полезной базе данных, в которой содержатся финансовые отчеты и балансы всех котирующихся на бирже компаний начиная с 1950 г. Эта база данных называется Compustat. В отличие от аналогичных баз данных по организмам и городам использование ее далеко не бесплатно. Компания S&P запрашивает за доступ к ней 50 тысяч долларов. Для большинства инвесторов, корпораций и бизнес-школ, для которых эта база данных и предназначена, это может показаться мелочью, но для нас, простых ученых, это большая сумма, эквивалентная годовой зарплате постдокторанта. К сожалению, когда мы организовывали проект ISCOM и собирались изучать компании с точки зрения масштабирования, таких средств у нас не было, исследование компаний пришлось отложить в долгий ящик и перенацелить проект на исследование городов, данные по которым можно было получить бесплатно.

Работа с городами оказалась гораздо более интересной и плодотворной, чем ожидал, например, я, и обратиться к рассмотрению компаний с тем вниманием, которого заслуживает эта тема, мы снова смогли много позже, чем предполагалось, даже после того, как мы все-таки получили доступ к базе данных Compustat благодаря исследовательскому гранту, полученному от Национального научного фонда. В частности, поэтому анализ и теоретическая система пока что остаются менее разработанными, чем для городов. Тем не менее мы уже успели заметно продвинуться вперед и получить связную картину, на основе которой может быть построена в грубом приближении научная теория компаний.

Современная концепция компании и тот быстрый оборот рынка, при котором большинство компаний выживает лишь в течение весьма недолгого времени, появились не более пары сотен лет назад. Этот период гораздо короче, чем многие сотни, если не тысячи лет, в течение которых развивались города и городские системы, не говоря уже о миллиардах лет существования биологической жизни. Поэтому у рыночных сил, воздействующих на компании, было гораздо меньше времени для достижения такого же рода метастабильной конфигурации, проявляющейся в систематических законах масштабирования, какая существует для городов и организмов.

Как объяснялось в предыдущих главах, законы масштабирования являются следствием оптимизации сетевых структур, поддерживающих существование всех этих разнообразных систем, а оптимизация эта есть результат непрерывной работы механизмов обратной связи, заложенных в естественном отборе и «выживании наиболее приспособленных». Таким образом, следует ожидать, что в случае городов эмерджентные законы масштабирования должны демонстрировать значительно бо́льшие колебания вокруг идеализированных степенных законов, чем в случае организмов, потому что период воздействия эволюционных сил для первых был гораздо короче, чем для вторых. Сравнение соответствия данных с кривыми масштабирования для этих двух случаев, например рис. 1, на котором представлены уровни метаболизма животных, с рис. 3, на котором показаны данные по производству патентов в городах, подтверждает это предположение: разброс данных вокруг кривой значительно шире для городов, чем для организмов. Из этого следует, что для компаний, временные масштабы «эволюции» которых еще короче, разброс данных вокруг идеализированных кривых масштабирования должен быть еще шире, чем для городов и организмов.

Использованный для анализа набор данных Compustat охватывает 28 853 компании, котировавшиеся на американских биржах в течение шестидесяти лет, с 1950 по 2009 г. В эту базу данных входят стандартные параметры бухгалтерской отчетности: число работников, совокупный объем продаж, размеры активов, расходов и пассивов и так далее, причем каждая из этих категорий разбита на подразделы, например затраты на обслуживание долгов, инвестиции, товарно-материальные запасы, амортизация и так далее. Приведенная на следующей странице блок-схема иллюстрирует взаимосвязи между всеми этими параметрами.

Эту схему построил Маркус Гамильтон, молодой антрополог, которого мы взяли в постдокторантуру для помощи в ведении этого проекта. Маркус еще студентом поставил себе жизненную цель: ввести в антропологию и археологию более количественные, вычислительные и механистические методы. По вполне очевидным причинам такие подходы применяются в этих дисциплинах менее, чем в других гуманитарных науках, так что перед Маркусом стояла трудная задача. Но для наших целей он подходил как нельзя лучше. После защиты диссертации и до прихода к нам в SFI он совместно с Джимом Брауном работал над вопросами глобальной устойчивости с экологической и антропологической точек зрения. Он первым выполнил интереснейшую работу по интерпретации обществ охотников-собирателей в терминах масштабирования и разработал в сотрудничестве со мною и с Хосе Лобо теорию, объясняющую, как и почему наши предки, охотники-собиратели, совершили принципиально важный переход к оседлому образу жизни, что привело впоследствии к образованию городов. Недавно мы с Хосе и Маркусом написали совместную статью, опубликованную в одном из ведущих журналов по антропологии: я считаю ее одним из главных достижений своей карьеры.

Первые результаты наших исследований масштабирования компаний и выводы из них оказались весьма убедительными. Они образуют мощную основу для развития теоретического объяснения общей структуры и истории существования компаний. На рис. 60–63 показаны в логарифмическом масштабе зависимости объемов продаж, доходов и активов всех 28 853 компаний от численности их работников. Эти параметры являются основными финансовыми характеристиками любой компании и используются в качестве стандартной меры ее финансового состояния и динамики развития. Как ясно видно из этих графиков, компании действительно масштабируются в соответствии с простыми степенными законами, причем, как и предполагалось, их отклонения от средней линии поведения гораздо больше, чем у городов или организмов. Итак, с точки зрения статистики все компании представляют собой приблизительные масштабные копии друг друга: Walmart можно считать приблизительной увеличенной копией гораздо меньшей компании. Но при таком, большем разбросе данные демонстрируют поразительную регулярность масштабирования размеров и динамики компаний, особенно удивительную с учетом громадного разнообразия сфер деятельности, географического положения и возраста компаний.

Прежде чем перейти к дальнейшему обсуждению этих результатов, будет полезно рассмотреть, как закономерности масштабирования извлекаются из больших наборов данных с такими колебаниями. Стандартная стратегия состоит в разбиении данных на последовательность интервалов равного размера, приблизительно так же, как делается в гистограммах, и вычислении среднего значения по каждому интервалу. Усреднение сглаживает колебания, а большое количество точек, представляющих данные, сводится к сравнительно небольшому числу интервалов, на которые делится весь диапазон значений. Численность сотрудников варьируется более чем в миллион раз, от совсем маленьких, по большей части недавно возникших, компаний, в которых работает всего по нескольку человек, до гигантов, подобных компании Walmart, в которых трудится больше миллиона. Чтобы проиллюстрировать эту процедуру, мы разбили данные на рис. 60–63 на восемь равных интервалов, каждый из которых охватывает один порядок величины. Таким образом, в первый интервал попали компании, имеющие менее 10 работников, во второй – те, в которых работает от 10 до 100 человек и так далее, а в последнем интервале находятся все компании, которые имеют более миллиона работников.

Восемь точек, получившихся в результате усреднения по каждому из интервалов, выделены на графике серым цветом. Они представляют собой результат весьма грубого усреднения данных и, как можно видеть, очень хорошо ложатся на прямую линию, что подкрепляет предположение о существовании в основе статистического разброса идеализированного степенного закона. Поскольку размеры и число интервалов выбираются произвольно, с тем же успехом можно было бы разбить весь диапазон не на восемь, а на десять, пятьдесят или сто отрезков и проверить, сохраняется ли эта прямая при последовательном повышении разрешения данных. Прямая сохраняется. Хотя такое группирование не является строгой математической процедурой, стабильность его результатов, получение приблизительно одной и той же прямой линии при разных разрешениях – это сильный аргумент в поддержку гипотезы о том, что компании в среднем самоподобны и подчиняются степенному закону масштабирования. На самом деле график, приведенный в начале книги на рис. 4, является результатом применения именно этой процедуры группирования, так же как и график на рис. 41, взятый из работы Акстелла, в которой он продемонстрировал, что компании подчиняются закону Ципфа. Все эти результаты убедительно свидетельствуют о том, что компании, как и города или организмы, подчиняются универсальным динамическим принципам, не зависящим от их индивидуальных и даже уникальных черт, и что научное описание компаний, по меньшей мере в грубом приближении, действительно возможно.

Зависимости доходов, прибылей, активов и объемов продаж 28 853 американских компаний, котировавшихся на бирже с 1950 по 2009 г., от численности их работников, построенные в логарифмическом масштабе, демонстрируют сублинейное масштабирование со значительным разбросом. Линией с нанесенными на нее точками представлены результаты группирования данных, описанного в тексте

Сравнение масштабирования компаний в США и в КНР обнаруживает сходство в их поведении

Дополнительные аргументы в поддержку этого открытия поступили из неожиданного источника, а именно с китайского фондового рынка. В 2012 г. к нашей работе присоединился Цзян Чжан, молодой сотрудник Института системологии Пекинского педагогического университета. Джейк, как большинство из нас стали его называть, посетил SFI в 2010 г. и загорелся желанием принять участие в наших исследованиях. У него был доступ к базе данных, сходной с Compustat, которая охватывает все китайские компании, фигурирующие на зарождающемся фондовом рынке этой страны. После краха китайской Культурной революции и прихода к власти Дэн Сяопина экономические реформы привели к возрождению рынка ценных бумаг в КНР, и в конце 1991 г. начала работать Шанхайская фондовая биржа.

Когда Джейк проанализировал эти данные, мы, к большой своей радости, обнаружили, что китайские компании масштабируются сходно с компаниями американскими, как можно видеть из рис. 64–67. Однако с учетом того, что китайский рынок не просуществовал еще и пятнадцати лет, результат этот был несколько неожиданным. По-видимому, в условиях стремительного развития динамические силы «свободного» конкурентного рынка оказываются достаточно могущественными для сравнительно быстрого формирования систематических закономерностей. Это, несомненно, связано с теми необычайно высокими темпами, какими китайский фондовый рынок и вся экономика этой страны выросли за столь короткое время. Шанхайская биржа уже стала пятой по размерам биржей в мире и второй в Азии, уступая только гонконгской. Ее суммарная рыночная капитализация равна 3,5 триллиона долларов; для Нью-Йоркской фондовой биржи эта цифра составляет более 21 триллиона, а для Гонконга – 7 триллионов долларов.

2. Миф о неограниченном росте

Важнейший аспект масштабирования компаний состоит в том, что многие из их ключевых параметров масштабируются сублинейно, как у организмов, а не суперлинейно, как у городов. Это заставляет предположить, что компании больше похожи на организмы, чем на города, и что господствующие в них тенденции должны быть связаны со своего рода экономией на масштабе, а не с усилением и инновациями. Это обстоятельство имеет важные последствия в том, что касается истории их существования и в особенности их роста и смертности. Как мы видели в главе 4, сублинейное масштабирование порождает в биологии ограниченный рост и конечную продолжительность жизни, а в главе 8 было показано, что суперлинейное масштабирование, свойственное городам (и экономическим системам), приводит к неограниченному росту.

Таким образом, сублинейное масштабирование компаний говорит о том, что они также прекращают расти и в конце концов умирают, – что вряд ли обрадует многих руководителей корпораций. На самом деле все не так просто, ибо предсказанная картина роста компаний оказывается сложнее, чем простая экстраполяция биологических законов. Чтобы объяснить эту ситуацию, я опишу сейчас упрощенную версию применения общей теории к компаниям, обращая особое внимание на те существенные черты, которые определяют особенности их роста и смертности.

Устойчивый рост компании происходит в конечном счете за счет ее прибыли (или чистой выручки), равной разности между объемом продаж (или совокупным доходом) и совокупными расходами; расходы включают в себя зарплаты, производственные издержки, обслуживание кредитов и так далее. Для продолжения роста в течение длительного времени компания должна рано или поздно получать прибыль, часть которой иногда выделяется на выплату дивидендов акционерам. Акционеры же, вместе с другими инвесторами, могут, в свою очередь, покупать дополнительные акции или облигации, что помогает поддерживать будущее благополучие и рост компании. Однако, если мы хотим понять общие закономерности этого процесса, проще будет исключить из рассмотрения дивиденды и инвестиции, которые важны в первую очередь для небольших, сравнительно молодых компаний, и сосредоточиться на прибыли, которая является основным фактором роста компаний более крупных.

Как мы уже видели, рост как организмов, так и городов происходит за счет разности между уровнем метаболизма и затратами на содержание. В этой терминологии суммарный доход (или объем продаж) компании можно назвать «уровнем метаболизма», а расходы – затратами на ее «содержание». В биологии уровень метаболизма организма масштабируется в зависимости от их размеров сублинейно, так что по мере увеличения размеров организма количество доступной энергии растет медленнее, чем ее потребление на содержание клеток, что приводит в конце концов к прекращению роста. В то же время в городах уровень социального метаболизма масштабируется суперлинейно, так что по мере роста города производство социального капитала все больше опережает затраты на содержание, что приводит ко все более быстрому неограниченному росту.

Какую же динамику мы видим в случае компаний? Что интересно, у компаний проявляется другая, отличная от предыдущих, вариация на ту же общую тему: их развитие следует пути, который находится между тем, что происходит с организмами и городами. Результирующий уровень метаболизма компаний масштабируется не сублинейно и не суперлинейно, а по среднему между ними варианту, линейному закону. Это видно из рис. 63 и 64, на которых представлена в логарифмическом масштабе зависимость объема продаж от численности работников: линия наилучшей аппроксимации данных имеет наклон, очень близкий к единице. И в то же время расходы масштабируются по более сложному закону: сначала они увеличиваются сублинейно, но по мере роста компаний постепенно приближаются к линейной зависимости. Соответственно, разность между продажами и расходами, которая является источником роста, также рано или поздно приходит к линейному масштабированию.

Это хорошо, поскольку, как известно из математики, линейное масштабирование приводит к экспоненциальному росту, к которому и стремятся компании. Кроме того, это объясняет, почему экономика в среднем продолжает экспоненциально расширяться, так как общее поведение рынка, по сути дела, определяется усредненным ростом всех отдельных компаний, действующих на нем. Хотя для экономики в целом это обстоятельство может быть положительным, оно же ставит перед каждой отдельной компанией трудную задачу, так как каждая компания вынуждена поддерживать такие темпы развития, которые позволили бы ей не отставать от экспоненциально растущего рынка. Поэтому даже хотя компания растет экспоненциально (что хорошо), для ее выживания требуется еще, чтобы скорость ее роста была по меньшей мере равна скорости роста рынка (что плохо). Этот примитивный вариант «выживания наиболее приспособленных» компаний и составляет суть экономики свободного рынка.

Положительным обстоятельством можно считать и то, что нелинейное масштабирование расходов молодых компаний, поддерживаемых за счет инвестиций и возможностей получения крупных по сравнению с их размерами кредитов, обеспечивает их рост. Таким образом, идеализированная кривая роста компании имеет характеристики, сходные с классической сигмоидной кривой роста в биологии: сравнительно быстрый вначале, рост замедляется по мере того, как размеры компании увеличиваются, и масштабирование затрат на ее содержание приближается к линейному. Однако в отличие от биологии, в которой затраты на содержание не переходят в линейную стадию, компании не перестают расти, а продолжают экспоненциальный рост, хотя и с гораздо более скромной скоростью.

Посмотрим, как этот сценарий согласуется с данными. На рис. 68 представлен замечательный график, иллюстрирующий рост объемов продаж всех 28 853 компаний, данные которых имеются в базе Compustat, в зависимости от реального календарного времени с поправкой на инфляцию. Чтобы уместить все данные в один график, объемы продаж нанесены по вертикальной оси в логарифмическом масштабе. Хотя этот график построен в формате «диаграммы спагетти», он дает на удивление полезную информацию. Общая тенденция ясна: как и предполагалось, многие из молодых компаний резко уходят со старта и сначала быстро растут, а затем замедляются, в то время как компании более зрелые, которым удалось выжить, растут с гораздо меньшей скоростью. Кроме того, тенденции роста этих более старых, медленнее растущих компаний приближаются к прямым линиям с малым наклоном. На этом графике, построенном в полулогарифмическом масштабе (объемы продаж отложены по вертикальной оси в логарифмическом масштабе, а время по горизонтальной – в линейном), прямая линия обозначает экспоненциальный рост в зависимости от времени. Таким образом, как и было предсказано, все выжившие компании рано или поздно приходят к стабильному, но медленному экспоненциальному росту.

Рис. 68. «Диаграмма спагетти», иллюстрирующая рост объемов продаж всех 28 853 котирующихся на бирже компаний в реальном времени с поправкой на инфляцию. Следует отметить быстрый рост (кривые в форме хоккейной клюшки) мелких, молодых компаний и сравнительно медленный рост компаний более крупных и более зрелых

Рис. 69. Кривые роста некоторых старейших и крупнейших компаний, демонстрирующие их сравнительно медленный рост. Также представлены данные гораздо более молодой компании Walmart, объемы продаж которой также вышли на сходный с другими уровень после периода быстрого увеличения

«Диаграмма спагетти», иллюстрирующая рост объемов продаж всех 28 853 котирующихся на бирже компаний в реальном времени с поправкой на инфляцию и совокупное расширение рынка. При введении поправки на рост рынка оказывается, что крупнейшие компании перестают расти

Эти результаты внушают большой оптимизм, но есть одна ловушка, которую можно заметить, если сопоставить рост каждой компании с суммарным ростом рынка в целом. Как ясно видно из рис. 70, на котором представлены те же данные за вычетом совокупного роста рынка, все крупные зрелые компании уже перестали расти. Кривые роста, построенные с поправками на инфляцию и на расширение рынка, выглядят в точности как характерные сигмоидные кривые роста организмов, на которых рост прекращается по достижении зрелости, как показано на рис. 15–18 в главе 4. Такое сходство с ростом организмов естественным образом заставляет поинтересоваться, относится ли оно и к смертности и значит ли это, что компании, как и люди, обречены на смерть.

3. Удивительная простота смертности компаний

После быстрого роста в молодости почти все компании с объемом продаж более 10 миллионов долларов в конце концов приходят к состоянию этакого пассивного плавания по мелким волнам фондового рынка. Многие из них существуют, так сказать, едва высунув нос на поверхность. Это дело опасное, поскольку приход большой волны может их утопить. Даже при экспоненциальном росте прибылей, не говоря уже о случаях убыточной работы, те компании, которые не поспевают за ростом рынка, становятся уязвимыми. Эта опасность сильно увеличивается, если компания оказывается недостаточно прочной, чтобы выдерживать постоянные подъемы и спады, свойственные как рынку, так и ее собственному финансовому состоянию. Крупное колебание рынка или какое-нибудь неожиданное внешнее возмущение или резкое изменение, возникшее в неподходящий момент, может быть гибельным для компании, продажи и расходы которой находятся в состоянии хрупкого равновесия. Это может вызвать сокращение размеров и упадок, от которых компания еще может оправиться, но в более серьезных случаях последствия могут быть катастрофическими и привести к гибели компании.

Такая последовательность событий, вероятно, звучит знакомо, потому что она не так уж сильно отличается от процесса, который приводит к нашей собственной смерти. У нас тоже существует хрупкое равновесие между уровнем метаболизма и затратами на содержание: биологи называют это состояние гомеостазом. Постоянное накапливание неустраненных повреждений, которое порождается износом, неотъемлемым от процесса жизни, уменьшает нашу прочность и делает нас по мере нашего старения все более уязвимыми перед лицом колебаний и возмущений. Заболевание гриппом или пневмонией, инфаркт или инсульт, которые вполне можно пережить в молодости или среднем возрасте, часто оказываются смертельными для людей «старшего возраста». В конце концов мы достигаем той стадии, на которой даже малое возмущение, такое как простуда или сбой сердечного ритма, может привести нас к смерти.

Хотя этот образ дает полезную метафору смертности компаний, он отражает лишь часть общей картины. Чтобы копнуть немного глубже, нужно определить, что именно мы называем смертью компании, потому что многие из них исчезают в результате слияний или поглощений, а не путем ликвидации или банкротства. В качестве показателя жизнеспособности компании удобно использовать объем ее продаж, исходя из идеи о том, что наличие метаболизма есть верный признак того, что данный организм жив. Тогда можно считать рождением компании тот момент, в который она составляет свой первый отчет по продажам, а ее смертью – момент, в который она перестает это делать. В рамках такого определения компании могут умирать разными способами, в результате разделения, слияния или ликвидации при изменении экономических и технологических условий. Хотя ликвидация часто бывает причиной смерти компаний, гораздо более распространенным механизмом их исчезновения являются слияния и поглощения.

Из 28 853 компаний, котировавшихся на американских рынках с 1950 г., к 2009 г. скончались 22 469 (78 %). 45 % из них были поглощены другими компаниями или слились с ними, и только около 9 % обанкротились или были ликвидированы; 3 % были приватизированы, 0,5 % были выкуплены в кредит, 0,5 % прошли процедуру обратного поглощения, а остальные исчезли «по иным причинам».

На рис. 71–74 приведены кривые выживаемости и смертности для компаний, родившихся и умерших в период, который покрывает использованный набор данных (с 1950 по 2009 г.), в зависимости от длительности их существования[160]. Отдельно показаны кривые для банкротств и ликвидаций и для слияний и поглощений, а также для компаний с разными объемами продаж. Легко видеть, что общая структура этих кривых остается практически неизменной независимо от способа разбиения данных, даже если разбить компании по отдельным отраслям. Во всех случаях число выживших резко падает немедленно после первичного размещения акций на бирже, а через тридцать лет в живых остается менее 5 % компаний. Кривые смертности также показывают, что за пятьдесят лет число умерших компаний достигает почти 100 %, причем почти половина исчезает уже за первое десятилетие. Трудно быть компанией! Как показано на рис. 75, кривые выживаемости хорошо аппроксимируются простой экспонентой. Этот график показывает логарифм зависимости числа выживших компаний от их возраста; при таком отображении график экспоненты представляет собой прямую линию.

Можно было бы подумать, что эти результаты должны сильно зависеть от того, исчезла ли компания в результате слияния/поглощения или банкротства/ликвидации. Однако, как видно из графиков, в обоих случаях получаются весьма схожие экспоненциальные кривые выживаемости и очень небольшие различия в кривых смертности. Также можно было бы предположить, что результаты будут зависеть от того, в какой отрасли работает компания. Например, казалось бы, динамика рынка и состояние конкурентной борьбы в отраслях энергетики, информационных технологий, транспорта и финансов различаются очень сильно. Однако, как это ни удивительно, во всех отраслях мы получаем сходные характеристические экспоненциальные кривые выживаемости и сходные временные масштабы: в какой бы сфере и в каком бы штате ни работали компании, лишь половина из них просуществует более десяти лет.

Это согласуется с результатами анализа, показывающими, что при разбивке компаний на отдельные категории сфер деятельности все они масштабируются приблизительно одинаковым образом. В каждой отрасли получаются законы с показателями, близкими к найденным для всех компаний вместе – то есть тех, которые представлены на рис. 75. Другими словами, общая динамика и общая история существования компаний, по сути дела, не зависят от того, в какой отрасли они работают. Это явный признак того, что здесь действительно работает некая универсальная динамика, определяющая в грубых чертах поведение компаний и не зависящая ни от сферы их деятельности, ни от того, заканчивают ли они свое существование банкротством, слиянием с другой компанией или поглощением. Одним словом, этот результат является весомым аргументом в пользу идеи численной теории компаний.

Рис. 71–74. Кривые выживаемости и смертности американских компаний, котировавшихся на бирже между 1950 и 2009 гг., разбитые на группы по признаку механизма исчезновения (банкротства и ликвидации или слияния и поглощения), а затем на классы разных размеров по объемам продаж. Следует отметить, насколько малы различия между ними

Рис. 75. Зависимость логарифма числа выживших компаний от их возраста, демонстрирующая классическую картину экспоненциального распада, что свидетельствует о постоянном уровне смертности, как показывает прямая линия

Эти результаты поистине поразительны. В конце концов, думая о рождении, смерти и вообще истории существования компаний, которые борются за получение и сохранение своего места на рынке, сталкиваясь с колебаниями, неопределенностями и непредсказуемыми событиями экономической жизни, с мириадами конкретных решений и случайностей, которые приводят к успехам и неудачам, предшествующим их смерти, трудно поверить, что, вместе взятые, они следуют столь простым общим правилам. Это откровение не менее удивительно, чем тот факт, что организмы, экосистемы и города подчиняются общим ограничениям, не зависящим от кажущейся уникальности и индивидуальности истории их существования.

Экспоненциальные кривые выживаемости, похожие на те, что существуют для компаний, возникают и во многих других коллективных системах, например в колониях бактерий, у животных и растений и даже в распаде радиоактивных материалов. Также считается, что такими же кривыми описывалась смертность доисторических людей, пока они не перешли к оседлости и общественному образу жизни и не начали пользоваться преимуществами общинных структур и социальной организации. Кривая выживаемости современного человека отошла от классической экспоненциальной формы: как показано на рис. 25 в главе 4, на ней появилось длинное плато, охватывающее около пятидесяти лет. Таким образом, хотя максимальная продолжительность нашей жизни осталась почти такой же, как была всегда, в среднем мы живем гораздо дольше, чем наши предки, охотники-собиратели.

Чем же таким особенным отличаются экспоненты, что они описывают распад такого множества никак не связанных друг с другом систем? Дело в том, что экспоненты возникают везде, где уровень смертности в каждый момент прямо пропорционален числу оставшихся в живых. Другими словами, процентная доля умерших за равные промежутки времени не изменяется со временем. Поясним этот принцип на простом примере: если взять временной промежуток, равный одному году, то доля пятилетних компаний, исчезающих до окончания шестого года своего существования, будет равна доле пятидесятилетних компаний, не доживающих до пятьдесят первой годовщины своего основания. То есть вероятность смерти компании не зависит ни от ее возраста, ни от ее размера.

В этом исследовании имеется постоянная потенциальная проблема, связанная с тем, что данные охватывают лишь шестьдесят лет, так что более старые компании автоматически исключаются из рассмотрения. На самом деле положение еще хуже, так как в анализ включаются только те компании, которые и родились, и умерли в промежутке между 1950 и 2009 гг., что исключает и те фирмы, которые появились до 1950 г., и те, которые еще продолжали работать в 2009-м. Это, очевидно, может порождать систематические искажения в оценке ожидаемой продолжительности жизни. Поэтому более полный анализ должен включать в себя так называемые цензурированные компании, продолжительность жизни которых по меньшей мере равна и, вероятно, превышает тот период, в течение которого они входят в набор данных. Как оказалось, в эту категорию входит значительное число компаний: для шестидесяти лет, которые охватывают наши данные, имеется 6873 фирмы, еще существовавшие на конец этого периода, в 2009 г. К счастью, для решения именно этой задачи уже разработана хорошо развитая методика, известная под названием анализ выживаемости.

Анализ выживаемости был разработан в медицине для оценки вероятности выживания пациентов, проходящих лечение в условиях клинических испытаний. Такие испытания по необходимости проводятся в течение ограниченного времени, что порождает те же проблемы, что и в нашем исследовании: многие из испытуемых пациентов умирают после окончания периода испытаний. Общепринятая методика, которую называют оценкой Каплана – Мейера, использует полный набор данных и оптимизирует вероятности, исходя из предположения о статистической независимости каждой смерти от всех остальных смертей[161].

Используя эту методику, мы провели подробный анализ всего набора компаний, охваченных данными Compustat, в том числе и ранее цензурированных, и получили в результате лишь небольшие изменения по сравнению с предыдущими, цензурированными оценками. «Период полураспада» компаний, котирующихся на американских биржах (то есть время, за которое прекращает существование половина компаний, начавших свою деятельность в любой конкретный год), оказался близким к 10,5 года.

Бо́льшую часть этой тяжелой работы выполнила проходившая у нас практику старшекурсница Мадлен Депп, участвовавшая в наших исследованиях в рамках замечательной программы под названием «Опыт исследовательской работы для старшекурсников» (Research Experience for Undergraduates, REU), в основном финансируемой средствами NSF. Эта программа дает студентам старших курсов возможность провести летние каникулы в исследовательских учреждениях, работающих в самых разных научных областях, и принять участие в настоящих научных исследованиях. У нас в SFI обычно бывает человек по десять таких молодых талантов, и все они работают в тесном контакте с нашими исследователями на равных правах с сотрудниками института. Когда Мадлен пришла к нам, она училась на предпоследнем курсе математического факультета Университета имени Вашингтона в Сент-Луисе. У нас она работала под непосредственным руководством Маркуса Гамильтона. Поскольку такой масштабный проект было трудно закончить всего за десять недель, в течение следующих трех лет Мадлен несколько раз возвращалась в институт, пока наконец ее работа не была завершена и успешно опубликована. Совсем недавно я с радостью узнал, что она поступила в аспирантуру MIT по городскому планированию, одну из лучших в мире. Я думаю, что мы еще услышим о новых замечательных достижениях Мадлен.

Методику анализа выживаемости, которую мы использовали для решения проблемы «неполных наблюдений», изобрели в 1958 г. два статистика, Эдвард Каплан и Пол Мейер. С тех пор она получила распространение в других областях, за пределами медицины, и используется, например, для оценки времени, в течение которого люди остаются безработными после потери работы, или длительности работы деталей машин без поломок. Каплан и Мейер прислали свои схожие, но независимые статьи в престижный журнал Американской статистической ассоциации, и мудрый редактор убедил их объединить эти работы в совместную статью. С тех пор на нее ссылались в других научных работах более 34 тысяч раз, что невообразимо много для научной статьи. Например, самая знаменитая работа Стивена Хокинга, «Образование частиц черными дырами»[162], цитировалась менее 5 тысяч раз. В разных научных дисциплинах дело обстоит по-разному, но по большей части можно считать, что вам повезло, если на вашу статью ссылаются даже раз двадцать пять. У многих из моих собственных работ, которые сам я считал совсем неплохими, не набралось и по десятку цитирований, что действует весьма обескураживающе, хотя я и был соавтором двух из самых цитируемых статей по экологии, на каждую из которых ссылались более 3 тысяч раз.

4. Requiescant in pace[163]

Несмотря на существенные различия, трудно не заметить того поразительного сходства между процессами роста и смерти компаний и организмов, которое проявляется при рассмотрении их масштабирования, – и того, насколько и те и другие отличаются от городов. Компании оказываются на удивление биологическими образованиями, и с эволюционной точки зрения их смертность является важным ингредиентом инновационной жизнеспособности, порождаемой «созидательным разрушением» и «выживанием наиболее приспособленных». Если смерть организмов необходима для того, чтобы освободить место новым организмам с новыми чертами, то и компании точно так же неизбежно должны исчезать или изменяться, чтобы обеспечить возможность возникновения новых, инновационных образований: бурная новаторская деятельность Google или Tesla лучше, чем застойное существование «престарелых» компаний вроде IBM или General Motors. Такова основополагающая культура свободного рынка.

Великий круговорот компаний и в особенности непрерывное перемешивание слияний и поглощений являются неотъемлемыми частями рыночного процесса. И это, разумеется, означает, что и такие компании, как Google и Tesla, кажущиеся сейчас непобедимыми, рано или поздно отойдут в тень и исчезнут. С этой точки зрения не следует оплакивать исчезновение какой-либо компании – оно является важной составляющей экономической жизни. Переживать и заботиться нужно лишь о судьбе тех людей, которых затрагивает исчезновение компаний, будь то их простые работники, управляющий персонал или даже владельцы. Хорошо бы было укротить потенциальную жестокость и алчность преуспевания наиболее приспособленных и смягчить хотя бы некоторые из его наиболее вопиющих последствий, сформулировав магический алгоритм уравновешивания классического конфликта между регулирующим законодательством, государственным вмешательством и бесконтрольным диким капитализмом. Пример этой мучительной борьбы мы наблюдали в виде противоречий между предсмертной агонией корпораций, которым, вероятно, и следовало умереть, и стремлением сохранить рабочие места и защитить существование работников, когда во время финансового кризиса 2008 г. некоторые некомпетентные, а то и нечистые на руку корпорации были объявлены «системообразующими» в связи с их гигантскими размерами.

Возможно, это утверждение банально, но от этого оно не перестает быть истинным. Компания Standard & Poor’s и деловой журнал Fortune постоянно составляют списки пятисот наиболее успешных компаний, и упоминание в обоих этих списках является для компании своего рода вопросом престижа. Ричард Фостер, бывший в течение двадцати двух лет директором и одним из основных совладельцев известного консалтингового агентства McKinsey & Company, проанализировал длительность нахождения компаний в этих списках и выяснил, что за последние шестьдесят лет она регулярно снижалась. Например, он обнаружил, что в 1958 г. компания могла рассчитывать остаться в списке S&P 500 в течение приблизительно шестидесяти одного года, а сейчас этот срок составляет около восемнадцати лет. Из компаний, бывших в списке Fortune 500 в 1955 г., к 2014 г. в нем осталась всего шестьдесят одна. То есть уровень выживаемости составил всего 12 %, а остальные 88 % компаний обанкротились, слились с другими фирмами или были исключены из списка в связи с недостаточно высокими показателями. Вероятно, еще большее впечатление производит тот факт, что большинство из компаний, входящих в список 1955 г., сегодня никому не известны и совершенно забыты; многие ли из нас помнят Armstrong Rubber или Pacific Vegetable Oil?

В 2000 г. Фостер написал чрезвычайно влиятельную и популярную книгу по бизнесу, которая так и называлась – «Созидательное разрушение»[164]. Идеи сложности, над которыми работали в Институте Санта-Фе, произвели на него столь сильное впечатление, что он стал членом попечительского совета института и убедил компанию McKinsey учредить в нем кафедру финансов, которую возглавил Дойн Фармер. Я познакомился с ним, когда начал работать в SFI в конце 1990-х. Он был убежден, что концепции масштабирования и сетевых структур, которые мы изучали в биологии, могут дать важную информацию о том, как функционируют компании. Он подчеркивал, что численных, механистических теорий компаний не существует, а поскольку компании очень часто уподобляют организмам, такой подход мог бы открыть новые возможности создания такой теории. Фармер щедро предложил предоставить мне доступ к обширной базе данных по компаниям, имеющейся у McKinsey, а также обеспечить финансирование должности постдокторанта, который участвовал бы в этой работе. В то время я еще постоянно работал руководителем программы по физике высоких энергий в Лос-Аламосе и знал о компаниях еще меньше, чем сейчас. Кроме того, наши биологические исследования находились тогда на очень ранней стадии, и я не был уверен, что их легко будет распространить на изучение компаний. Поэтому, хотя его предложение было для меня весьма лестным, я им не воспользовался. Задним числом кажется, что это решение, вероятно, было правильным, но то, что Дик Фостер уже тогда предвидел, что анализ масштабирования может стать ценной основой для понимания компаний, многое говорит об этом человеке. Прежде чем мы смогли взяться за решение задачи, которую поставил Дик, потребовалось более десятилетия напряженной работы над организмами, экосистемами и городами.

К сожалению, соотнесение наблюдений по длительности пребывания компаний в списках S&P и Fortune 500 с реальной продолжительностью их жизни – задача не столь простая, и для ее решения необходим подробный анализ, учитывающий их возраст и их смерть или продолжающееся существование. Тем не менее полученные результаты ярко иллюстрируют хрупкость могущественных на вид компаний, а также дают наглядный пример ускорения социально-экономической жизни.

Анализ выживаемости говорит нам, что очень старых компаний должно быть крайне мало. Экстраполяция теории и данных позволяет предсказать, что вероятность выживания компании в течение ста лет составляет всего лишь около сорока пяти к миллиону, а в течение двухсот лет – не более одного к миллиарду. Эти цифры не следует принимать слишком всерьез, но они дают представление о масштабах долговременной выживаемости и позволяют получить интересную информацию о чертах компаний, сохраняющих жизнеспособность в течение сотен лет.

В мире существует по меньшей мере 100 миллионов компаний, так что, если все они подчиняются сходным динамическим законам, следует ожидать, что лишь около 4500 из них могут просуществовать в течение ста лет, но ни одна не доживет до двухсот. Однако хорошо известно, что существует множество компаний, особенно в Японии и в Европе, ведущих свою деятельность уже несколько веков. К сожалению, ни всеобъемлющих наборов данных, ни систематического статистического анализа по этим замечательным исключениям из правил у нас нет, хотя имеется множество разрозненных рассказов о них.

По большей части речь идет о предприятиях сравнительно скромных размеров, работающих на узкоспециализированных, «нишевых» рынках, например старинных гостиницах, винодельнях, пивоварнях, кондитерских, ресторанах и тому подобных заведениях. Они сильно отличаются от тех компаний, которые мы изучали в наборе данных Compustat или в списках S&P и Fortune 500. В отличие от большинства таких компаний исключительные долгожители выживают не за счет диверсификации или инноваций, но благодаря тому, что они продолжают выпускать продукцию, считающуюся высококачественной, для узкого круга верных им клиентов. Многие из них сохраняют жизнеспособность благодаря своей репутации и сохранению традиций и практически не увеличиваются в размерах. Интересно отметить, что большинство таких компаний находится в Японии. По данным Банка Кореи, в числе 5586 компаний, насчитывавших более двухсот лет существования к 2008 г., было больше половины (точнее, 3146) японских, 837 немецких, 222 голландские и 196 французских. Кроме того, в 90 % компаний, возраст которых превышал сто лет, работало менее трехсот человек.

Можно вспомнить некоторые замечательные примеры таких долгожителей. Скажем, старейшая обувная фирма в Германии – это компания Eduard Meier, основанная в Мюнхене в 1596 г. и ставшая поставщиком обуви для баварской аристократии. У нее до сих пор есть всего один магазин, в котором продается (но уже не производится) престижная высококачественная обувь. По данным Книги рекордов Гиннесса, старейшая в мире гостиница – это основанный в 705 г. отель «Нишияма Онсен Кейункан» в японском городе Хаякава. Он принадлежит одной и той же семье на протяжении жизни пятидесяти двух поколений и даже в своем современном виде имеет всего тридцать семь номеров. Главной достопримечательностью этой гостиницы, по-видимому, являются ее горячие источники. Старейшей в мире компанией, насколько известно, была японская фирма «Конго Гуми», основанная в Осаке в 578 г. Многие поколения она тоже была семейным предприятием, но в 2006 г., после почти полутора тысяч лет непрерывной работы, была ликвидирована и куплена корпорацией Такамацу. И какой же нишевый рынок монополизировала компания «Конго Гуми» в течение 1429 лет? Строительство великолепных буддистских храмов. К сожалению, изменения, произошедшие в японской культуре после Второй мировой войны, привели к почти полному исчезновению спроса на храмы, а компания «Конго Гуми» не сумела достаточно быстро приспособиться к переменам.

5. Почему компании умирают, а города – нет

Могущество масштабирования состоит в том, что оно потенциально способно выявлять основополагающие принципы, которые определяют доминирующее поведение систем высокой сложности. В применении к организмам и городам это позволило успешно разработать основанную на сетевых принципах количественную теорию основных черт их динамики и структуры, которая позволяет понять многие из наиболее ярких их свойств. В обоих случаях мы знаем довольно много о сетевой структуре этих систем, будь то системы кровообращения, дорожные сети или сети социальные. В то же время, несмотря на существование весьма обширной литературы на эту тему, о сетевых структурах компаний нам известно гораздо меньше – кроме того факта, что они по большей части иерархические. Стандартная организационная схема компании обычно строится сверху вниз и имеет древообразную структуру, внешне напоминающую классический самоподобный фрактал. Это могло бы объяснить, почему масштабирование компаний подчиняется степенным законам.

К сожалению, мы не располагаем обширными данными по таким организационным сетям, особенно по сравнению с тем, что мы знаем о городах и организмах. Например, мы чаще всего не знаем, сколько человек работает на каждом уровне иерархии, какая часть материальных и финансовых ресурсов компании перемещается между ними и каким количеством информации они обмениваются между собой. Даже если бы какая-то часть такой информации была доступна, нам были бы нужны аналогичные данные по всему спектру компаний разных размеров. Кроме того, не вполне ясно, насколько «официальные» организационные схемы компаний отражают строение реально действующих рабочих структур. Кто с кем общается на самом деле, как часто они обмениваются информацией и в каких количествах и так далее? На самом деле здесь требуется доступ ко всем каналам связи компании – телефонным переговорам, электронной почте, совещаниям и так далее – и выражение всей их информации в численном виде, как было сделано с данными сотовой телефонии, которые мы использовали при разработке теории городов. Вряд ли такие всеобъемлющие данные существуют, и еще менее вероятно, чтобы мы когда-либо получили доступ к ним. Компании очень неохотно раскрывают свою информацию сторонним исследователям, если только речь не идет о консалтинге, проводимом по умопомрачительным ценам, что, как считается, помогает компаниям сохранять контроль. Но если мы хотим понять, как на самом деле работает компания, или разработать серьезную научную теорию компаний, без таких данных не обойтись.

Поэтому у нас нет развитой механистической системы, аналогичной сетевой теории организмов или, в меньшей степени, городов, для аналитического понимания динамики и структуры компаний и, в частности, для вычисления степенных показателей их масштабирования. Тем не менее так же как мы смогли разработать теорию траекторий их роста, мы можем рассмотреть вопрос их смертности, экстраполируя то, что мы уже знаем.

Выше я подчеркивал, что многие компании работают вблизи критической точки хрупкого равновесия между объемом продаж и расходами, что делает их потенциально уязвимыми для колебаний и возмущений. Крупное потрясение, произошедшее в неподходящий момент, может привести к их гибели. Более молодые компании, защищенные от таких случайностей начальными капиталовложениями, становятся особенно уязвимыми после израсходования этого исходного вливания, если им не удается получать значительную прибыль. Это называют иногда «опасностью подросткового возраста».

То, что компании масштабируются сублинейно, а не суперлинейно, как города, свидетельствует о существующем в них превалировании экономии на масштабе над инновациями и созданием новых идей. Как правило, компании работают как сильно ограниченные иерархические организации, стремящиеся к увеличению эффективности производства и минимизации производственных расходов для максимизации прибыли. Напротив, города олицетворяют торжество инновации над гегемонией экономии на масштабе. Разумеется, города не стремятся к увеличению прибыли и располагают удобной возможностью сведения своего баланса путем повышения налогов. Они работают гораздо более распределенным образом, и власть разделяется в них по множественным организационным структурам, от мэрий и муниципальных советов до коммерческих предприятий и инициативных общественных групп. Ни одна из групп не имеет абсолютной власти. Поэтому по сравнению с компаниями города источают атмосферу почти полной свободы и невмешательства и пользуются инновационными преимуществами социальных взаимодействий во всех сферах, хороших, плохих и злых. Несмотря на всю свою кажущуюся неповоротливость и неэффективность, города являются местами энергичной деятельности и проводниками перемен, а компании, за исключением молодых, по большей части производят впечатление застоя.

Для достижения большей эффективности в увеличении своей доли рынка и повышении прибыли компании, как правило, вводят все больше и больше правил, инструкций, протоколов и процедур на все более тонких уровнях организации, что приводит к росту бюрократического аппарата, обычно необходимого для управления, организации и контроля их выполнения. Часто это делается за счет инноваций и новых исследований и разработок (R&D), которые должны быть важной составляющей обеспечения долговременного выживания компании в будущем. Получить осмысленные данные по «инновациям» в компаниях трудно, поскольку эту область деятельности не так-то просто выразить в численном виде. Инновации вовсе не обязательно означают то же, что R&D, особенно в связи с тем, что отнесение всевозможной сторонней деятельности к категории затрат на R&D приносит значительные налоговые выгоды. Тем не менее проанализировав данные Compustat, мы обнаружили, что относительный объем средств, выделяемых на R&D, систематически уменьшается по мере роста компаний. Это означает, что при расширении компании поддержка инноваций отстает от роста бюрократических и административных расходов.

Все большее накапливание правил и ограничений часто сопровождается возникновением застоя в отношениях с потребителями и поставщиками, что делает компании менее расторопными и более жесткими, то есть менее способными к реакции на значительные перемены. Изучая города, мы обнаружили, что одно из наиболее важных их свойств состоит в том, что по мере своего роста они становятся все более многообразными. Спектр коммерческой и экономической деятельности непрерывно расширяется по мере развития новых отраслей и возникновения новых возможностей. В этом смысле города по сути своей многомерны, и это их качество тесно связано с их суперлинейным масштабированием, неограниченным ростом и расширяющимися социальными сетями – и является жизненно важной составляющей их прочности, устойчивости и кажущегося бессмертия.

Если размерность городов непрерывно увеличивается, то размерность компаний, как правило, уменьшается от рождения к юности и в конце концов переходит в состояние застоя или даже еще более сокращается в зрелом возрасте и старости. В молодых компаниях, еще борющихся за свое место на рынке, присутствуют юношеская энергичность и энтузиазм, разрабатывается новая продукция и вскипают новые идеи, некоторые из которых могут быть безумными и нереальными, а некоторые – грандиозными и провидческими. Но под воздействием рыночных сил лишь немногие из них достигают успеха, и компания находит свою опору и свой образ. По мере ее роста механизм обратной связи, присущий рынку, приводит к сужению области ее деятельности и, следовательно, ко все большей специализации. Труднейшая задача, которая стоит перед компаниями, заключается в нахождении равновесия между положительной отдачей от рыночных сил, которая побуждает оставаться с «надежной и испытанной» продукцией, и долговременной стратегической потребностью в исследовании новых областей и разработке новых продуктов, которые могут быть рискованными и не дают немедленных результатов.

Компаниям по большей части свойственны близорукость, консервативность и нежелание поддерживать новаторские или рискованные идеи, стремление и дальше использовать, пока можно, крупные достижения своего прошлого, так как они «гарантируют» быстрый возврат средств. Поэтому компании склонны становиться все более и более одномерными. Сокращение многообразия в сочетании с описанным выше опасным положением компании, остановившейся возле критической точки, – это классический признак уменьшения прочности и предвестник будущей катастрофы. К тому времени, когда компания осознает свое положение, часто бывает слишком поздно. Перестройка конфигурации и идеологии становится делом все более трудным и дорогостоящим. Поэтому, когда возникает достаточно большое неожиданное колебание, возмущение или потрясение, компания оказывается в серьезной опасности и может быть поглощена, выкуплена или просто разорена. Одним словом, такое состояние – это именно то, что мафиози называют il bacio della morte, «поцелуем смерти»[165].

Глава 10. Перспективы теории Великого объединения устойчивости

В этой, последней главе я хочу собрать воедино некоторые из нитей, которые развивались на протяжении всей этой книги, и сплести из них ткань, которая, как я надеюсь, сможет побудить вас к более глубоким размышлениям и предположениям о будущем той замечательной, экспоненциально расширяющейся социально-экономической вселенной, которую мы создали.

Одна из наиболее важных проблем, с которыми нам придется иметь дело в XXI в., сводится к вопросу о том, смогут ли созданные человеком социальные системы, от экономических систем до городов, появившиеся всего лишь около пяти тысяч лет назад, и дальше сосуществовать с «природным» биологическим миром, из которого они возникли и который развивается уже в течение миллиардов лет. Обеспечение жизни более чем 10 миллиардов человек, существующих в гармонии с биосферой, при сохранении уровня и качества жизни, сравнимых с теми, что мы имеем сейчас, требует глубокого понимания принципов и фундаментальной системной динамики такого социально-экологического взаимодействия. Выше я пытался доказать, что жизненно важной составляющей решения этой задачи является более глубокое понимание природы городов и урбанизации. Если мы по-прежнему будем использовать ограниченные, односистемные методы решения многочисленных проблем, с которыми мы сталкиваемся, без разработки объединяющей их основы, мы рискуем выбросить на ветер огромные финансовые и социальные ресурсы и потерпеть полную неудачу в решении действительно важного вопроса, что приведет к самым катастрофическим последствиям.

Существующие стратегии в большой мере потерпели неудачу при попытках разобраться с одной из основных черт задачи долговременной устойчивости, неразрывно связанной с парадигмой сложных адаптивных систем, а именно всепроникающими взаимосвязанностью и взаимозависимостью между энергетическими и материальными ресурсами и природными, экологическими, экономическими, социальными и политическими системами. Один из наиболее важных результатов, полученных из работы, о которой я говорил в главах 7 и 8, состоит в том, что между всеми аспектами социально-экономической деятельности, от инноваций и создания ценности до преступности и распространения заболеваний, – всем хорошим, плохим и злым – существуют численные связи, которые проявляются в универсальности законов масштабирования. Почти все существующие подходы к решению задач глобальной устойчивости сосредоточены на сравнительно узких проблемах, например экологических последствиях использования источников энергии будущего, экономическом эффекте изменений климата или социальных последствиях будущих энергетических и экологических решений. Хотя такие узконаправленные исследования, несомненно, весьма важны и именно на них должна быть направлена бо́льшая часть нашей научной работы, их недостаточно. Они обращают основное внимание на деревья и могут не заметить леса.

Пора признать, что в определении научной программы, направленной на решение этой проблемы, как и в определении программы политической, должна играть центральную роль широкая междисциплинарная, межорганизационная международная инициатива, руководствующаяся более широким, более интегрированным, объединенным видением задачи. Нам нужна широкая и более интегрированная научная система, заключающая в себе численную, механистическую, обладающую предсказательной силой теорию, позволяющую понять, как созданные человеком системы, как социальные, так и физические, соотносятся с «природной» окружающей средой, – система, которую я называю теорией Великого объединения устойчивости. Пора создать крупномасштабную международную инициативу, аналогичную «Манхэттенскому проекту» или космической программе «Аполлон», направленную на интегрированное, системное решение задач глобальной устойчивости[166].

Ускоряющиеся беговые дорожки, циклы инноваций и сингулярности конечного времени

Сетевые принципы, лежащие в основе экономии на масштабе и сублинейного масштабирования в биологии, имеют два важных последствия. Они сдерживают темп жизни – крупные животные живут дольше, развиваются медленнее и имеют более низкую частоту сердцебиения, и все это в одной и той же степени, – и ограничивают рост. Напротив, города и экономические системы существуют за счет социальных взаимодействий, механизмы обратных связей которых порождают прямо противоположную картину. Темп жизни систематически увеличивается с ростом численности населения: быстрее распространяются болезни, чаще рождаются и умирают предприятия, и даже люди в крупных городах ходят быстрее, и все эти увеличения приблизительно соответствуют одному и тому же правилу 15 %. Более того, динамика социальных сетей, лежащая в основе суперлинейного масштабирования, порождает неограниченный рост, который является основополагающей чертой современных городов и экономических систем. Здесь господствует не равновесие, но непрерывная адаптация.

У нас получилась замечательно последовательная картина: одна и та же концептуальная система, основанная на фундаментальных сетевых динамике и геометрии с одной и той же математической структурой, приводит в двух разных случаях к двум совершенно разным результатам, и оба этих результата надежно подтверждаются множеством разнообразных данных и наблюдений. Однако здесь есть одно важное обстоятельство, которое может иметь огромные последствия. Хотя рост организмов, городов и экономических систем подчиняется практически одинаковым математическим уравнениям, между получающимися из них решениями существует тонкое, но принципиально важное различие, вызванное тем, что в одном случае действует масштабирование сублинейное (экономия на масштабе у организмов), а в другом – суперлинейное (усиление на масштабе у городов и экономики). В суперлинейном случае общее решение обладает неожиданно нетривиальным свойством, известным под названием сингулярности конечного времени, которая является признаком неизбежных перемен и возможных крупных неприятностей в будущем.

Сингулярность конечного времени означает попросту, что математическое решение уравнения роста, которое управляет рассматриваемой величиной – численностью населения, ВВП, числом патентов и так далее, – в некоторый конечный момент времени становится бесконечно большим, как показано на рис. 76. Это, очевидно, невозможно, и поэтому необходимы какие-то перемены.

Прежде чем мы рассмотрим некоторые последствия этого явления, позвольте мне остановиться на некоторых из его наиболее характерных особенностей. Простые степенные законы порождают экспоненциальный рост и монотонно возрастающие функции, которые тоже в конце концов становятся бесконечно большими, но лишь по прошествии бесконечного времени. Другими словами, моменты «сингулярности» отодвигаются в бесконечно далекое будущее, что делает их «безвредными» по сравнению с сингулярностью конечного времени. В случае роста, вызываемого суперлинейным масштабированием, приближение к сингулярности конечного времени, обозначенной на рис. 76 сплошной линией, опережает экспоненциальный рост. Такой рост часто называют суперэкспоненциальным, и мы уже использовали этот термин, когда говорили о росте городов.

Рис. 76. График, иллюстрирующий сингулярность конечного времени: представленная величина растет суперэкспоненциальным образом и становится бесконечно большой за конечное время tc, обозначенное вертикальной штриховой линией

Рис. 77. Иллюстрация застоя и краха, наступающих после сингулярности

Такое поведение явно не может быть устойчивым, так как его поддержание требует неограниченного, постоянно увеличивающегося и в конечном счете бесконечного поступления энергетических и материальных ресурсов за конечное время. Теория предсказывает, что, если его никак не ограничивать, оно должно вызвать переход к фазе, которая приводит к застою и последующему обрушению, как показано на рис. 77. Этот сценарий похож на возрождение мальтузианского тезиса, который отбрасывали целые поколения экономистов: мы не сможем обеспечить удовлетворение потребностей, и неограниченный рост в конце концов приведет к катастрофе.

И это подводит нас к самой сути дела. Наличие сингулярности конечного времени, порожденной суперлинейным масштабированием, радикально отличает этот сценарий от сценария Мальтуса. Если бы рост был чисто экспоненциальным, как предполагали мальтузианцы, неомальтузианцы, их последователи и их критики, то производство энергетических, материальных и пищевых ресурсов могло бы, по меньшей мере в принципе, поспевать за экспоненциальным расширением, так как все существенные характеристики экономики или города остаются конечными, даже если они продолжают расти и становятся очень большими.

Но при суперэкспоненциальном росте и приближении к сингулярности конечного времени это неосуществимо. В этом сценарии потребности все более и более возрастают и в конце концов становятся бесконечными в течение конечного времени. Обеспечение бесконечного количества энергетических, материальных и пищевых ресурсов в течение конечного времени попросту невозможно. Поэтому, если не происходит никаких перемен, этот процесс неизбежно ведет к застою и краху, как показано на рис. 77. Обширный анализ, который выполнили в 2001 г. Дидье Сорнет и Андерс Йохансен, работавшие тогда в UCLA, показал, что данные по росту населения и росту финансовых и экономических показателей убедительно свидетельствуют о наличии суперэкспоненциального роста и, следовательно, движения в направлении такой сингулярности[167].

Я хочу подчеркнуть, что эта ситуация качественно отличается от классической мальтузианской динамики, в которой такой сингулярности не существует. Наличие сингулярности означает неизбежность перехода системы из одной фазы в другую, обладающую существенно иными характеристиками, подобно тому как конденсация пара в воду и последующее ее замерзание в лед являются проявлениями фазовых переходов одной и той же системы между состояниями, обладающими совершенно разными физическими свойствами. И действительно, эти знакомые нам фазовые переходы порождаются сингулярностями термодинамических переменных, описывающих систему (то есть воду), но изменяющихся в зависимости не от времени, а от температуры (с замерзанием при 0 °C и кипением при 100 °C). К сожалению, в случае городов и социально-экономических систем фазовый переход, вызванный сингулярностью конечного времени, – это переход от суперэкспоненциального роста к застою и краху, что может привести к самым гибельным последствиям.

Как же можно избежать такого краха, сохранив при этом неограниченный рост? Прежде всего следует понимать, что эти предсказания сделаны в предположении о неизменности параметров уравнения роста. Поэтому одна из очевидных стратегий предотвращения потенциальной катастрофы предполагает вмешательство для «сброса» этих параметров до достижения сингулярности. Кроме того, для сохранения неограниченного роста при новых параметрах требуется, чтобы порождающий рост член уравнения – «социальный метаболизм» – оставался суперлинейным, то есть новая динамика должна по-прежнему быть основана на силах положительной обратной связи социальных взаимодействий, порождающих инновации и создание ценностей и знаний. Такое «вмешательство» есть не что иное, как так называемая инновация. Крупная инновация, по сути дела, начинает новый отсчет времени, изменяя условия, в которых действует система и происходит рост. Таким образом, для предотвращения краха необходима новая инновация, начинающая новый отсчет времени и обеспечивающая возможность продолжения роста без достижения приближавшейся сингулярности.

Таким образом, крупные инновации можно считать механизмом, обеспечивающим мягкий переход в новую фазу в обход потенциально катастрофического разрыва, присущего черной дыре сингулярности конечного времени. После совершения перехода и «сброса отсчета времени», позволяющих избежать застоя и краха, процесс начинается заново с продолжением суперэкспоненциального роста, который рано или поздно приводит к новой сингулярности конечного времени, которую также необходимо будет обойти. Вся эта последовательность непрерывно повторяется, отодвигая потенциальный крах настолько, насколько позволяют творческий потенциал, изобретательность и находчивость человека. Эту ситуацию можно описать в виде своего рода теоремы: поддержка неограниченного роста в условиях ограниченности ресурсов требует непрерывного циклического появления инноваций, обеспечивающих смену парадигмы, как показано на рис. 78.

В реальности границы между сменяющими друг друга фазами не столь остры и разрывны, как показано на графике, но размазаны по сравнительно коротким временным интервалам вокруг каждого перехода. В конце концов, промышленная революция началась не в какой-то определенный день или даже определенный год, а возникла в течение периода длительностью несколько лет в районе 1800 г., но длительность этого периода была невелика по сравнению со временем, в течение которого ощущалось ее влияние[168].

Этот результат не должен вызывать особого удивления, поскольку именно так поддерживается неограниченный рост как численности населения, так и социально-экономической деятельности. Среди крупнейших инноваций, обеспечивших продолжение нашего роста и расширения, можно назвать открытия и изобретения железа, пара, угля, вычислительной техники и, последнее из них, цифровых информационных технологий. Один лишь перечень этих достижений свидетельствует о нашей поразительной изобретательности.

Именно этой важной черты недоставало в исходном аргументе Мальтуса, как и в позднейших выкладках большинства современных и даже совсем недавних его сторонников, начиная с Пауля Эрлиха и Римского клуба 1970-х. Их предостережения были отвергнуты большинством экономистов в первую очередь потому, что они не учитывали принципиально важной роли инноваций. Концепция циклов деловой и экономической активности, а также заложенная в ней концепция циклов инноваций существуют давно и уже стали общим местом в экономическом и деловом сообществе, хотя они основываются по большей части на обобщенных эмпирических выводах без какой-либо фундаментальной теории или понимания механизмов этих явлений. Считается очевидным и часто не подвергается никакому сомнению, что до тех пор, пока человечество сохраняет свою изобретательность, мы всегда будем опережать любую надвигающуюся угрозу при помощи все новых и все более блестящих инноваций.

К сожалению, однако, дело обстоит несколько сложнее. Существует еще одна крупная западня, причем очень важная. Теория говорит, что для поддержания непрерывного роста время, проходящее между последовательными инновациями, должно становиться все короче. Поэтому приводящие к смене парадигмы открытия, адаптации и инновации должны происходить со все более высокой скоростью. Неизбежно ускоряется не только темп жизни – мы должны все быстрее и быстрее вводить инновации.

Это видно из рис. 78, на котором черные точки, обозначающие начало каждого следующего цикла инновации, со временем становятся все ближе друг к другу: по мере того как мы поднимаемся все выше по каждой кривой роста, ускоряется не только темп жизни, но и появление крупных инноваций и переходы в новое состояние должны происходить со все более высокой скоростью. Метафора беговой дорожки, которую я использовал в главах 1 и 8, когда говорил о сжатии социально-экономического времени и увеличении темпа жизни, раскрывает лишь часть ситуации, и здесь имеет смысл поговорить о ней более подробно. Мы не только живем на ускоряющейся беговой дорожке, которая все время движется все быстрее и быстрее, но должны в какой-то момент перепрыгнуть на другую дорожку, движущуюся с еще большим ускорением, а затем с той – на следующую, еще более быструю. И этот процесс неизбежно будет повторяться в будущем со все более высокой частотой.

Рис. 78. График последовательных траекторий суперэкспоненциального роста, каждая из которых может привести к сингулярности конечного времени (обозначенной вертикальной штриховой линией) и последующему краху, как на рис. 77, если до наступления сингулярностей не появляются инновации (обозначенные черными точками), обнуляющие отсчет времени и начинающие новый цикл. Для ясности представления штриховые линии, обозначающие позднейшие сингулярности конечного времени, соответствующие черным точкам, не показаны. Слева изображен Сизиф

В этой поразительной картине есть нечто странное и даже безумное. Трудно поверить, чтобы человечество могло продолжать такое существование, не получив коллективного инфаркта! Сизифов труд выглядит по сравнению с ним вполне легкой работой. Вы, наверное, помните, что боги обрекли Сизифа беспрестанно закатывать большой камень на вершину горы, с которой он немедленно скатывается вниз под действием собственного веса, и Сизиф должен заново начинать свой путь с самого низа. Рассказывают о множестве разных поступков, за которые Сизиф был так жестоко наказан, но мне особенно нравятся два из них, родственные тому сизифову труду, который мы создали сами для себя: говорят, что он украл тайны богов и заковал в цепи Смерть. Остается только сказать, что наша задача на самом деле много труднее той, что досталась Сизифу: мы должны не просто снова и снова закатывать камень на вершину горы, но делать это каждый раз все быстрее и быстрее.

Существование таких теоретически предсказанных последовательных и ускоряющихся циклов роста, скорость которого превышает экспоненциальную, подтверждается наблюдениями развития городов, волн технологических изменений и численности мирового населения (я уже упоминал работу Сорнета и Йохансена). Посмотрим, например, на кривую роста города Нью-Йорка с 1790 г. до наших дней, представленную на рис. 58 в главе 8. Последовательные фазы его роста выделены жирными черными линиями. При рассмотрении их отклонений от гладкой фоновой кривой «чистого» суперэкспоненциального роста ясно проявляется последовательность изменений, отражающая циклическую динамику изменений размеров города. Как видно из рис. 79, данные подтверждают предположение о том, что частота смены циклов систематически возрастает со временем. На врезке показано, что промежутки времени между такими последовательными «инновациями» все более сокращаются в численном согласии с предсказаниями теории.

Предсказание об ускорении циклов крупных инноваций так же убедительно подтверждается данными и на более крупном масштабе. Одна из трудностей рассмотрения этого вопроса связана с выбором из огромного числа произошедших инноваций тех, которые могут представлять собой крупные смены парадигмы. В некоторой степени этот выбор остается субъективным, но, вероятно, большинство из нас согласится с тем, что некоторые открытия и изобретения – например, книгопечатание, использование угля, телефон или компьютер – это крупные «смены парадигмы», а вот насчет железной дороги или персонального компьютера можно и поспорить. К сожалению, развитой численной «теории инноваций» не существует, а потому не существует и общепризнанных критериев или данных, непосредственно относящихся к крупным инновациям и сменам парадигмы. Таким образом, чтобы сравнить теорию с данными, нам приходится полагаться на неформальные исследования и, до некоторой степени, на интуицию. Это положение вполне может измениться, так как инновации становятся предметом все более активного изучения, и исследователи пытаются определить, что такое инновации, как их можно измерить, как они происходят и как мы можем их стимулировать[169].

Рис. 79. Отклонения роста Нью-Йорка с 1790 г. от суперэкспоненциального фона, демонстрирующие последовательные циклы, частота которых систематически уменьшается в количественном согласии с теоретическими предсказаниями (кривая на врезке)

Известный изобретатель и футуролог Рэй Курцвейл составил и проанализировал список кандидатур на роль крупных инноваций в формате, весьма подходящем для сравнения с нашими предсказаниями[170]. Его результаты показаны на рис. 80 и 81, на которых построена зависимость времени, проходящего между двумя последовательными инновациями, от удаленности каждой из инноваций в прошлое. На рисунках представлены два варианта одного и того же графика, в полулогарифмическом масштабе (то есть с логарифмическим масштабом по вертикальной оси и линейным по горизонтальной) и в логарифмическом масштабе по обеим осям. Чтобы сориентироваться в этих графиках, отметим, что первая точка в левом верхнем углу обоих рисунков обозначает возникновение жизни, случившееся около 4 × 10^9 (четырех миллиардов) лет назад, – это число отложено по горизонтальной оси; а следующая крупная инновация произошла лишь почти два миллиарда лет спустя – и это число отложено по вертикальной оси. Интересно отметить, что в линейном временном масштабе (на рис. 80) кажется, что все события после появления самых ранних предков человека, что случилось около миллиона лет назад, произошли одновременно. Кривая резко падает, наглядно иллюстрируя ускорение времен. Из этого графика также видно, почему применение логарифмического масштаба (рис. 81) для отображения таких данных гораздо информативнее, так как позволяет разделить события, происходящие по всей этой гигантской временной шкале. Например, при таком отображении изобретение телефона, случившееся всего сотню лет назад, можно отделить во времени от появления сельского хозяйства, произошедшего целых десять тысяч лет назад.

Теория объясняет и предсказывает такое обратное соотношение между последовательным сокращением интервалов между инновациями и временем, отделяющим их от нас, и количественно согласуется с линиями, проведенными на обоих графиках. Поспешу отметить, однако, что предсказания относятся лишь к той части графиков, которая касается инноваций, связанных с социально-экономической динамикой, которая порождает человеческую изобретательность; теория ничего не говорит о скорости возникновения инноваций биологических. Это оставляет без ответа следующий интересный вопрос: играет ли аналогичная динамика сингулярностей сходную роль в отношении биологических инноваций, или же наблюдаемое согласие и продолжение зависимости по простому степенному закону в область самого раннего времени, предшествующего появлению человека, – всего лишь случайность или результат предвзятого выбора смен парадигм Курцвейлом? Во всяком случае, согласие данных с теорией в области ее применимости выглядит убедительно и подтверждается более подробным анализом периода, ограниченного несколькими последними столетиями.

Зависимость временных интервалов между крупными инновациями от их давности, представленная в полулогарифмическом (рис. 80) и логарифмическом (рис. 81) масштабах

Общая концепция сингулярности играет важную роль в математике и теоретической физике. Сингулярностью называют точку, в которой математическая функция неким определенным образом перестает «хорошо себя вести», например становится бесконечной так, как было описано выше. Обсуждение возможностей укрощения таких сингулярностей привело к огромному прогрессу математики XIX в., и это впоследствии оказало большое влияние на теоретическую физику. Наиболее знаменитым следствием изучения сингулярностей стала концепция черных дыр, возникшая из попыток понять структуру сингулярностей общей теории относительности Эйнштейна.

До того как слово «сингулярность» было популяризовано Курцвейлом в опубликованной в 2005 г. книге «Сингулярность уже близка: когда люди выйдут за пределы биологии» (The Singularity Is Near: When Humans Transcend Biology), этот термин почти не употреблялся в обиходной речи. Развивая более раннюю идею «технологической сингулярности», предложенную в 1993 г. писателем-фантастом и специалистом по информатике Вернором Винджем, Курцвейл утверждал, что мы приближаемся к сингулярности, в которой наши тела и мозги будут усовершенствованы при помощи генетических изменений, нанотехнологий и искусственного интеллекта, и мы превратимся в гибридных киборгов, уже не ограниченных рамками биологии. Предполагалось, что это приведет к возникновению коллективного разума, неизмеримо более мощного, чем разум всех ныне существующих людей, вместе взятых. Или, как лаконично сформулировал эту идею Виндж: «В течение тридцати лет мы получим технические средства для создания сверхчеловеческого разума. Вскоре после этого эра человечества закончится»[171]. Так как это было написано в 1993 г., предсказание утверждает, что такое должно произойти к 2023 г., до которого осталось всего семь лет. Я так не думаю.

Возможно, эти увлекательные предположения когда-нибудь и осуществятся, но пока что они принадлежат к области научной фантастики. Хотя такое радужное видение будущего почти диаметрально противоположно мрачным прогнозам неомальтузианцев, забавно отметить, что выводы в обоих случаях основываются на одной и той же предпосылке неустойчивости экспоненциального роста и неизбежности каких-то резких изменений. Если мальтузианцы упускали из виду принципиально важную роль инноваций, то провозвестники сингулярности точно так же не учитывают принципиально важную роль всей социально-экономической динамики нашей планеты, которая на самом деле и является движущей силой приближающейся сингулярности. Поскольку ни те ни другие не опираются на более общую систему, которая включала бы в себя численную механистическую теорию, их предсказания, каковы бы они ни были, трудно оценить с научной точки зрения. Возможно, наибольшая концептуальная ирония, особенно в отношении сингуляристов, заключается в том, что их выводы и предположения основаны на принципе экспоненциального роста, который, собственно говоря, не порождает никакой сингулярности, во всяком случае в течение конечного времени.

Тем не менее экспоненциальный рост вполне может быть неустойчивым, и именно по тем самым конкретным причинам, которые выдвигал изначально Мальтус: мы можем оказаться не в состоянии производить достаточно пищи или энергии или столкнуться с нехваткой каких-нибудь существенных ресурсов – например, фосфора, нефти или титана – и в то же время не суметь разработать соответствующие технологии, которые позволили бы устранить эту проблему. Кроме того, мы можем произвести такое количество энтропии, что вызванные нашей деятельностью загрязнение окружающей среды, экологический ущерб и другие разрушительные побочные эффекты, в особенности те, которые влияют на климат, приведут к невообразимым опустошительным последствиям. Напомню, однако, что если это произойдет в результате экспоненциального роста, то в принципе ничто не помешает нам прийти к тем достижениям, близость которых провозглашают оптимисты, и продолжить свой рост, избавляясь от всех этих многочисленных проблем и угроз при помощи инноваций. Но на практике дело может обстоять совсем по-другому, и я вовсе не уверен, что мы сможем этого добиться.

Однако в реальности ситуация иная, причем иная качественно. Как я подчеркивал выше, под воздействием суперлинейного масштабирования социально-экономической деятельности, порожденного мультипликативным усилением, присущим нашей социальной динамике, мы расширяемся не «просто» экспоненциально, но суперэкспоненциально. Эта неотъемлемо свойственная современному человечеству динамика приводит к увеличению темпа жизни и той скорости, с которой мы должны производить крупные инновации, чтобы преодолеть надвигающуюся угрозу сингулярностей конечного времени. Нас преследует образ ускоряющегося Сизифа.

Между «компьютерным веком» и «информационно-цифровым веком» прошло не более тридцати лет – в то время как века каменный, бронзовый и железный разделяли тысячелетия. Время, которое мы отсчитываем по своим часам или электронным устройствам, очень обманчиво: оно определяется суточным вращением Земли вокруг собственной оси и ее же годовым обращением вокруг Солнца. Астрономическое время линейно и регулярно. Но те часы, по которым мы проживаем свою социально-экономическую жизнь, – это эмерджентное явление, определяемое коллективными силами социальных взаимодействий: они непрерывно и систематически ускоряются по сравнению с объективным астрономическим временем. Мы живем на все той же пресловутой социально-экономической беговой дорожке, движущейся с ускорением. Крупная инновация, на возникновение которой тысячу лет назад или еще раньше могли уйти столетия, сейчас может появиться всего за тридцать лет. Вскоре этот срок сократится до двадцати пяти, затем до двадцати, семнадцати и так далее – и, подобно Сизифу, мы обречены снова и снова повторять все сначала, если мы собираемся продолжать непрерывно расти и расширяться. Получающаяся в результате этого процесса последовательность сингулярностей, каждая из которых грозит нам застоем и крахом, будет продолжать накапливаться, стремясь к тому, что математики называют существенной сингулярностью, своего рода прародительнице всех сингулярностей.

Более семидесяти лет назад великий Джон фон Нейман, ученый-универсал, работавший в таких областях, как математика, физика и информатика, идеи и достижения которого оказали огромное влияние на нашу с вами жизнь, высказал следующее необычайно проницательное замечание: «Постоянно ускоряющийся технический прогресс и изменения в образе жизни человека… создают впечатление, что история нашего рода приближается к некой существенной сингулярности, за которой продолжение дел человеческих в том виде, в каком мы их знаем, будет невозможно»[172]. Среди многочисленных достижений фон Неймана, умершего в 1957 г. сравнительно молодым, в возрасте пятидесяти трех лет, можно назвать его основополагающую роль в начальных этапах развития квантовой механики, создание теории игр, ставшей важным инструментом экономического моделирования, и разработку концепции современных компьютеров, повсеместно известной под названием архитектуры фон Неймана.

Так можно ли представить себе, что мы сумеем производить инновации, сравнимые по мощи и влиянию с изобретением интернета, каждые пятнадцать, десять или даже пять лет? Этот вопрос – пример классического доказательства методом reductio ad absurdum[173], демонстрирующий, что, сколь бы изобретательны мы ни были, сколько бы мы ни создали чудесных устройств и приспособлений, мы попросту не сможем справиться с угрозой надвигающейся сингулярности, если будем продолжать действовать как обычно.

По теоретическим оценкам, нам следует ожидать следующей смены парадигмы в течение следующих 20–30 лет. Этот период чуть короче, чем та оценка, которую дает аппроксимация данных Йохансена и Сорнета: их цифра ближе к тридцати пяти годам. Разумеется, теория не может предсказать, в чем именно будет заключаться это изменение, так что о его природе мы можем лишь догадываться. Может быть, это будет нечто сравнительно приземленное и бытовое, например автомобили без водителя и связанные с ними «умные» устройства, а может быть, нечто грандиозное, сродни фантастическим видениям Курцвейла и сингуляристов. Вероятнее всего, речь будет идти о чем-то совершенно отличном от перечисленного, и, если нам удастся совершить такую смену парадигмы, она будет заключаться в чем-то абсолютно неожиданном. Но возможно, что еще более вероятно, мы не сумеем сменить парадигму, и нам придется распрощаться с самой идеей неограниченного роста и найти какое-то новое определение понятия «прогресса» – или же довольствоваться тем, что у нас уже есть, и направить свою энергию на повышение уровня жизни во всем мире до сравнительно высокого стандарта ее качества. Вот это была бы действительно крупная смена парадигмы!

Непрерывный рост и связанное с ним все большее ускорение темпов жизни имеют важные последствия для всей нашей планеты, в особенности для городов, социально-экономической жизни и процесса глобальной урбанизации. До последнего времени промежутки между крупными инновациями значительно превосходили длительность продуктивной жизни человека. Даже на моем веку бессознательно предполагалось, что человек в течение всей своей жизни продолжает заниматься одним и тем же делом, опираясь на одни и те же знания и опыт. Теперь это не так; человек в среднем живет теперь значительно дольше, чем занимает интервал между крупными инновациями, особенно в развивающихся и развитых странах. Сейчас молодые люди, начинающие свою трудовую деятельность, могут ожидать, что в течение их жизни произойдет несколько крупных перемен, которые с большой вероятностью приведут к резким изменениям их профессиональной карьеры.

Все ускоряющийся темп изменений порождает сильную напряженность во всех аспектах городской жизни. Такое положение явно неустойчиво, и, если в этом отношении ничего не изменится, нас ожидают крупные кризисы и возможный крах всей ткани социально-экономической жизни. Стоящий перед нами вопрос ясен: сможем ли мы вернуться к чему-то близкому к той более «экологической» фазе, которую мы уже прошли, и удовольствоваться неким вариантом сублинейного масштабирования и связанных с ним естественных ограничений или стабильной конфигурации, не предполагающей роста? Возможно ли это в принципе? Можем ли мы получить живое, новаторское, творческое общество, основанное на создании новых идей и ценностей, по примеру лучших наших городов и общественных образований, или же мы обречены жить на планете городских трущоб, под угрозой абсолютного опустошения, как описано в романе «Дорога» Кормака Маккарти?[174] С учетом того, что города играют особую, уникальную роль первичного источника многих из наших нынешних проблем и продолжают служить движущей силой суперэкспоненциального приближения к потенциальной катастрофе, для достижения долгосрочной устойчивости существования на планете нам жизненно необходима численная, обладающая предсказательной силой научная основа для понимания их динамики, роста и развития. Возможно, еще более важно для нашего ближайшего будущего разработать эту теорию в рамках теории Великого объединения устойчивости, которая свела бы воедино многочисленные исследования, модели, базы данных, теории и рассуждения относительно глобального потепления, окружающей среды, финансовых рынков, рисков, экономических систем, здравоохранения, социальных конфликтов и мириад других характеристик человека в его роли общественного существа, взаимодействующего с окружающей средой.

Послесловие

1. Наука для XXI века

С самого начала я подчеркивал, что фундаментальная философская система, определяющая направление многих из рассуждений, представленных в этой книге, основывается на парадигме, порожденной мировоззрением физики. Соответственно, одна из главных тем этой работы касается исследования того, в какой степени возможна разработка численного, обладающего предсказательной силой описания, основанного на общих основных принципах, не зависящих от индивидуальных особенностей конкретных систем. Один из фундаментальных постулатов точных наук состоит в том, что окружающий нас мир в конечном счете подчиняется неким универсальным принципам, и именно в этом контексте следует рассматривать законы масштабирования для систем высокой сложности – например, живых организмов, городов или компаний. Как я пытаюсь продемонстрировать, законы масштабирования отражают систематические закономерности, в которых проявляются глубинные геометрические и динамические структуры, из чего следует возможность создания численной научной теории таких систем. В самом крайнем случае эти законы хотя бы позволяют нам установить, до какой степени может быть применима такая методика.

Поиски великих объединений, синтезов, общих черт, закономерностей, идей и концепций, которые выходят за узкие пределы конкретных задач или дисциплин, – это один из главных побудительных мотивов ученых и науки в целом. Некоторые считают, что это определяющая характеристика вида Homo sapiens (человека разумного) вообще, проявляющаяся в наших бесчисленных верованиях, религиях и мифологиях, которые помогают нам сосуществовать с потрясающими тайнами Вселенной. Такие поиски синтеза и объединения продолжают быть одной из главных задач науки еще со времени ее возникновения, начиная с первых греческих философов, которые ввели, в частности, концепции атомов и элементов, фундаментальных кирпичиков, из которых состоит все остальное.

В число классических примеров великих объединений в современной науке входят законы Ньютона, показавшие нам, что на небесах действуют те же законы, что и на Земле, осуществленное Максвеллом объединение электричества и магнетизма, которое привнесло в нашу жизнь эфемерный эфир и дало нам электромагнитные волны, теория естественного отбора Дарвина, напомнившая нам, что мы в конце концов всего лишь животные и растения, и законы термодинамики, из которых стало ясно, что ничто не существует вечно. Каждое из этих открытий имело глубокие последствия, не только потому, что оно изменяло наши взгляды на мир, но и потому, что оно закладывало основы для технических достижений, благодаря которым мы получили тот уровень жизни, каким многим из нас повезло наслаждаться. Тем не менее все они в разной степени неполны. Более того, именно понимание границ их применимости и пределов их предсказательной силы, а также непрекращающиеся поиски исключений, нарушений и недостатков стимулируют дальнейшее развитие науки и появление новых идей, технологий и концепций.

Одна из наиболее важных научных задач, существующих в современной физике, – это поиск теории Великого объединения элементарных частиц и их взаимодействий, включая ее расширение, позволяющее понять устройство космоса и даже происхождение самого пространства-времени. Такая грандиозная теория должна быть основана на лаконичном наборе основополагающих принципов, выражаемых в виде математических формул, которые будут объединять и объяснять все фундаментальные силы природы, от гравитации и электромагнетизма до сильных и слабых ядерных взаимодействий, и включать в себя и законы Ньютона, и квантовую механику, и общую теорию относительности Эйнштейна. В ней должно быть объяснено происхождение всех фундаментальных величин – например, скорости света, наличие именно четырех измерений пространства-времени и массы всех элементарных частиц – и должны выводиться уравнения, управляющие развитием Вселенной от ее возникновения до образования галактик и вплоть до планетарного уровня, включая и саму жизнь. Работа над решением этой поистине замечательной и потрясающе грандиозной задачи в течение уже почти ста лет занимает тысячи исследователей и обходится в миллиарды долларов. Почти по всем возможным параметрам эти поиски, все еще далекие от достижения своей конечной цели, были чрезвычайно успешными: они привели, например, к открытию кварков, фундаментальных составных элементов материи, бозона Хиггса, бывшего причиной возникновения во Вселенной массы, черных дыр и Большого взрыва… не говоря уже о множестве Нобелевских премий[175].

Вдохновленные таким замечательным успехом, физики присвоили этой фантастической мечте величественный титул «Теории всего». Из требований математического согласования между квантовой механикой и общей теорией относительности следует, что основными составными элементами такой универсальной теории могут быть не традиционные точечные элементарные частицы, которые лежали в основе построений Ньютона и всего последующего развития теории, а микроскопические вибрирующие струны. Отсюда появился несколько более прозаический подзаголовок «теории струн». Концепция «Теории всего» подобна изобретению богов (или Бога) тем, что она является выражением величайшего из видений, вдохновения вдохновений, представления о возможности охватить и объяснить все сущее во Вселенной в малом наборе тезисов, в данном случае – кратком наборе математических уравнений, из которых следует буквально все остальное. Однако, как и концепция Бога, она потенциально обманчива и интеллектуально опасна.

Гиперболическое объявление некой области исследований «Теорией всего» подразумевает некоторую интеллектуальную гордыню. Можно ли на самом деле помыслить, что существует такое самое главное уравнение, которое заключает в себе всю информацию о Вселенной? Действительно всю? В которую входит жизнь, животные и клетки, разум и сознание, города и корпорации, любовь и ненависть, выплаты по ипотеке, следующие президентские выборы и так далее? Как, собственно говоря, возникают все те необычайные многообразие, сложность и беспорядочность, в которых участвуем все мы, обитатели Земли? Упрощенный ответ на этот вопрос сводится к тому, что все это есть неизбежный результат взаимодействий и динамики, заключенных в такой великой «Теории всего». Считается, что даже само время возникло из геометрии и динамики этих вибрирующих струн. После Большого взрыва Вселенная расширялась и охлаждалась, и это привело к последовательному возникновению иерархической структуры, от кварков к нуклонам, затем к атомам и молекулам, а потом – ко всей сложности клеток, разума и эмоций и всех остальных явлений жизни и космоса, появляющихся наподобие некоего deus ex machina[176]. И все это – последствия поворота метафорического заводного рычага, образованного из все более сложных уравнений и расчетов, которые, по меньшей мере в принципе, должны иметь решение с любой требуемой степенью точности. В какой-то мере такой предельный вариант редукционизма действительно может быть качественно справедливым, но я не уверен, насколько хоть кто-нибудь действительно верит в него. Как бы то ни было, здесь явно чего-то не хватает.

В это «что-то» входят многие из концепций и идей, которые подразумеваются в вопросах и задачах, рассмотренных в этой книге: концепции информации, эмерджентности, случайности, исторических происшествий, адаптации и отбора; все характеристики сложных адаптивных систем, будь то организмы, общества, экосистемы или системы экономические. Они состоят из мириад индивидуальных компонентов или агентов, обретающих коллективные характеристики, подробное описание которых невозможно вывести заранее, исходя из свойств отдельных составляющих, даже зная динамику их взаимодействий. В отличие от ньютоновской парадигмы, на которой основывается идея «Теории всего», динамика и структура сложных адаптивных систем не может быть полностью выражена в малом числе уравнений. По-видимому, в большинстве случаев это невозможно даже при бесконечном их числе. Более того, предсказание их поведения с произвольной степенью точности невозможно даже в принципе.

Однако, как я пытался продемонстрировать во всех разделах этой книги, теория масштабирования дает нам мощные средства для получения компромиссного решения: разработки численной системы для понимания и предсказания многих общих аспектов таких систем в грубом приближении.

Вероятно, самый неожиданный аспект вдохновенной «Теории всего» заключается в том, что она предполагает, что Вселенная в целом, в том числе ее происхождение и развитие, несмотря на всю ее запутанность, оказывается не сложной, а, как это ни удивительно, простой, так как она может быть выражена ограниченным числом уравнений или даже всего одним главным уравнением. Эта ситуация резко отличается от той, что существует на Земле, где все мы являемся неотъемлемыми элементами самых разнообразных, сложных и беспорядочных явлений из всех, происходящих во Вселенной, понимание которых требует дополнительных концепций, которые, возможно, не поддаются математическому выражению. Поэтому, хотя мы восхищаемся поисками теории Великого объединения всех фундаментальных сил природы и приветствуем его, следует признать, что она не сможет объяснить и предсказать буквально всё.

Следовательно, параллельно с разработкой такой «Теории всего» нам следует заняться аналогичными поисками теории Великого объединения сложности. Задача разработки численной, аналитической, основанной на научных принципах и обладающей предсказательной силой базы для понимания сложных адаптивных систем – это, несомненно, одна из важнейших задач XXI века. Жизненно важным и еще более срочным разделом этой задачи является разработка теории Великого объединения устойчивости, необходимой для устранения тех необычайных угроз, которые возникают перед нами сейчас. Хотя, как и все великие объединения, эти решения почти неизбежно будут неполными и вполне могут оказаться недостижимыми, они тем не менее должны вдохновить нас на создание важных, возможно революционных новых идей, концепций и технологий, которые позволят нам понять, куда мы можем двигаться дальше и сможем ли сохранить то, чего достигли к этому моменту.

2. Междисциплинарность, сложные системы и Институт Санта-Фе

Хотя такое мировоззрение, возможно, и не было прямо сформулировано в столь возвышенных словах, именно оно определяло те задачи, для решения которых был создан Институт Санта-Фе. Это замечательное место. Может быть, оно не всем пришлось бы по душе, но для многих из нас, все еще приверженных наивному, в чем-то романтическому стремлению участвовать в жизни эклектичного сообщества ученых, занятых поисками «истины и красоты» – и разочарованных невозможностью найти его в классической университетской среде, – SFI стал максимальным приближением к осуществлению этой мечты. Я считаю необычайной удачей и честью то, что мне удалось провести несколько очень успешных лет в таком чудесном месте, в котором мою работу стимулировали мои коллеги-единомышленники, пришедшие из самых разных отраслей научной деятельности.

Возможно, атмосферу и характер SFI лучше всех отразил британский научный журналист Джон Уитфилд, писавший в 2007 г.:

Этот институт был задуман поистине мультидисциплинарным – в нем нет отделов, только исследователи… Название Института Санта-Фе стало почти что синонимом выражения «теория сложности»… институт, расположенный сейчас на холме на окраине города, должен быть одним из самых интересных мест для научной работы. Из больших окон кабинетов исследователей и общих помещений, в которые они выходят на обед или на импровизированные семинары, открываются виды на горы и пустыню. От автомобильной стоянки отходят туристические тропы. На кухне института можно подслушать разговор между палеонтологом, специалистом по квантовым компьютерам и физиком, изучающим финансовые рынки. По коридорам и кабинетам бродят кошка и собака. Здесь царит атмосфера смеси кембриджского колледжа и какого-нибудь святилища сумасшедших компьютерщиков с Западного побережья США, компании наподобие Google или Pixar.

Курсив в последнем предложении – мой; я выделил эту фразу, потому что мне кажется, что Уитфилд правильно определил эту уникальную комбинацию характеристик: с одной стороны, башня из слоновой кости оксфордского или кембриджского колледжа, сообщество ученых, посвятивших себя поискам «чистого» знания и понимания, двигающихся в том направлении, которое указывает им их «чутье»; с другой – образ передовой деятельности Кремниевой долины, решение задач «реального» мира и поиск новаторских решений и новых способов преодоления жизненных сложностей. Хотя SFI – это классический исследовательский институт, работа которого не определяется программными или прикладными целями, сама природа тех задач, над которыми он работает, неизбежно заставляет многих из нас непосредственно сталкиваться с крупными общественными проблемами. Поэтому в дополнение к своей сети ученых институт также имеет весьма активную деловую структуру (под названием Applied Complexity Network – «Сеть прикладной сложности»), в которую входит множество компаний, как мелких и начинающих фирм, так и крупных и хорошо известных корпораций, работающих в самых разных отраслях.

SFI занимает уникальное место в научном пейзаже. Его задача – рассмотрение фундаментальных задач и важнейших вопросов всех масштабов на переднем крае научных исследований с особенно интенсивным использованием численных, аналитических, математических и вычислительных методов. В нем нет ни отделов, ни официальных групп, зато существует культура, направленная на стимулирование долгосрочного творческого междисциплинарного исследования во всех областях, от математики, физики, биологии и медицины до общественных и экономических наук. В институте есть небольшой штат собственных сотрудников (но нет постоянных должностей) и около сотни сотрудников сторонних, которые постоянно работают в других учреждениях и проводят здесь разное время, от одного-двух дней до нескольких недель. Кроме того, есть постдокторанты, студенты, журналисты и даже писатели. Институт поддерживает большое количество рабочих групп и секций, семинаров и коллоквиумов, а также принимает множество (несколько сот в год) посетителей. Получается фантастический плавильный котел. В институте нет почти никакой иерархии, а его размеры достаточно малы для того, чтобы каждый работающий в нем легко мог познакомиться со всеми остальными. Археологи, экономисты, социологи, экологи и физики могут ежедневно встречаться друг с другом и свободно беседовать, рассуждать, шутить и серьезно сотрудничать в работе над разными вопросами, как большими, так и малыми.

Идеология этого института выросла из предположения о том, что, если собрать умных людей в благоприятной, стимулирующей, динамичной среде, которая позволит им свободно взаимодействовать, из этого непременно получится что-то хорошее. Культура SFI направлена на создание открытой катализирующей атмосферы, в которой активно приветствуются такие виды взаимодействия и сотрудничества, которые часто бывают затруднены в традиционной факультетской структуре университетов. Сведение вместе обладателей чрезвычайно разных умов, готовых вступить в интенсивное, глубокое сотрудничество, направленное на поиски фундаментальных принципов, общих черт, простоты и порядка в явлениях высокой сложности, стало фирменным знаком научной работы в SFI. В некотором любопытном смысле этот институт является воплощением именно того, что он изучает, – сложной адаптивной системы.

Институт получил международное признание в качестве «официального места рождения междисциплинарных исследований сложных систем» и сыграл ключевую роль в осознании того факта, что многие из наиболее трудных, интересных и глубоких вопросов, стоящих перед наукой и обществом, находятся на стыках между традиционными дисциплинами. К ним относятся вопросы происхождения жизни, общих принципов инновации, роста, эволюции и жизнестойкости (будь то в применении к организмам, экосистемам, эпидемиям или обществам), сетевой динамики в природе и обществе, основанных на биологических принципах парадигм медицины и информатики, взаимосвязей между обработкой информации, энергией и динамикой в биологии и обществе, устойчивости и судьбе социальных организаций, а также динамики финансовых рынков и политических конфликтов.

Поскольку мне выпала большая честь занимать в течение нескольких лет должность президента SFI, я, конечно, не могу быть вполне объективным в отношении его философии, его репутации и его достижений. Чтобы вы не подумали, что все, сказанное выше, – сплошные мои преувеличения, я приведу пару других мнений и замечаний о характере этого института. Роджерс Холингсворт – заслуженный социолог и историк из Университета штата Висконсин, известный своими глубокими исследованиями существенных факторов, определяющих успешность исследовательских групп. В своем выступлении на заседании подкомиссии Национального научного совета (который руководит работой Национального научного фонда), созданной для рассмотрения «трансформационной» науки, он отметил:

Мы с моими коллегами изучили около 175 исследовательских организаций по обе стороны Атлантики, и Институт Санта-Фе во многих отношениях является идеальным типом организации, способствующей творческому мышлению.

А вот цитата из журнала Wired:

С момента своего основания в 1984 г. этот некоммерческий исследовательский центр объединяет лучшие умы разных дисциплин для изучения клеточной биологии, вычислительных сетей и других систем, лежащих в основе нашей жизни. Открытые ими закономерности пролили свет на некоторые из наиболее насущных вопросов нашего времени и заодно послужили основой того, что мы называем теперь теорией сложности.

Институт был изначально задуман маленькой группой выдающихся ученых, в том числе нескольких нобелевских лауреатов, большинство из которых было в той или иной мере связано с Лос-Аламосской национальной лабораторией. Их беспокоило, что дисциплинарная однобокость и специализация стали настолько господствовать в научном мире, что многие важные вопросы, в особенности те из них, которые выходят за рамки отдельных дисциплин или носят общественный характер, остаются без внимания. Система вознаграждений за поступление на работу в научное учреждение, повышение по службе или получение постоянной должности или грантов государственных или частных фондов, или даже избрание в Академию наук все более и более ориентировалось на способность ученого продемонстрировать, что он является экспертом по какой-нибудь малой части какого-нибудь узкого раздела определенной дисциплины. Свобода мысли и рассуждений о крупных вопросах и масштабных проблемах, рискованное выражение взглядов, отличных от общепринятых, становились роскошью, которую мало кто мог себе позволить. Вместо лозунга «публикация или смерть» все в большую силу входил принцип «крупное финансирование или смерть». Начался процесс коммерциализации университетов. Далеко в прошлом остались счастливые времена эрудитов и универсалов вроде Томаса Юнга или Дарси Томпсона. В науке осталось совсем немного людей, склонных к широкому внутридисциплинарному, не говоря уже о междисциплинарном, мышлению, которые не боялись бы высказывать идеи и предлагать концепции, выходящие за пределы области их работы и способные затрагивать «чужую территорию». Для борьбы именно с этой тенденцией и был создан Институт Санта-Фе.

Первые обсуждения возможной научной программы института в основном касались быстро развивавшихся областей информатики, вычислительных дисциплин и нелинейной динамики, в которых Лос-Аламос играл центральную роль. Затем на сцене появился физик-теоретик Мюррей Гелл-Манн. Он осознал, что все эти предложения в большей степени касались методик, нежели идей и концепций, и что для оказания заметного влияния на направление развития науки программа такого института должна быть шире и смелее и включать в себя работу над фундаментальными вопросами. Отсюда и возникла идея общих тем сложности и сложных адаптивных систем, которые касаются почти всех крупнейших проблем и вопросов, стоящих сегодня перед наукой и обществом, – и к тому же неизбежно выходят за границы традиционных научных дисциплин.

Интересную примету нашего времени – и, на мой взгляд, важное свидетельство влияния, которое оказала работа SFI, – можно увидеть в том обстоятельстве, что сейчас многие институты стали провозглашать себя мультидисциплинарными, трансдисциплинарными, многодисциплинарными или междисциплинарными. Хотя такие названия до некоторой степени стали очередными модными словечками, которые используют для описания любого сотрудничества или взаимодействия между подразделами традиционных дисциплин, и не обязательно предполагают смелые прыжки через огромные пропасти, разделяющие их, налицо существенное изменение образа таких исследований и отношения к ним. Эта тенденция охватила весь научный мир и воспринимается уже как нечто само собой разумеющееся, хотя в реальности университеты в той или иной степени остаются столь же узкоспециализированными, как и прежде. Вот, например, цитата с веб-сайта Стэнфордского университета, создающего себе новый образ такого рода и даже утверждающего, что он всегда работал именно в этом духе:

С самого момента своего основания Стэнфордский университет работал на переднем крае междисциплинарного сотрудничества… занимаясь новаторскими фундаментальными и прикладными исследованиями во всех областях. ‹…› Это естественным образом способствует сотрудничеству между разными научными дисциплинами.

Чтобы вы могли оценить масштабы этого необыкновенного сдвига в восприятии, произошедшего за последние всего лишь двадцать лет, я приведу здесь одну историю из начального периода работы SFI.

Среди отцов-основателей института были две крупные фигуры науки ХХ в., два нобелевских лауреата. Одним из них был Филип Андерсон, физик-твердотельщик из Принстонского университета, работавший в области сверхпроводимости и открывший, помимо многого другого, механизм нарушения симметрии, который лег в основу предсказания существования бозона Хиггса. Второй, Кеннет Эрроу из Стэнфорда, внес очень важный и обширный вклад в фундаментальные положения экономики, от теории коллективного выбора до теории эндогенного роста. Он был самым молодым лауреатом Нобелевской премии по экономике, которую также получили и пятеро из его учеников. Андерсон и Эрроу совместно с Дэвидом Пайнсом, еще одним основателем SFI и также выдающимся специалистом в области физики твердого тела, положили начало первой крупной исследовательской программе, которая впервые привлекла к институту внимание общественности. Она была посвящена рассмотрению фундаментальных вопросов экономики с новой тогда точки зрения сложных систем: например, возможностей применения идей нелинейной динамики, статистической физики и теории хаоса для разработки новых аспектов экономической теории. В 1989 г., после одного из первых семинаров, журнал Science опубликовал о нем статью под заголовком «Странные компаньоны»[177]. Она начиналась следующими словами:

Эти два нобелевских лауреата образуют странную пару. ‹…› В течение последних двух лет Андерсон и Эрроу совместно работают над проектом, который кажется одним из самых странных союзов в истории науки – браком или по меньшей мере серьезным романом экономики и физики. ‹…› Это новаторское предприятие осуществляется под эгидой Института Санта-Фе.

Как изменились времена! Сегодня сотрудничество физиков с экономистами совсем не редкость – взять хотя бы массовый приток на Уолл-стрит физиков и математиков, многие их которых невероятно разбогатели, – но двадцать пять лет назад это было делом почти неслыханным, особенно когда речь шла о двух столь заслуженных ученых. Все равно трудно поверить, что эта работа казалась настолько редкостной и необычной, что ее можно было назвать «одним из самых странных союзов в истории науки». Может быть, наши горизонты и впрямь расширяются.

Когда я стал президентом SFI, мне попалось одно мудрое высказывание, сильно запавшее мне в душу. Это были слова человека, который более чем за пятьдесят лет до того участвовал в создании необычайно успешного института и руководил его работой. Речь идет о Максе Перуце, специалисте по кристаллографии, который был одним из лауреатов Нобелевской премии по химии, присужденной за открытие структуры гемоглобина[178]. Перуц использовал технику рентгеноструктурного анализа, которую разработала в начале ХХ в. уникальная исследовательская группа, состоявшая из отца и сына, Уильяма Генри и Уильяма Лоренса Брэггов, совместно получивших Нобелевскую премию по физике в 1915 г., когда сыну, Уильяму Лоренсу, было всего двадцать пять лет. Он до сих пор остается самым молодым нобелевским лауреатом по естественным наукам.

Уильям Лоренс Брэгг был настолько прозорлив, что понимал, что методики, в разработке которых для изучения кристаллической структуры обычных веществ он участвовал, могут оказаться мощным инструментом для изучения строения сложных молекул, являющихся составными элементами жизни, таких как гемоглобин и ДНК. Он активно помогал Перуцу, который был его учеником, в создании исследовательской программы, посвященной исключительно раскрытию тайн строения жизни. Так в 1947 г. в знаменитой Кавендишской лаборатории в Кембридже, директором которой был Уильям Лоренс Брэгг, и появилась одна из наиболее успешных организаций во всей истории науки, Отделение совета по медицинским исследованиям (Medical Research Council Unit, MRCU)[179]. Под руководством Перуца в MRCU всего за несколько лет было выполнено целых девять работ, удостоенных Нобелевских премий, одной из которых было знаменитое открытие двойной спирали ДНК Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком.

В чем же был секрет необычайного успеха Перуца? Неужели он открыл магическую формулу, по которой можно оптимизировать организацию научных исследований? И если это так, то как бы нам использовать эту формулу, чтобы обеспечить будущие успехи Института Санта-Фе? Эти вопросы, естественно, приходили мне в голову, когда я принял на себя руководство SFI. Я выяснил, что Перуц, продолжая свою собственную исследовательскую программу, предоставил своим исследователям полную независимость и обращался со всеми как с равными. Он даже отказался от рыцарского звания, так как считал, что это отдалило бы его от молодых ученых. Он все время оставался в курсе работы всех своих сотрудников и постоянно встречался с разными коллегами за кофе, обедом или чаем. По духу, если не всегда на практике, все это вполне соответствовало тому, к чему всегда стремился я сам, – за исключением разве что отказа от рыцарского звания в том маловероятном случае, если мне его когда-нибудь предложат.

Но самым вдохновляющим оказалось для меня то, что я прочел о Перуце в некрологе о нем в газете Guardian[180]. Вот что там говорилось:

Когда его спрашивали, существуют ли простые принципы, по которым следует организовывать исследования, чтобы они были как можно более творческими, он лукаво отвечал: никакой политики, никаких комиссий, никаких отчетов, никаких рецензентов, никаких собеседований; только одаренные, целеустремленные исследователи, отобранные несколькими здравомыслящими людьми. Разумеется, в нашей расплывчатой демократической системе исследования обычно организуются не таким образом, но в устах человека чрезвычайно талантливого и исключительно здравомыслящего такой ответ вовсе не звучал высокомерно. Он казался естественным, ибо Макс следовал этим принципам на практике и доказал, что именно так и нужно действовать в науке тем, кто хочет опередить весь мир и привлечь к себе лучшие таланты мира.

Итак, у него все-таки была формула – и она работала самым блестящим образом. Сегодня трудно поверить, что он говорил всерьез: «никакой политики, никаких комиссий, никаких отчетов, никаких рецензентов, никаких собеседований», обращать внимание «только» на успешную работу и опираться на здравый смысл. Именно этого в принципе мы и пытались – да и до сих пор пытаемся – достичь в SFI: найти лучших ученых, доверять им, поддерживать их, не досаждать им всякой чушью… и тогда получится что-нибудь хорошее. Именно в этом духе был создан Институт Санта-Фе, и именно этот дух энергично защищали все его президенты, от основоположника Джорджа Коуэна до нашего замечательного нынешнего президента Дэвида Кракауэра. Но если магическая формула Макса была такой простой, почему же ей не следуют все? Попробуйте предложить этот рецепт финансирующим организациям, NSF, DOE, NIH[181], благотворительным фондам, ректорам и деканам университетов или своему депутату – и вы быстро получите ответ на этот вопрос. Разумеется, это формула упрощенная, не вполне реалистичная, из разряда «легче сказать, чем сделать», и апеллирующая к идеальному образу поддержки науки и ученых, которая, возможно, никогда и не существовала в столь наивной форме. Но в этом, может быть, и заключается ее сила. Стремление к столь возвышенным идеалам и попытка создать атмосферу и культуру, в которых развитию идей и поискам знания не мешала бы гегемония квартальных отчетов, беспрестанное сочинение заявок и наблюдательные комиссии, политические интриги и мелочная бюрократия, должно быть важнее всех прочих соображений. Пример Перуца показывает, что именно в этом заключается жизненно важная составляющая успеха. Поэтому каждый год, когда я представляю заключение своего годового отчета нашему попечительскому совету, уже похваставшись нашими успехами и поплакавшись на наше финансовое положение и трудности сбора средств на исследовательскую работу, я зачитываю вслух эту магическую формулу как мантру или выражение надежды, чтобы напомнить нам, к чему мы должны стремиться.

3. Большие данные: парадигма 4.0 или только 3.1?

Начиная с численных наблюдений движения планет, выполненных в XVI в. датским астрономом Тихо Браге, измерения играют центральную роль в развитии нашего понимания всей окружающей нас Вселенной. Данные образуют основу для построения, проверки и уточнения наших теорий и моделей, идет ли речь о попытках объяснить происхождение Вселенной, природу эволюционных процессов или рост экономики.

Данные – это то, чем живут наука, техника и технологии, а в последние годы они стали играть все более важную роль в экономике и финансах, в политике и в коммерции. Почти что никакие из тех задач, о которых я говорил в этой книге, не могли бы быть проанализированы без использования огромных объемов данных. Более того, не имея доступа к таким данным, на которые я опирался в предыдущих главах, мы не могли бы серьезно думать о развитии чего-либо даже близкого к теории сложных адаптивных систем или научной теории городов, компаний или устойчивости. Хорошим примером являются данные миллиардов вызовов сотовой связи, которые мы использовали в своей работе для проверки предсказаний относительно роли социальных сетей и перемещений людей в городах.

Важнейшую роль в этих недавних событиях сыграла революция в информационных технологиях, и речь здесь идет не только о сборе и накоплении данных, но и об анализе и преобразовании огромных объемов вновь возникающей информации в пригодную для обработки форму, которая позволяет делать наблюдения, замечать закономерности или формулировать и проверять предсказания. Скорость и вместимость даже того тринадцатидюймового компьютера MacBook Air, на котором я печатаю эту рукопись, поразительны, а возможности, которые он предоставляет для анализа и извлечения данных, сохранения информации и выполнения сложных вычислений, поистине необычайны. Мой маленький iPad обладает большей мощностью, чем машина Cray-2, бывшая всего двадцать пять лет назад самым мощным в мире суперкомпьютером и стоившая около 15 миллионов долларов. Объемы данных, которые собирают сейчас многочисленные устройства, отслеживающие почти все, что нас окружает, от наших тел, социальных взаимодействий, перемещений и предпочтений до погодных условий и дорожной обстановки, поражают воображение.

Число сетевых устройств, имеющихся сейчас в мире, более чем в два раза превышает общую численность населения Земли, а суммарная площадь их экранов такова, что на каждого человека приходится более 900 кв. см. Мы в самом деле вступили в эпоху больших данных. Объем сохраняемой и передаваемой информации продолжает экспоненциально расти. И все это началось в последнее десятилетие или около того, что служит еще одним ярким проявлением ускорения темпа жизни. Пришествие больших данных провозглашалось в сопровождении громких и преувеличенных обещаний, из которых следовало, что они-то и избавят нас от всех надвигающихся проблем во всех областях, от здравоохранения до урбанизации, и в то же время обеспечат еще более высокий уровень жизни. Нужно только измерять и контролировать все на свете и загружать данные в огромные компьютеры, а те как по волшебству будут выдавать нам ответы и решения, и тогда все наши проблемы и затруднения будут преодолены, и мы поголовно будем счастливы. Эта развивающаяся парадигма хорошо вписывается в захлестывающий нас поток «умных» устройств и методик, которые все в большей степени господствуют в нашей жизни. «Умным» теперь непременно должно быть все новое, будь то умные города, умная медицина, умные термостаты, умные телефоны, умные карты или даже умная упаковка.

Данные – это хорошо, а много данных – еще лучше: таково кредо, которое большинство из нас, особенно если речь идет об ученых, воспринимает как нечто само собой разумеющееся. Но в основе этой веры лежит идея о том, что увеличение количества данных приводит к более глубокому пониманию фундаментальных механизмов и принципов, которое позволило бы построить на прочном основании более правдоподобные предсказания и более точные модели и теории, подлежащие дальнейшим проверкам и уточнениям. Данные ради данных, бездумное накопление больших данных без концептуальной основы для их организации и понимания может быть занятием неправильным и даже опасным. Заключения, основанные на одних только данных или даже на математической аппроксимации данных без глубинного понимания механизмов, которые их порождают, могут быть обманчивыми и приводить к ошибочным выводам и непредвиденным последствиям.

Это предостережение тесно связано со старой максимой, согласно которой «корреляция не означает причинности». Само по себе наличие сколь угодно точной корреляции между двумя наборами данных не говорит о том, что одни из них являются причиной других. Имеется множество причудливых примеров, иллюстрирующих это положение[182]. Например, в течение одиннадцатилетнего периода с 1999 по 2010 г. колебания суммарного объема расходов на научные исследования, космические разработки и технологическое развитие в США почти точно повторяли колебания числа самоубийств через повешение и удушение. Чрезвычайно маловероятно, чтобы между этими явлениями существовала какая бы то ни было причинно-следственная связь: сокращение расходов на науку явно не могло быть причиной уменьшения числа повесившихся. Однако во многих случаях такой вывод бывает не столь очевидным. В общем случае корреляция часто бывает важным признаком наличия причинно-следственной связи, но подтверждено оно может быть только после дальнейшего изучения и построения модели механизмов такой связи.

Это особенно важно в медицине. Например, содержание липопротеинов высокой плотности (ЛВП) – которые часто называют «хорошим холестерином» – в крови имеет обратную корреляцию с частотой возникновения инфарктов, из чего можно заключить, что прием лекарств, повышающих уровень ЛВП, должен снижать вероятность инфаркта. Однако данные, свидетельствующие в пользу такой стратегии, неоднозначны: по-видимому, искусственное повышение уровня ЛВП не приводит к улучшению состояния сердечно-сосудистой системы. Это может быть связано с воздействием других факторов – например, генетической предрасположенности, диеты и физической нагрузки, – которые влияют одновременно и на уровень ЛВП, и на вероятность возникновения инфаркта, между которыми может и не быть прямой причинно-следственной связи. Возможно даже, что причинная связь действует в обратном направлении и здоровое состояние сердечно-сосудистой системы приводит к повышению уровня ЛВП. Выявление преимущественных причин инфарктов явно требует организации широкомасштабной исследовательской программы, включающей в себя сбор больших объемов данных в сочетании с развитием моделей механизмов воздействия каждого из факторов – генетических, биохимических, диетологических и экологических. И действительно, на осуществление этой стратегии выделяются огромные средства в разных отраслях медицины.

Большие данные в первую очередь следует рассматривать в следующем контексте: появившиеся сейчас дополнительные возможности «умных» устройств, позволяющих собирать огромные объемы существенных данных, могут усилить классический научный метод, предполагающий кропотливый анализ, развитие моделей и концепций, предсказания которых можно проверить и использовать для разработки новых методик и стратегий. Центральный элемент этой парадигмы состоит в том, что именно непрерывное совершенствование моделей определяет, какие именно данные, в каком количестве и с какой точностью важнее всего получить. Выбор переменных, которые мы рассматриваем и измеряем для получения данных, не случаен – он определяется прошлыми успехами и неудачами в контексте развивающейся концептуальной системы. Наука не сводится к случайным поискам вслепую.

Пришествие больших данных породило сомнения в этом классическом мировоззрении. В 2008 г. в журнале Wired появилась крайне полемическая статья под названием «Конец теории: потоп данных приводит к устареванию научного метода» (The End of Theory: The Data Deluge Makes the Scientific Method Obsolete), в которой тогдашний редактор этого журнала Крис Андерсон писал:

Ставшие сейчас доступными огромные объемы данных в сочетании со статистическими методами, позволяющими обрабатывать эти цифры, открывают совершенно новые пути понимания мира. Корреляция важнее, чем причинность, и наука может двигаться вперед даже и без непротиворечивых моделей, объединенных теорий или, собственно говоря, вообще каких-либо механистических объяснений… при наличии массы данных такой подход к научным исследованиям – гипотеза, модель, проверка – оказывается устаревшим. ‹…› Отбросим все теории человеческого поведения, от лингвистических до социологических. Забудем таксономию, онтологию и психологию. Как знать, почему люди ведут себя именно так, а не иначе? Важно то, что они ведут себя именно так, и мы можем отслеживать и измерять их поведение с беспрецедентной точностью. При наличии достаточного количества данных цифры говорят сами за себя. ‹…› Сегодня компании вроде Google, выросшие в эпоху доступности огромного количества данных, могут не довольствоваться ошибочными моделями. Собственно говоря, модели им вообще не нужны. ‹…› Нет никаких причин цепляться за старые методы. Пора спросить: чему Google может научить науку?

Я не собираюсь отвечать на этот вопрос; замечу только, что такая радикальная точка зрения становится более или менее господствующей повсюду в Кремниевой долине, в сфере информационных технологий и, все в большей степени, в деловом сообществе. В несколько менее бескомпромиссном варианте она также быстро приобретает популярность и в научных кругах. За последние несколько лет почти во всех университетах окрылись хорошо финансируемые центры или институты, посвященные работе с большими данными и в то же время уделяющие должное внимание другому модному слову – междисциплинарности. Например, Оксфордский университет только что создал в новом, привлекательном, «соответствующем последнему слову техники» здании собственный Институт больших данных (Big Data Institute, BDI). Вот что было сказано по этому поводу: «Работа этого междисциплинарного исследовательского центра будет сосредоточена на анализе больших, сложных, разнородных массивов данных для исследования причин и следствий, профилактики и лечения болезней». Это, несомненно, чрезвычайно достойная задача, несмотря на отсутствие упоминаний о развитии теорий или концепций.

Противоположную точку зрения ярко выразил нобелевский лауреат, генетик Сидней Бреннер, которого я уже цитировал в главе 3 (кстати говоря, он был директором того самого знаменитого кембриджского института, основанного Максом Перуцем, о котором я говорил выше): «Биологические исследования переживают кризис… Технологии дают нам инструменты для анализа организмов на всех масштабных уровнях, но мы тонем в море данных и задыхаемся без теоретической основы, которая позволила бы осознать их. Хотя многие считают, что “чем больше, тем лучше”, история учит нас, что на самом деле “лучше меньше, да лучше”. Нам нужна теория и уверенное понимание природы изучаемых объектов, чтобы предсказывать все остальное».

Вскоре после публикации статьи Криса Андерсона компания Microsoft выпустила интереснейшую серию эссе, собранных в книге под названием «Четвертая парадигма: информационно емкие научные открытия»[183]. Они основаны на идеях Джима Грея, информатика, работавшего в Microsoft и трагически погибшего в море в 2007 г. Он видел в революции данных крупномасштабную смену парадигмы, определяющей будущее развитие науки в XXI в., которую он называл четвертой парадигмой. Первые три, по его мнению, были: 1) эмпирические наблюдения (до Галилея), 2) теории, основанные на моделях и математических формулах (после Ньютона), и 3) вычисления и компьютерное моделирование. Мне кажется, что, в отличие от Андерсона, Грей считал эту четвертую парадигму результатом интеграции первых трех, а именно объединением теории, эксперимента и моделирования, но с дополнительным акцентом на сбор и анализ данных. В этом смысле с ним трудно не согласиться, поскольку именно так наука и развивалась в течение последней пары сотен лет; разница тут в первую очередь количественная: «революция данных» открыла перед нами гораздо более широкие возможности использования и развития тех же методик, которые мы применяем уже давно. С этой точки зрения кажется, что речь должна идти не о парадигме 4.0, а о парадигме 3.1.

Но теперь на поле появился новый игрок, который многим кажется более многообещающим и, по мнению Андерсона и ему подобных, способным устранить потребность в традиционном научном методе. Речь идет о технологиях и методиках, которые называют обучением машин, искусственным интеллектом и аналитической обработкой данных. Они существуют во множестве разных вариантов, но все они основаны на идее о возможности разработки и программирования компьютеров и алгоритмов, способных развиваться и адаптироваться на основе вводимых в них данных для решения задач, формирования новых идей и формулирования предсказаний. Все они используют итерационные процедуры поиска и использования имеющихся в данных корреляций, которые не заботятся о причинах существования таких связей и неявно предполагают, что «корреляция важнее причинности». Этот подход вызывает сейчас большой интерес и уже оказывает сильное влияние на нашу жизнь. Например, он лежит в основе принципов работы поисковых систем, таких как Google, разработки стратегий инвестирования или схем работы организаций, а также работы автомобилей без водителя.

Все это возвращает нас к классическому философскому вопросу о том, до какой степени эти машины «мыслят». Что мы, собственно говоря, подразумеваем под этим словом? Стали ли они уже умнее, чем мы? Смогут ли сверхразумные роботы когда-нибудь заменить человека? Создается впечатление, что призрак таких научно-фантастических фантазий стремительно надвигается на нас. Вполне можно понять, почему Рэй Курцвейл и его единомышленники считают, что следующая смена парадигмы будет интеграцией человека с машиной или в конце концов приведет к появлению мира, в котором господствуют разумные роботы. Как я уже говорил, я отношусь к таким футурологическим прогнозам довольно скептически, хотя вопросы, которые они затрагивают, интересны, чрезвычайно сложны и требуют ответа. Но их обсуждение должно затрагивать другую смену парадигмы, порожденную надвигающейся сингулярностью конечного времени, которая связана с ускоряющимся темпом жизни и включает в себя проблему глобальной устойчивости и появления еще четырех или пяти миллиардов человек, которые вскоре окажутся на нашей планете рядом с нами.

Большие данные, несомненно, окажут огромное влияние на все аспекты нашей жизни и, кроме того, принесут немалую пользу научным исследованиям. Успех этих исследований – появление крупных открытий и новых взглядов на мир – будет зависеть от того, насколько их удастся объединить с глубоким концептуальным мышлением и традиционными методами разработки теорий. Точка зрения Андерсона и, хотя и в меньшей степени, Грея – это своего рода вариант «Теории всего» для информатиков и статистиков. Она утверждает с той же гордыней и тем же нарциссизмом, что именно в ней заключается единственный способ понять все. Станут ли большие данные новой наукой, пока неясно. Но они действительно могут ею стать, если будут использоваться в сочетании с традиционным научным методом.

Замечательный пример того, как интеграция больших данных с традиционной научной методологией может привести к важному научному открытию, дает открытие бозона Хиггса. Прежде всего вспомним, что бозон Хиггса – это ключевой элемент основополагающих законов физики. Он пронизывает всю Вселенную и порождает массу всех элементарных частиц материи, от электронов до кварков. Его существование было блестяще предсказано более шестидесяти лет назад группой из шести физиков-теоретиков. Это предсказание не возникло на пустом месте, а было итогом развития традиционной науки с анализом тысяч экспериментов, поставленных в течение многих лет, и итерационного применения к ним математических теорий и концепций, разработанных для наиболее экономного объяснения наблюдаемых явлений, и постановки следующих экспериментов для проверки теоретических предсказаний.

Развитие технологий до уровня, на котором появилась возможность предпринять серьезные поиски этого трудноуловимого, но жизненно важного элемента нашей объединенной теории фундаментальных сил природы, заняло более пятидесяти лет. Центральным этапом этих поисков было строительство гигантского ускорителя элементарных частиц, в котором два кольцевых протонных пучка движутся в противоположных направлениях со скоростью, близкой к скорости света, и сталкиваются друг с другом в зонах взаимодействия, находящихся под тщательным контролем экспериментаторов. Сооружение этой установки под названием Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC), построенной в Европейском центре ядерных исследований в швейцарском городе Женеве, стоило более 6 млрд долларов. Даже размеры этого титанического научного прибора поражают воображение: длина его кольца составляет около 27 км, а каждый из двух основных детекторов, которые, собственно, и производят наблюдения и измерения столкновений частиц, имеет около 50 м в длину, 25 м в высоту и 25 м в ширину.

Весь этот проект в целом представляет собой беспрецедентное техническое достижение, а полученная в его результате информация далеко опережает по объемам любые большие данные – ничто другое даже приблизительно с ней не сравнится. Каждую секунду происходит около 600 миллионов столкновений, за которыми следят около 150 миллионов индивидуальных датчиков в каждом из детекторов. Это дает около 150 миллионов петабайт данных в год, или около 150 эксабайт в сутки (как мы помним, байт – это базовая единица информации). Попробуем осознать, что́ означают эти цифры. Созданный в редакторе Word документ, содержащий весь текст этой книги и все ее иллюстрации, занимает менее 20 мегабайт (20 МБ – это 20 млн байт). В моем компьютере MacBook Air можно сохранить до 8 гигабайт данных (8 ГБ – это 8 млрд байт). Все фильмы, хранящиеся в системе Netflix, занимают менее 4 петабайт, что равно 4 млн ГБ, то есть приблизительно в полмиллиона раз больше, чем емкость моего компьютера. Дальше – больше: суммарный объем данных, производимых за каждые сутки всеми компьютерами и другими информационными устройствами в мире, вместе взятыми, составляет около 2,5 эксабайта, а один эксабайт равен 10^18 байт, то есть миллиарду гигабайт.

Эти поразительные цифры часто рекламируют в качестве меры революции больших данных. Но на самом деле замечательно другое: они меркнут в сравнении с объемами данных, которые производит LHC. Если регистрировать каждое из 600 млн столкновений, происходящих каждую секунду, их объем составит около 150 эксабайт в сутки, что приблизительно в 60 раз больше суммарного количества данных, производимых всеми вычислительными устройствами в мире, вместе взятыми. Очевидно, это означает, что наивная стратегия, которая позволяет данным «говорить самим за себя» при помощи алгоритмов обучения машин, используемых для поисков корреляций, которые в конце концов должны будут привести к обнаружению механизма Хиггса, работать не будет. Даже если такая машина будет выдавать в миллион раз меньше данных, успешность такой стратегии остается крайне маловероятной. Как же физикам удалось найти пресловутую иголку в этом гигантском стогу сена?

Дело в том, что у нас есть глубоко проработанные, вполне понятные и тщательно проверенные концептуальная система и математическая теория, которые указывают нам, где именно следует искать. Они говорят нам, что почти все осколки, образующиеся почти во всех столкновениях, не представляют интереса или не имеют значения с точки зрения поисков бозона Хиггса. Собственно, они говорят нам, что приблизительно из 600 млн столкновений, происходящих каждую секунду, нас интересует всего лишь около сотни, то есть около 0,00001 % всего потока данных. Именно благодаря разработке сложного алгоритма, выделяющего лишь очень малую и очень конкретную часть данных, и был в конце концов открыт бозон Хиггса.

Вывод ясен: ни в науке, ни в данных нет демократии. Наука меритократична, а разные данные не равны друг другу по значимости. Что бы вы ни искали или ни изучали, важно руководствоваться теорией, полученной при помощи традиционной методики научных исследований, будь такая теория тщательно разработанной и выраженной в численном виде, как в случае фундаментальной физики, или сравнительно мало развитой и качественной, как в большинстве общественных наук. Теория помогает существенно ограничить область поисков, более точно формулировать вопросы и понимать ответы на них. Чем значительнее количество больших данных, которые можно использовать в таком предприятии, тем лучше, но при условии, что они заключены в рамки более общей концептуальной системы, которую, в частности, можно применять для оценки существенности корреляций и их связи с причинно-следственными механизмами. Если мы не хотим «утонуть в море данных», нам нужна «теоретическая основа, которая позволила бы осознать их… и уверенное понимание природы тех объектов, которые мы изучаем, чтобы предсказывать все остальное».

И еще одно, заключительное замечание. Информационная революция была последней на сегодня крупной сменой парадигмы и, как и все предыдущие, она подталкивает нас к «сингулярности конечного времени», о которой я рассуждал в главе 9. Она стала возможной благодаря изобретению поразительного ассортимента необычайно «умных» устройств, которые производят огромное количество данных. И так же, как и предыдущие крупные смены парадигмы, она ожидаемо привела к увеличению темпа жизни. Кроме того, она буквально сделала мир теснее, обеспечив возможность моментальной связи с любой точкой мира в любой момент. Помимо этого она сделала так, что нам теперь не обязательно жить в городской среде, чтобы принимать участие в городских социальных сетях и динамике агломерации – которые и порождают суперлинейное масштабирование и неограниченный рост – и пользоваться их преимуществами. Теперь мы можем создавать более мелкие, даже сельские, сообщества, которые будут также интегрированы в общую жизнь, как и жители самого сердца крупного мегаполиса. Значит ли это, что мы можем избежать ловушек, которые ведут к непрерывному ускорению темпов жизни, сингулярностям конечного времени и перспективе краха? Неужели мы натолкнулись на путь, позволяющий разорвать порочный круг, в котором та же система, которая породила наш огромный социально-экономический рост в течение последних двухсот лет, может привести нас к окончательной гибели? Неужели нам наконец удастся поймать обоих зайцев?

Этот вопрос, очевидно, пока что остается без ответа. Действительно, имеются первые признаки проявления такой динамики, но они все еще чрезвычайно слабы. На самом деле подавляющее большинство тех, кто мог бы переехать из городов, не теряя тесной связи с центром событий, предпочитают этого не делать. Даже Кремниевая долина, бывшая преимущественно пригородной, проникла в центр Сан-Франциско, что создает напряженность между традиционной торговлей и бурными проявлениями высокотехнологичного образа жизни. Я не знаю специалистов по высоким технологиям, которые работали бы, уйдя от мира на горные вершины калифорнийской Сьерры. Подавляющее большинство из них предпочитает традиционный городской образ жизни. Города не пустеют, а, напротив, оживляются и растут, отчасти в связи с социальной привлекательностью общения в реальном времени.

Более того, мы считаем, что ничто не может сравниться с переменами, которые принесла информационная революция со всеми своими смартфонами, электронной почтой, текстовыми сообщениями, электронными социальными сетями и так далее. Представим себе, однако, что́ дала в XIX в. железная дорога, а в начале XX – изобретение телефона. До появления железной дороги люди по большей части за всю свою жизнь не отъезжали от своего дома дальше чем на 30 км, как вдруг оказалось, что из Лондона сравнительно легко доехать до Брайтона, а из Нью-Йорка – до Чикаго. Сообщения, доставка которых до изобретения телефона занимала несколько дней, недель или даже месяцев, теперь стали передаваться моментально. Эти перемены были поистине фантастическими. Их относительное влияние на нашу жизнь, в особенности в том, что касается ускорения ее темпов и изменения нашего восприятия пространства и времени, было более сильным, чем у нынешней информационной революции. Но они не привели к деурбанизации или уменьшению городов. Напротив, они вызвали их экспоненциальное расширение и развитие пригородов, ставших неотъемлемой частью городской жизни. Сохранится ли эта тенденция в нынешней парадигме, неизвестно, хотя я подозреваю, что жизнь так и будет продолжать ускоряться, а урбанизация так и останется господствующей силой по мере нашего приближения к грядущей сингулярности. Результаты этого движения во многом определят жизнеспособность нашей планеты.

Постскриптум и выражение благодарности

Поскольку эта книга охватывает такую большую и разнообразную область, при ее написании я столкнулся с одним неожиданным затруднением – проблемой выбора подходящего названия, которое выражало бы ее главную идею всего в нескольких словах или даже в половине «твита». Рассмотрев несколько довольно убогих вариантов – вроде «Размер все-таки важен», «Вверх и вниз по древу жизни» или «Мера всех вещей», – я остановился на несколько неясном названии «Масштаб», потому что именно это слово определяет объединяющую тему всей книги. Однако слово это может означать для разных людей совершенно разные вещи. Для одних оно связано с картами и схемами, для других – с музыкой, для третьих – со взвешиванием овощей или мяса, а еще для кого-то – и вовсе с отложениями на шероховатой поверхности[184]. Эти значения явно не имели отношения к теме книги, так что, дав ей заглавие «Масштаб», я был вынужден пуститься на поиски запоминающегося подзаголовка, который более ясно выражал бы то, что я имел в виду.

Пытаясь отразить более грандиозный образ масштаба («масштабы Вселенной»), я придумал следующий величественный подзаголовок: «Поиски простоты и единства в сложности жизни, от клеток до городов, от компаний до экосистем, от миллисекунд до тысячелетий». Это по меньшей мере отчасти выражало дух книги и, в частности, принципиально важные взаимоотношения между общей, «космической» перспективой и более конкретными проблемами «реального мира», которые я рассматривал. Но, хотя фраза эта получилась несколько громоздкой, она все равно не затрагивала многие из центральных аспектов книги, которые, по мнению Скотта Мойерса, моего редактора в издательстве Penguin Press, следовало подчеркнуть. В конце концов, рассмотрев несколько вариантов и различные предложения, которые выдвигали Скотт, мой редактор в британском издательстве Weidenfeld Пол Мерфи, моя жена Жаклин и мой агент Джон Брокман, я остановился на том подзаголовке, который вы видите на титульном листе: «Универсальные законы роста, инноваций, устойчивости и темпов жизни организмов, городов, экономических систем и компаний». Самое изобретательное заглавие придумал мой сын Джошуа, который преподает науки о Земле в Университете Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе. Он предложил заглавие-аббревиатуру: «SCALE: Size Controls All of Life’s Existence»[185].

Его вариант получился запоминающимся, до смешного преувеличенным и довольно хитроумным, но мне, к сожалению, не хватило наглости его использовать. Однако, если бы я его сохранил, его наверняка забраковали бы и Скотт, и Пол – и правильно сделали бы.

Я рассматривал все задачи, о которых идет речь в этой книге, в первую очередь с точки зрения физика-теоретика, языком которого является математика. Поэтому лейтмотивом всей книги была необходимость разработки более численной, вычислительной, обладающей предсказательной силой картины, основанной на фундаментальных принципах, которая дополняла бы традиционные, более качественные и описательные подходы, часто господствующие в работах по общественным, биологическим, медицинским и экономическим дисциплинам. Тем не менее во всей этой книге нет ни одного уравнения. Я очень серьезно воспринял предупреждение лорда Эрнеста Резерфорда, знаменитого первооткрывателя атомного ядра, «отца ядерного века», – «теория, которую вы не можете объяснить бармену, скорее всего, никуда не годится». Я не вполне убежден в его правоте, но принял близко к сердцу дух его высказывания. Поэтому я надеюсь, что мне в какой-то степени удалось сохранить рассуждения и объяснения на настолько неспециализированном уровне, чтобы пресловутому «разумному неспециалисту» было не слишком сложно понимать их. При этом я позволил себе некоторые поэтические вольности, излагая суть сложных технических или математических доказательств в простых обиходных выражениях, и надеюсь, что мои коллеги-ученые проявят снисходительность и извинят мне чрезмерные упрощения, неверные описания или недостаточную точность, где бы они ни встретились.

Задачи, вопросы и объяснения, представленные в этой книге, беззастенчиво подаются с моей личной точки зрения. Поэтому мою книгу нельзя считать ни энциклопедическим справочником, ни всеобъемлющим обзором существующей огромной литературы по затронутым в ней темам и проблемам. Ее главной целью было показать, что при рассмотрении мира, в котором мы живем, с точки зрения масштабирования подо всей его необычайной сложностью, разнородностью и беспорядочностью обнаруживаются поразительные единство и простота. Великие мыслители написали многие тома почти обо всем, чего касается эта книга, и само собой разумеется, я опирался на то, что многие поняли и проанализировали до меня. Там, где это было уместно, я старался отмечать их заслуги, но ни в коей мере не претендую на полноту упоминания всех, кто внес свой вклад в развитие тех идей и концепций, которые я рассматривал. Надеюсь, что я не задел этим слишком многих.

Многие из рассуждений и почти все примеры, использованные в книге, основаны на большой работе, в которой я интенсивно участвовал в течение последних двадцати с лишним лет совместно с группой необычайно одаренных коллег. Не все из тех больших тем и конкретных задач, которыми мы занимались, описаны одинаково подробно. Мне приходилось выбирать, и некоторые из них вообще не были упомянуты или были затронуты лишь мимоходом. Выбор конкретных тем и то, насколько глубоко они были рассмотрены, определялись отчасти их фундаментальной значимостью, отчасти их принадлежностью к важным темам, представляющим общий интерес, а отчасти моими собственными субъективными предпочтениями. На протяжении всей книги я делал больший упор на концептуальные основы общей картины и объяснение фундаментальных идей, нежели на углубление в подробности, хотя и старался не увиливать от более глубокого рассмотрения и раскрытия таких подробностей там, где это казалось мне необходимым. Поэтому, как и в самих наших исследованиях, в книге осталось много незавершенных тем и вопросов, оставшихся без ответа. Однако любопытному читателю не составит большого труда продолжить исследование очерченной мною области, если она его заинтересует, при помощи материалов, перечисленных в конце книги.

Я перемежал научные рассуждения рассказами о некоторых из тех, кто сыграл ключевую роль в развитии различных центральных концепций, играющих в этой книге важную роль. При этом я обращал особое внимание на выборку из нескольких замечательных людей, обладавших широким интеллектуальным кругозором и изменивших наши взгляды на мир, но не получивших заслуженного признания, иногда даже среди широкой научной общественности. Возможно, вы раньше не слышали имен Адольфа Кетле, Томаса Юнга и Уильяма Фруда. Я также включил в книгу несколько историй из собственной жизни, чтобы показать, как сам я пришел к размышлениям над некоторыми из этих задач, и в частности, как мое увлечение элементарными частицами, струнами, темной материей и эволюцией Вселенной сменилось попытками понимания клеток и китов, жизни и смерти, городов и глобальной устойчивости, а также причин смерти компаний.

Поворотной точкой этого перехода стало мое знакомство с выдающимся экологом и замечательным исследователем Джимом Брауном. В главе 3 я рассказывал о том, как произошла эта случайная встреча, как после этого началась моя многолетняя работа в Институте Санта-Фе и как все это привело к необычайному сотрудничеству, изменившему мою – и, как мне кажется, его – жизнь. Я также отмечал важнейшую роль Брайана Энквиста, который был тогда учеником Джима, а сейчас и сам стал маститым экологом. Брайан был первым из небольшого потока выдающихся молодых людей, которые присоединились к нашей «группе масштабирования» для работы над многими из задач, о которых говорится в следующих главах: в их число входили экологи Джейми Гиллули, Дрю Аллен и Цзо Веньюнь, физики Вэн Сэвидж, Хоу Чень, Алекс Герман и Крис Кемпес, а также специалист по информатике Мелани Мозес. Еще одним чрезвычайно важным членом нашей группы был известный биохимик Вуди Вудрафф, вышедший с тех пор на покой и вернувшийся к холмам своего родного штата Теннесси.

В главе 7 я рассказывал о том, как из группы масштабирования естественным образом выделилась «группа городов». На самом деле этот процесс начался в рамках гораздо более крупного проекта в области общественных наук под названием «Информационное общество как сложная система» (Information Society as a Complex System ISCOM), получившего щедрое финансирование Европейского союза. В этой работе участвовали итальянский статистик/экономист Дэвид Лэйн, голландский антрополог Сандер ван дер Леу и французский специалист по городской географии госпожа Дениз Пюман; все они являются видными авторитетами в своих областях. Я не думаю, чтобы эта работа могла быть выполнена без их изначального вклада, энтузиазма и поддержки. Почти всю работу по анализу функционирования городов, описанному в главах 7 и 8, выполнили молодые исследователи, физики Луис Беттанкур, Юн Хечжин и Дирк Хелбинг, специалисты по городской экономике Хосе Лобо и Дебби Струмски, антрополог Маркус Гамильтон, математик Мадлен Депп и инженер Маркус Шлепфер. В числе других сотрудников, участвовавших в нашей работе периодически, но также внесших в нее важный вклад и повлиявших на мои взгляды, были эколог Рик Чарнов, системный биолог Авив Бергман, физики Хенрик Йенсен, Мишель Жирван и Кристиан Кунерт, инвестиционный аналитик Эдуардо Вьегас и архитектор Карло Ратти, о котором я говорил в главе 8.

Мне поистине повезло в том, что все эти люди были моими сотрудниками, и я глубоко признателен каждому из них. Я специально подчеркиваю их профессиональную принадлежность, чтобы выделить широкий междисциплинарный характер этих проектов, который был необходим для серьезного изучения тем и задач, составляющих основу этой книги. Их индивидуальная и коллективная целеустремленность и страсть к глубокому пониманию и решению важных задач были фирменным знаком наших постоянных встреч и общения. Их глубокие вопросы и идеи, технический и концептуальный вклад, а также их готовность к участию в серьезных коллективных обсуждениях были ключевыми ингредиентами нашего успеха. Я уверен, что некоторые из них могут не согласиться с тем, как именно я представляю некоторые из результатов нашей работы, и заранее приношу свои извинения за те неудобства или затруднения, которые это может вызвать. Я принимаю на себя полную ответственность за любые ошибки или искажения.

Я рад сказать, что все наши молодые исследователи успешно продолжили свою карьеру в превосходных университетах, в которых они помимо прочего продолжают уже самостоятельно заниматься исследованиями такого рода. С точки зрения моих собственных контактов наибольшее значение имеют двое из них, Вэн Сэвидж и Луис Беттанкур. Вполне вероятно, это связано с тем, что оба они изучали теоретическую физику, так что нам с ними легко было найти общий язык. Луис, ставший теперь моим коллегой по Институту Санта-Фе, сыграл центральную роль в разработке теории городов, о чем довольно подробно рассказывается в главе 7. Вэн, пришедший в SFI постдокторантом, впоследствии перешел в Гарвард, а затем – в UCLA, где он стал ведущим специалистом по теории экологии. Я хотел бы упомянуть две из множества задач, над которыми мы с таким удовольствием работали вместе; в книге о них подробно не говорится, хотя обе эти задачи были интересными, трудными и очень важными. Одна из них касалась разработки численной теории сна, демонстрирующей, например, почему киты спят всего лишь по два часа в сутки, мыши по пятнадцать, а мы – около восьми. Мы с блестящим учеником Вэна Цао Цзюньюем недавно расширили эту теорию, включив в нее описание схемы сна у детей и младенцев и показав, что эта система дает важную информацию о раннем развитии мозга. Другая задача, над которой мы работали в сотрудничестве с Алексом Германом, заключалась в разработке первой численной теории роста, уровня метаболизма и сосудистой структуры опухолей, и мы надеемся, что эта работа приведет к созданию новых методик борьбы с раком.

Я, видимо, напрасно не привлек внимание к тому факту, что некоторые аспекты биологических исследований, о которых идет речь в главах 3 и 4, подвергались немалой критике. Это происходило несмотря на то – а может быть, именно в связи с тем, – что эта работа оказала большое влияние на других исследователей, как свидетельствуют многочисленные ссылки на нее в научной литературе, и привлекла к себе широкое внимание как в научной, так и в популярной печати, от Financial Times до New York Times. Множество посвященных ей публикаций появилось в крупных СМИ всего мира, в том числе и на телевизионных каналах от National Geographic до BBC. Журнал Nature даже говорил о «биологической теории всего» и утверждал, что «ее значение для биологии потенциально может сравниться со значением вклада Ньютона в физику» – характеристика чрезвычайно лестная, но, разумеется, сильно преувеличенная. В другой статье в том же журнале также говорилось, что «…эта теория объясняет столь многое, используя столь малые средства. Ее смелость и широта поражают воображение. Любая теория, кажущаяся настолько всеведущей, привлечет столько же ворчания сомневающихся, сколько и восхищенных вздохов. ‹…› Ни одна сопоставимая идея не может сравниться с нею, несмотря на ее неизбежные ограничения».

Работая над этой книгой, я принял стратегическое решение прямо не рассматривать «ворчание сомневающихся», а сосредоточиться на разъяснении сути. Одной из главных причин этого решения было то, что с нашей субъективной точки зрения никто из критиков не был достаточно убедительным. Некоторые из них просто ошибались, а некоторые сосредоточивались на каком-нибудь одном узком аспекте какой-нибудь конкретной системы, для которого часто существовали по меньшей мере столь же основательные альтернативные объяснения. Кроме того, почти все их сомнения касались исключительно уровня метаболизма у млекопитающих, причем они не замечали ни огромного охвата системы, ни того, что она предлагает единое экономное объяснение, основанное на фундаментальных принципах биологии, физики и геометрии, для гигантского спектра эмпирических зависимостей масштабирования. Нет нужды говорить, что такие критические возражения были рассмотрены и получили ответы в научной литературе, ссылки на которую приведены в книге.

Само собой разумеется и то, что чрезвычайно важную роль сыграла энергичная моральная и интеллектуальная поддержка и одобрение многих других коллег и друзей, совершенно необходимые для завершения этой книги, особенно в те моменты, когда мой собственный энтузиазм шел на убыль. Атмосфера и культурное многообразие, существующие в Институте Санта-Фе, идеально подходили для развития большинства идей, представленных в предыдущих главах. В разных местах книги рассказывается несколько историй из жизни SFI, и часть моего послесловия посвящена восхвалению его достоинств и объяснению причин, по которым я считаю, что его работа во многом предвещает то, какой будет наука в XXI в. Я в особенности признателен замечательной, энергичной Эллен Голдберг, убедившей меня перейти в SFI, президентом которого она тогда была. Этот шаг заново запустил отсчет моей интеллектуальной жизни. Существуя среди нескончаемого потока необыкновенных людей, находящихся на разных этапах своей карьеры, от студентов до нобелевских лауреатов, и представляющих самые разные сферы научной и культурной деятельности, я чувствовал себя как ребенок в кондитерской лавке.

В связи с этим я также хотел бы поблагодарить членов сообщества SFI в самом широком смысле этого слова, как поодиночке, так и всех вместе, за расширение моих научных горизонтов и их помощь, которая позволила мне начать разбираться в тонкостях и трудностях, связанных с изучением сложных адаптивных систем. Среди тех, кого я хотел бы особо упомянуть, Пабло Маркет, Джон Миллер, Мюррей Гелл-Манн, Хуан Перес-Меркадер, Дэвид Кракауэр, Кормак Маккарти, а также Билл Миллер и Майкл Мобуссин, соответственно, бывший и нынешний председатели попечительского совета SFI: все они в течение многих лет с неизменным энтузиазмом поддерживали и стимулировали мою деятельность. Я глубоко признателен и многим обязан всем им. В особенности я благодарен Кормаку за скрупулезную вычитку и редактирование моей рукописи, которую он исследовал до мельчайших подробностей, и его обширные комментарии, которые очень улучшили итоговый вариант книги. Хотя я принял большинство его рекомендаций относительно грамматики и построения предложений, я по-прежнему не согласен с его абсолютным неприятием точек с запятыми и восклицательных знаков, а также с его пристрастием к оксфордской запятой[186].

Помимо своих близких сотрудников я также должен выразить благодарность эклектичной группе людей, не занимающихся наукой, которые посчитали интересным то, что я могу сказать, и с энтузиазмом побуждали меня написать книгу для широкой публики. Именно их отзывы заставили меня переключить регистр и написать неспециальную, «научно-популярную» книгу, а не очередной труд, предназначенный для моих коллег по науке. Среди них были историк Ниалл Фергюсон, искусствовед и критик Ханс Ульрих Обрист, писатель и актер Сэм Шепард, основатель компании Amazon Джефф Безос и основатель корпорации Salesforce Марк Бениофф. Меня очень тронуло, когда Марк прислал мне большое изображение сфирот – традиционного символа каббалы, олицетворяющего духовное единство жизни, – и посоветовал мне медитировать над ним каждый день. Не могу сказать, чтобы я пунктуально следовал его совету, но, когда мне приходилось трудно, это изображение помогало мне не терять из виду главную цель. Я также должен особо поблагодарить замечательного Ричарда Вурмена, основоположника конференций TED, неустанно поддерживавшего мою работу с самым горячим энтузиазмом.

Хотя для теоретических исследований нужны – по меньшей мере метафорически – только карандаш и бумага, они уже невозможны без существенной финансовой поддержки. Мне посчастливилось получить финансирование из нескольких разных источников, как государственных, так и частных, обеспечившее возможность проведения многих из тех исследований, на которых основана эта книга. Я глубоко признателен Лос-Аламосской национальной лаборатории и Министерству энергетики США за поддержку моих исследовательских вылазок в область биологии в то время, когда я еще возглавлял программу по физике высоких энергий в этой лаборатории. В этот жизненно важный для моей работы начальный момент Национальный научный фонд предоставил мне скромный грант на исследования масштабирования в биологии. Я признателен Бобу Эйзенштейну, руководившему тогда отделением фонда, и Рольфу Синклеру, руководителю программы, за то, что они рискнули поддержать это направление исследований, бывшее в то время довольно непопулярным. В течение последующих лет NSF продолжал оказывать поддержку работам по биологии и распространил ее на некоторые из наших первых работ по городам. В этом большая заслуга прозорливого, неутомимого Крастана Благоева, который впоследствии создал и до сих пор проводит в жизнь специализированную программу под названием «Физика живых систем» (The Physics of Living Systems), направленную на изучение важных задач, находящихся на стыке традиционных дисциплин.

Значительная помощь поступала и из негосударственных источников, в том числе из Hewlett Foundation, Rockefeller Foundation, Bryan and June Zwan Foundation и в особенности из благотворительного треста Юджина и Клер Тоу. Джин Тоу оказал необычайно щедрую помощь и в наших исследованиях, и, что не менее важно, в написании этой книги. У меня сложились совершенно особые отношения со сменявшими друг друга директорами треста, от его основоположницы Сьюзан Хертер до Шерри Томпсон и Кэти Флэнеган. Джин – замечательный человек, джентльмен старой закалки, носящий шейные платки и твидовые пиджаки, человек исключительной культуры, который действительно заботится о судьбе мира. Он широко известен как коллекционер и критик произведений искусства, а также галерист и давний и энергичный покровитель искусств. На будущий год ему исполняется девяносто, и нью-йоркская Библиотека-музей Моргана будет целиком отдана под выставку его замечательной коллекции рисунков, от Пиранези и Рембрандта до Сезанна и Пикассо, а Метрополитен-музей будет выставлять его несравненную коллекцию искусства и изделия американских индейцев. Со страстью Джина к опере и искусству может сравниться только его страстный интерес к экологии и вопросам глобальной устойчивости, и именно в этом контексте он вызвался спонсировать наши исследования. Из всех, кого я знаю, он ближе всего подходит к образу классического мецената: его поддержка моей научной программы дала мне полную свободу исследовать при написании этой книги все, чего только могли пожелать мое воображение и мое любопытство. Мне доставляет большое удовольствие поблагодарить его за щедрость и терпение.

Эта книга не была бы написана не только без постоянной поддержки треста Тоу, но и без призывов и уговоров моего неутомимого агента Джона Брокмана. Я до сих пор не вполне понимаю, почему он был настолько уверен, что мне следует написать книгу. Это была долгая эпопея, на всем протяжении которой Джон, а затем его сын Макс, помогали мне, и я чрезвычайно благодарен им за эту поддержку. Джон мягко заставил меня написать исходную заявку на книгу, которую я в конце концов закончил в имении Фонда Рокфеллера в итальянском городе Белладжо. Там царила именно та атмосфера, которая была мне нужна, и я чрезвычайно признателен фонду за то, что мы с моей женой Жаклин смогли провести там исключительно продуктивный месяц. Хотя обычно Фонд Рокфеллера не поддерживает фундаментальные исследования, он также предоставил очень щедрое финансирование нашей работы по изучению городов. Президент фонда Джудит Родин оказала нам большую поддержку, но особо следует поблагодарить Бенджамина де ла Пенья, который был ответственным за нашу программу и боролся за нас.

Эта книга вряд ли была бы завершена – и уж точно была бы гораздо менее вразумительной, – если бы не Скотт Мойерс, мой чудесный редактор в издательстве Penguin Press. Он неустанно трудился на мое благо, оставаясь редактором неизменно воодушевляющим, неизменно вдумчивым и неизменно деликатным, даже когда критиковал меня… а также поразительно терпеливым и сочувственным. Наверняка он пришел в ужас, когда книга разрослась с предполагавшихся скромных размеров до чего-то гигантского, и сроки ее завершения растянулись в два раза. Его скрупулезное до мельчайших подробностей редактирование рукописи, его точные вопросы и мудрые советы оказали мне неоценимую помощь. Скотт, никакие слова не в силах выразить мою благодарность. Все остальные сотрудники Penguin Press также были чудесны: Кристофер Ричардс и Кьяра Барроу, которым помогала Теа Трафф из журнала New Yorker, сыграли важнейшую роль в организации всех моих беспорядочных иллюстраций и правок.

Наконец, я с огромным удовольствием благодарю членов своей семьи за поддержку и невероятное терпение в течение всего этого долгого процесса. Наши чудесные дети Джошуа и Девора постоянно болели за меня, подбадривая меня каждый раз, когда я терял мяч, и бурно празднуя каждый редкий гол. Я уверен, что теперь, когда эта книга осталась позади, они вздохнут с облегчением. Самая глубокая признательность причитается моей необыкновенной жене Жаклин, которая была и остается моим товарищем по душе, духу и разуму не только во время написания этой книги, но и на протяжении всего нашего замечательного совместного пути, длящегося уже почти пятьдесят пять лет, – и что это за прекрасный путь! Ее честность, ум и глубокая любовь являются главной опорой нашей совместной жизни и придают существованию смысл, который дополняют лишь вечные поиски знания.

Примечания

1

Эту величину, как известно, очень трудно оценить; диапазон возможных значений составляет от 5 млн до триллиона. По последней оценке, это число составляет 8,7 млн. См.: Camilo Mora et al. How Many Species Are There on Earth and in the Ocean? // PLOS Biology. 2011. Aug. 23. 9 (8). e1001127. – Здесь и далее, если не указано иное, прим. автора.

2

Хотя ватт (Вт) – всем известная единица измерения, понимание ее значения вызывает у многих затруднения. К сожалению, ее часто воспринимают как единицу измерения энергии, в то время как на самом деле в ваттах измеряют мощность, то есть скорость использования или производства энергии за единицу времени. Энергия измеряется в джоулях (Дж), а 1 ватт попросту равен 1 джоулю в секунду. Поскольку в часе содержится 3600 секунд, стоваттная лампочка потребляет в час 360 000 Дж. В квитанциях оплаты электроэнергии потребление энергии за предыдущий месяц обычно выражают в киловатт-часах (один киловатт равен 1000 Вт). Например, стоваттная лампочка, оставленная включенной на час, потребляет 0,1 кВт×ч.

3

Масштабирование уровня метаболизма впервые предложил Макс Клайбер. См.: M. Kleiber. Body Size and Metabolism. Hilgardia. 1932. 6. P. 315–351. Представленный на рисунке график основан на датах, приведенных в работе: F. G. Benedict. Vital Energetics: A Study in Comparative Basal Metabolism. Washington, DC: Carnegie Institute of Washington, 1938.

4

H. J. Levine. Rest Heart Rate and Life Expectancy // Journal of the American College of Cardiology. 1997. 30 (4). P. 1104–1106.

5

L. M. A. Bettencourt, J. Lobo and D. Strumsky. Invention in the City: Increasing Returns to Patenting as a Scaling Function of Metropolitan Size // Research Policy. 2007. 36. P. 107–120.

6

Результаты Л. М.А. Беттанкура и Дж. Б. Уэста, полученные на основе данных, предоставленных профессором Ф. Швайцером из Швейцарского федерального политехнического института (ETH) в Цюрихе. Каждая точка соответствует значению, усредненному по приблизительно одинаковому числу компаний. Более подробный вариант этого графика, содержащий данные более чем 30 000 котирующихся на бирже американских компаний, приведен на рис. 60–63 в гл. 9.

7

Следует учесть, что во всем тексте этой книги термин «социальные сети» обозначает не только и не столько интернет-сообщества наподобие Facebook или Twitter, сколько все сети социальных взаимодействий в целом, в первую очередь в «реальной жизни». – Прим. перев.

8

Хороший источник подробной статистики по городам и урбанизации – отчеты ООН. См., например, публикацию «Мировые перспективы урбанизации» (World Urbanization Prospects), https://esa.un.org/unpd/wup/Publications/Files/WUP2014-Highlights.pdf.

9

Пс. 89: 10.

10

Montgomery Ward (1972–2001) – одна из первых и наиболее успешных компаний розничной торговли по почте. TWA (1924–2001) – крупнейшая американская авиакомпания. Studebaker (1852–1967) – американская автомобильная компания. Lehman Brothers (1850–2008) – четвертый по величине инвестиционный банк в США. – Прим. перев.

11

Возможно, следует напомнить, что пищевой калорией (или большой калорией) сейчас принято называть, строго говоря, килокалорию, равную тысяче «малых калорий», или 4184 Дж. – Прим. перев.

12

Строго говоря, Второе начало термодинамики утверждает невозможность вечного двигателя второго рода, то есть машины, превращающей в работу все тепло, извлекаемое из окружающих тел. – Прим. ред.

13

Grim Reaper – «беспощадный (или мрачный) жнец» – расхожий в английском языке образ смерти, обычно изображаемой в виде скелета с косой. – Прим. перев.

14

И между прочим, в получении нескольких Нобелевских премий.

15

Интервью со Стивеном Хокингом приводится в статье: Unified Theory Is Getting Closer, Hawking Predicts // San Jose Mercury News. 2000. Jan. 23. www.mercurycenter.com/resources/search.

16

Освещению создаваемой сейчас теории сложности посвящено довольно много популярных книг, в том числе: M. Mitchell. Complexity: A Guided Tour. N. Y.: Oxford University Press, 2008; M. M. Waldrop. Complexity: The Emerging Science at the Edge of Order and Chaos. N. Y.: Simon & Schuster, 1993; J. Gleick. Chaos: Making a New Science. N. Y.: Viking Penguin, 1987; S. A. Kauffman. At Home in the Universe: The Search for the Laws of Self-Organization and Complexity. Oxford, UK: Oxford University Press, 1995; J. H. Miller. A Crude Look at the Whole: The Science of Complex Systems in Business, Life, and Society. N. Y.: Basic Books, 2016.

17

Читателю, знакомому с математикой степенных законов, должно быть известно, что степенной закон с показателем ¾, строго говоря, означает, что при удвоении размеров уровень метаболизма должен увеличиваться в 23/4 раза, то есть умножаться на 1,68. Это соответствует увеличению на 68 %, что несколько меньше указанного увеличения на 75 %. При представлении подобных иллюстративных примеров во всем тексте этой книги я пренебрегаю этой неточностью ради простоты изложения.

18

Сводки различных аллометрических законов масштабирования в биологии приведены в нескольких превосходных работах. Среди них можно назвать: W. A. Calder. Size, Function and Life History. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1984; E. L. Charnov. Life History Invariants. Oxford, UK: Oxford University Press, 1993; T. A. McMahon and J. T. Bonner. On Size and Life. N. Y.: Scientific American Library, 1983; R. H. Peters. The Ecological Implications of Body Size. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1986; K. Schmidt-Nielsen. Why Is Animal Size So Important? Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1984.

19

Эти идеи первоначально были высказаны в работе: G. B. West, J. H. Brown and B. J. Enquist. A General Model for the Origin of Allometric Scaling Laws in Biology // Science. 1997. 276. P. 122–126. Нематематические обзоры общей теории и ее следствий можно найти здесь: G. B. West and J. H. Brown. The Origin of Allometric Scaling Laws in Biology from Genomes to Ecosystems: Towards a Quantitative Unifying Theory of Biological Structure and Organization // Journal of Experimental Biology. 2005. 208. P. 1575–1592; G. B. West and J. H. Brown. Life’s Universal Scaling Laws // Physics Today. 2004. 57. P. 36–42. В соответствующих местах следующих глав приводятся ссылки на различные технические статьи, посвященные конкретным уточнениям и ответвлениям этой общей основы.

20

Городской системой здесь и далее называется не система, существующая в каком-либо городе, а система городов страны. – Прим. перев.

21

Эти результаты более подробно изложены в фундаментальной статье: L. M. A. Bettencourt et al. Growth, Innovation, Scaling, and the Pace of Life in Cities // Proceedings of the National Academy of Science USA. 2007. 104. P. 7301–7306. Ссылки на последующие работы, касающиеся конкретных более узких тем, приводятся в соответствующих местах следующих глав. Краткие обзоры этого вопроса можно найти: L. M. A. Bettencourt and G. B. West. A Unified Theory of Urban Living // Nature. 2010. 467. P. 912, 913; Bigger Cities Do More with Less // Scientific American. 2011. Sept. 52, 53.

22

M. I. G. Daepp et al. The Mortality of Companies // Journal of the Royal Society Interface. 2015. 12. 20150120.

23

Заглавие этой книги часто приводят в сокращенном виде: «Беседы о двух новых науках». Здесь цит. по изданию: Галилей Г. Избранные труды. В 2 т. / Перевод С. Н. Долгова. М.: Наука, 1964.

24

Цитата из Эйнштейна заслуживает того, чтобы привести ее целиком, так как в ней подчеркивается основополагающий принцип точных наук: «Положения, полученные при помощи чисто логических средств, при сравнении с действительностью оказываются совершенно пустыми. Именно потому, что Галилей сознавал это, и особенно потому, что он внушал эту истину ученым, он является отцом современной физики и, фактически, современного естествознания вообще». (Цит. по: Эйнштейн А. О методе теоретической физики // Собрание научных трудов. М.: Наука, 1967. Т. 4. С. 182.)

25

Галилей Г. Указ. соч., с. 216, 217.

26

Галилей Г. Указ. соч., с. 217.

27

J. Shuster and J. Siegel. Superman. Action Comics. 1938. 1.

28

Около 200 м. – Прим. ред.

29

Отметим для любителей математики, что это вызвано тем, что (10^1)3/2 = 31,6, а (10^2)3/2 = 1000.

30

Строго говоря, речь идет о тангенсе угла наклона этой прямой, то есть отношении вертикального приращения к горизонтальному. – Прим. перев.

31

Источник: M. H. Lietzke. Relation Between Weightlifting Totals and Body Weight // Science. 1956. 124. P. 486.

32

L. J. West, C. M. Pierce and W. D. Thomas. Lysergic Acid Diethylamide: Its Effects on a Male Asiatic Elephant // Science. 1962. 138. P. 1100–1102.

33

Руководство по дозировке тайленола для детей можно найти по адресу: www.tylenol.com/children-infants/safety/dosage-charts (проверено 25 сентября 2016 г.). По дозировке для младенцев см.: www.babycenter.com/0_acetaminophen-dosage-chart_11886.bc (проверено 25 сентября 2016 г.).

34

См., например: Alex Pentland. Social Physics: How Good Ideas Spread – The Lessons from a New Science. N. Y.: Penguin Press, 2014.

35

В сети имеется множество общедоступных калькуляторов ИМТ, позволяющих с легкостью определить ваше значение этого показателя. Вот, например, приложение, которое предлагают Национальные институты здравоохранения США (NIH): www.nhlbi.nih.gov/health/educational/lose_wt/BMI/bmicalc.htm.

36

См. например: T. Samaras. Human Body Size and the Laws of Scaling. N. Y.: Nova Science Publishers, 2007.

37

G. B. West. The Importance of Quantitative Systemic Thinking in Medicine // Lancet. 2012. 379 (9825). P. 1551–1559.

38

Второе место по распространенности занимает пятифутовая, или «русская», колея шириной 1520–1524 мм. Этот размер является стандартом в странах бывшего СССР, Финляндии и Монголии. – Прим. перев.

39

Увлекательнейший обзор истории развития пароходов в XIX столетии, и в частности той эпохальной роли, которую сыграл в ней Брюнель, можно найти в книге: Stephen Fox. The Ocean Railway. N. Y.: Harper-Collins, 2004.

40

Barry Pickthall. A History of Sailing in 100 Objects. L.: Bloomsburg Press, 2016.

41

Вся замечательная история корабля «Ваза» от его проектирования до катастрофического первого выхода в море и чудесного обретения показана самым блестящим образом в специально построенном музее, расположенном в центре Стокгольма, вблизи от места, в котором это судно затонуло. Поднятый со дна корабль очистили и полностью восстановили до его исходного великолепного состояния. Этот прекрасный музей, ставший одной из главных достопримечательностей Швеции, непременно следует посетить любому туристу, попавшему в Стокгольм.

42

В великолепной серии книг Р. Фейнмана, Р. Б. Лейтона и М. Сэндса «Фейнмановские лекции по физике», Boston: Addison-Wesley, 1964 (первое русское издание – М.: Мир, 1965. – Перев.), содержится превосходное, хотя и в первую очередь техническое, обсуждение уравнения Навье – Стокса.

43

Lord Rayleigh. The Principle of Similitude // Nature. 1915. 95. P. 66–68.

44

John Horgan. The End of Science: Facing the Limits of Science in the Twilight of the Scientific Age. N. Y.: Broadway Books, 1996.

45

Erwin Schrödinger. What Is Life? Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1944. (Впервые на русском языке книга вышла в переводе А. А. Малиновского в 1947 г.; сейчас доступны и позднейшие переиздания. – Прим. перев. и ред.)

46

Вступительное слово Стива Джобса на церемонии вручения дипломов Стэнфордского университета 12 июня 2005 г.

47

Чаще всего цитируется по сокращенному изданию: D’A. W. Thompson. On Growth and Form. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1961.

48

M. Kleiber. Body Size and Metabolism // Hilgardia. 1932. 6. P. 315–351.

49

Помимо упомянутых выше источников см.: G. B. West, J. H. Brown and W. H. Woodruff. Allometric Scaling of Metabolism from Molecules and Mitochondria to Cells and Mammal // Proceedings of the National Academy of Science. 2002. 99. P. 2473; V. M. Savage et al. The Predominance of Quarter Power Scaling in Biology // Functional Ecology. 2004. 18. P. 257–282.

50

Классическая работа Хаксли, впервые опубликованная в 1922 г., недавно была перепечатана: Julian Huxley. Problems of Relative Growth. N. Y., Dover, 1972. Знаменитое эссе Дж. Б. С. Холдейна «О правильном размере» (On Being the Right Size) вышло в журнале Harper’s Magazine за март 1926 г. Его можно найти по адресу: http://irl.cs.ucla.edu/papers/right-size.html.

51

Так традиционно, по наследству от первых переводов его книг, выполненных в XIX в., передается его фамилия по-русски. Современный вариант, используемый для передачи фамилии Джулиана и Олдоса, более точен. На самом деле все члены описываемой семьи носили, конечно, одну и ту же фамилию – Huxley. – Прим. перев.

52

См. процитированный выше источник.

53

J. H. Brown. Macroecology. Chicago: University of Chicago Press, 1995.

54

S. Brenner. Life’s Code Script // Nature. 2012. 482. P. 461.

55

Два недавних обсуждения, призывающие к большей интеграции в биологию и экологию более теоретических подходов, можно найти в работах: P. A. Marquet et al. On Theory in Ecology // Bioscience. 2014. 64. P. 701; D. C. Krakauer et al. The Challenges and Scope of Theoretical Biology // Journal of Theoretical Biology. 2011. 276. P. 269–276.

56

Этот подход был впервые подробно описан в статье: G. B. West, J. H. Brown and B. J. Enquist. A General Model for the Origin of Allometric Scaling Laws in Biology // Science. 1997. 276. P. 122. Сравнительно популярные обзоры можно найти в работах: G. B. West and J. H. Brown. The Origin of Allometric Scaling Laws in Biology from Genomes to Ecosystems: Towards a Quantitative Unifying Theory of Biological Structure and Organization // Journal of Experimental Biology. 2005. 208. P. 1575–1592; G. B. West and J. H. Brown. Life’s Universal Scaling Laws // Physics Today. 2004. 57. P. 36–42; J. H. Brown et al. Toward a Metabolic Theory of Ecology // Ecology. 2004. 85. P. 1771–1789.

57

Физиологи разбивают аорту на несколько частей (восходящую часть аорты, дугу аорты, грудную аорту и т. д.).

58

G. B. West, J. H. Brown and B. J. Enquist. A General Model for the Structure and Allometry of Plant Vascular Systems // Nature. 1999. 400. P. 664–667.

59

Подробное традиционное описание физиологии систем кровообращения можно найти в работах: C. G. Caro et al. The Mechanics of Circulation. Oxford, UK: Oxford University Press, 1978; Y. C. Fung. Biodynamics: Circulation. N. Y.: Springer-Verlag, 1984.

60

Andrew Robinson. The Last Man Who Knew Everything: Thomas Young, the Anonymous Polymath Who Proved Newton Wrong, Explained How We See, Cured the Sick, and Deciphered the Rosetta Stone, Among Other Feats of Genius. N. Y.: Pi Press, 2006.

61

До бесконечности (лат.). Это отрывок из написанной в 1733 г. «Рапсодии о поэзии» (On Poetry: A Rapsody). Блохам и прочим паразитам Свифт уподобляет критиков и завистников. – Прим. перев.

62

Есть, однако, один нюанс, связанный с тем, что часть дерева составляет омертвевшая древесина, не участвующая в гидродинамических процессах течения жидкостей по его ветвям, хотя и играющая важную роль в его биомеханике. Теория показывает, что это обстоятельство не изменяет того факта, что объем активной сети линейно масштабируется с изменением массы дерева.

63

B. B. Mandelbrot. The Fractal Geometry of Nature. San Francisco: W. H. Freeman, 1982. (Первое русское издание: Мандельброт Бенуа Б. Фрактальная геометрия природы / Пер. с англ. А. Р. Логунова. М.: Институт компьютерных исследований, 2002.)

64

Особенно с учетом того, что Ричардсон, хоть и не брал в руки оружия, значительную часть войны провел на Западном фронте в составе добровольческой санитарной службы, организованной Обществом друзей (то есть квакеров). – Прим. перев.

65

Превосходный обзор свершений Ричардсона и ссылки на соответствующие источники можно найти в книге: Anatol Rapaport. Lewis F. Richardson’s Mathematical Theory of War. University of Michigan Library. Доступна по адресу: https://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/handle/2027.42/67679/10.1177_002200275700100301.pdf?sequence=2.

66

L. F. Richardson. Statistics of Deadly Quarrels / ed. Q. Wright and C. C. Lienau. Pittsburgh: Boxwood Press, 1960.

67

См., например: A. Clauset, M. Young and K. S. Cleditsch. On the Frequency of Severe Terrorist Events // Journal of Conflict Resolution. 2007. 51 (1). P. 58–87.

68

L. F. Richardson. General Systems Yearbook. 1961. 6. P. 139.

69

Benoit Mandelbrot. How Long Is the Coast of Britain? Statistical Self-Similarity and Fractional Dimension // Science. 1967. 156. P. 636–638.

70

См., например: Rosario N. Mantegna and H. Eugene Stanley. An Introduction to Econophysics: Correlations and Complexity in Finance. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1999.

71

См., например: J. B. Bassingthwaighte, L. S. Liebovitch and B. J. West. Fractal Physiology. N.Y.: Oxford University Press, 1994.

72

Mandelbrot. The Fractal Geometry of Nature.

73

См., например: Manfred Schroeder. Fractals, Chaos, Power Laws: Minutes from an Infinite Paradise. N. Y.: W. H. Freeman, 1991.

74

G. B. West, J. H. Brown and B. J. Enquist. The Fourth Dimension of Life: Fractal Geometry and Allometric Scaling of Organisms // Science. 1999. 284. P. 1677–1679.

75

M. A. F. Gomes. Fractal Geometry in Crumpled Paper Balls // American Journal of Physics. 1987. 55. P. 649–650.

76

G. B. West, W. H. Woodruff and J. H. Brown. Allometric Scaling of Metabolic Rate from Molecules and Mitochondria to Cells and Mammals // Proceedings of the National Academy of Science. 2002. 99. P. 2473–2478.

77

G. B. West, J. H. Brown and B. J. Enquist. A General Model for Ontogenetic Growth // Nature. 2001. 413. P. 628–631.

78

G. B. West, J. H. Brown and B. J. Enquist. A General Quantitative Theory of Forest Structure and Dynamics // Proceedings of the National Academy of Science. 2009. 106. P. 7040; B. J. Enquist, G. B. West and J. H. Brown. Extensions and Evaluations of a General Quantitative Theory of Forest Structure and Dynamics // Proceedings of the National Academy of Science. 2009. 106. P. 7040.

79

C. Hou et al. Energetic Basis of Colonial Living in Social Insects // Proceedings of the National Academy of Science. 2010. 107 (8). P. 3634–3638.

80

A. B. Herman, V. M. Savage and G. B. West. A Quantitative Theory of Solid Tumor Growth, Metabolic Rate and Vascularization // PLoS ONE. 2011. 6. e22973.

81

Van M. Savage, Alexander B. Herman, Geoffrey B. West and Kevin Leu. Using Fractal Geometry and Universal Growth Curves as Diagnostics for Comparing Tumor Vasculature and Metabolic Rate with Healthy Tissue and for Predicting Responses to Drug Therapies, Discrete Continuous // Dynamical Systems Series B. 2013. 18 (4).

82

G. B. West, J. H. Brown and B. J. Enquist. A General Model for the Structure and Allometry of Plant Vascular Systems // Nature. 1999. 400. P. 664–667; B. J. Enquist et al. Allometric Scaling of Production and Life-History Variation in Vascular Plants // Nature. 1999. 401. P. 907–911.

83

Цит. по: Max Jammer. Einstein and Religion. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1999.

84

J. F. Gillooly et al. Effects of Size and Temperature on Metabolic Rate // Science. 2001. 293. P. 2248–2251; J. F. Gillooly et al. Effects of Size and Temperature on Developmental Time // Nature. 2002. 417. P. 70–73.

85

Из вступления к фильму Ингмара Бергмана «Час волка», 1968.

86

Из письма к Ричарду Бентли от 10 декабря 1692 г. Цит. по: Четыре письма сэра Исаака Ньютона доктору Бентли, содержащие некоторые доказательства существования Бога / Перевод Ю. А. Данилова // Вопросы истории естествознания и техники. 1993. № 1. С. 33–39.

87

Эмма Морано умерла 15 апреля 2017 г. в возрасте 117 лет и 137 дней. – Прим. перев.

88

См., например: Claudia Dreifus. A Conversation with Nir Barzilai: It’s Not the Yogurt; Looking for Longevity Genes // New York Times. February 24, 2004.

89

T. B. Kirkwood. A Systematic Look at an Old Problem // Nature. 2008. 451. P. 644–647; Geoffrey B. West and Aviv Bergman. Toward a Systems Biology Framework for Understanding Aging and Health Span // Journal of Gerontology. 2009. 64. P. 2.

90

H. Bafitis and F. Sargent. Human Physiological Adaptability Through the Life Sequence // Journal of Gerontology. 1977. 32 (4). P. 210, 402.

91

H. J. Levine. Rest Heart Rate and Life Expectancy // Journal of American College of Cardiology. 1997, Oct. 30 (4). P. 1104–1106. См. также: M. Y. Azbel. Universal Biological Scaling and Mortality // Proceedings of the National Academy of science. 1994. 91. P. 12453–12457.

92

A. T. Atanasov. The Linear Allometric Relationship Between Total Metabolic Energy per Life Span and Body Mass of Mammals // Bulgarian Journal of Veterinary Medicine. 2006. 9 (3). P. 159–174.

93

T. McMahon and J. T. Bonner. On Size and Life. N. Y.: Scientific American Books – W. H. Freeman & Co., 1983.

94

J. F. Gillooly et al. Effects of Size and Temperature on Metabolic Rate // Science. 2001. 293. P. 2248–2251; J. F. Gillooly et al. Effects of Size and Temperature on Developmental Time // Nature. 2002. 417. P. 70–73.

95

R. L. Walford. Maximum Life Span. N. Y.: W. W. Norton, 1983; R. L. Walford. The 120-Year Diet. N. Y.: Simon & Schuster, 1986.

96

E. Glaeser. The Triumph of the City. N. Y.: Penguin Books, 2012. (Глейзер Э. Триумф города. Как наше величайшее изобретение делает нас богаче, умнее, экологичнее, здоровее и счастливее / Пер. с англ. И. Кушнаревой. М.: Изд-во Ин-та Гайдара, 2014.)

97

L. M. A. Bettencourt and G. B. West. A Unified Theory of Urban Living // Nature. 2010. 467. P. 21, 912.

98

Подробную информацию по этому вопросу можно найти в следующих двух превосходных книгах: G. Clark. A Farewell to Alms: A Brief Economic History of the World. Princeton, NJ: Princeton University Press, 2008 и I. Morris. The Measure of Civilization: How Social Development Decides the Fate of Nations. Princeton, NJ: Princeton University Press, 2013. В них обеих высказываются резкие и небесспорные суждения.

99

An Essay on Principle of Population. Первое русское издание в переводе П. А. Бибикова: СПб.: Типография И. И. Глазунова, 1868.

100

P. Ehrlich. The Population Bomb. N. Y.: Ballantine Books, 1968.

101

D. Meadows et al. The Limits to Growth. N. Y.: Universe Books, 1972. (Русский перевод второго издания: Медоуз Д. Х. и др. Пределы роста / Пер. с англ. А. С. Саркисова. М.: Изд-во МГУ, 1991.)

102

J. Simon. The Ultimate Resource. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1981. (Саймон Д. Неисчерпаемый ресурс. Перевод Б. С. Пинскера. Челябинск: Социум, 2005.)

103

P. M. Romer. The Origins of Endogenous Growth // Journal of Economic Perspectives. 1994. 8 (1). P. 3–22.

104

Из сборника «Одинокий странник», перевод М. В. Немцова.

105

J. Moore. Predators and Prey: A New Ecology of Competition // Harvard Business Review. 1993. 71 (3). P. 75.

106

Итоги этой программы подводятся в сборнике под редакцией Д. Лэйна и др.: D. Lane et al. Complexity Perspectives in Innovation and Social Change. Berlin: Springer-Verlag, 2009.

107

Перевод Ю. Б. Корнеева.

108

Jane Jacobs. The Death and Life of Great American Cities. N. Y.: Random House, 1961. (Джекобс Д. Смерть и жизнь больших американских городов / Пер. с англ. Л. Мотылева. М.: Новое издательство, 2011. Цитируется по этому изданию.)

109

В разговорном английском слово square (квадрат, квадратный) используется также в значении «занудный», «неинтересный», «банальный», особенно в применении к людям. – Прим. перев.

110

Нью-йоркский район SoHo не имеет никакого отношения к (почти) одноименному Soho в Лондоне: его название – это сокращение выражения South of Houston Street, то есть «к югу от Хаустон-стрит». – Прим. перев.

111

Чем больше все меняется, тем больше все остается по-старому (фр.).

112

Интервью Биллу Штайгервальду, опубликованное в журнале Reason за июнь 2001 г.

113

B. Barber. If Mayors Ruled the World: Dysfunctional Nations, Rising Cities. New Haven, CT: Yale University Press, 2013.

114

B. Bryson. Down Under. N. Y.: Doubleday, 2000.

115

См., например: L. Mumford. The City in History: Its Origins, Its Transformations, and Its Prospects. N. Y.: Harcourt, Brace & World, 1961.

116

C. Kuhnert, D. Helbing and G. B. West. Scaling Laws in Urban Supply Networks // Physica A. 2006. 363 (1). P. 96–103.

117

Все дискуссии о городах неизбежно спотыкаются об один и тот же важный вопрос: как определить, что такое город? Все мы интуитивно понимаем, что обозначает это слово, но для численного анализа нам требуется несколько более точное определение. В общем случае город в том смысле, в котором я использую это слово, не следует считать соответствующим его политическому или административному определению. Например, численность населения Сан-Франциско, по официальным данным, составляет всего около 850 тысяч человек, в то время как прилегающая к нему городская агломерация насчитывает около 4,6 млн жителей. С точки зрения динамики, роста и социально-экономической структуры очевидно, что «город Сан-Франциско» определяет именно эта агломерация, как и в случае любого другого города. В нее обычно входят пригороды и другие населенные пункты, имеющие собственные названия, но функционально являющиеся частью сети большого города. Такое положение дел повсеместно признается большинством урбанистов, администраторов и правительств, которые вводят в оборот более широкие категории, дающие более реалистичное представление о «городах». Например, в США такие функциональные агломерации называют «городскими статистическими районами» (Metropolitan Statistical Area, MSA), в Японии – «городскими районами», а в Европе – «крупными городскими зонами» (Large Urban Zone, LUZ). К сожалению, общего определения так и не существует, и поэтому при сравнении данных разных стран следует действовать с известной осторожностью. Почти все данные, использованные при построении графиков масштабирования, основаны на таких функциональных определениях городов.

118

L. M. A. Bettencourt et al. Growth, Innovation, Scaling, and the Pace of Life in Cities // Proceedings of the National Academy of Science. 104 (2007). P. 7301–7306.

119

См., например: B. Wellman and S. D. Berkowitz. Social Structures: A Network Approach Sciences. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1988; M. Granovetter. The Strength of Weak Ties: A Network Theory Revisited // Sociological Theory. 1983. 1. P. 201–233, P. V. Marsden and N. Lin, eds. Social Structure and Network Analysis. Thousand Oaks, CA: Sage, 1982; Claude Fischer. To Dwell Among Friends: Personal Networks in Town and City. Chicago: University of Chicago Press, 1982; R. Sampson. Local Friendship Ties and Community Attachment in Mass Society: A Multilevel Systemic Model // American Sociological Review. 1988.

120

M. Batty and P. Longley. Fractal Cities: A Geometry of Form and Function. Cambridge, MA: Academic Press, 1994; M. Batty. Cities and Complexity. Cambridge, MA: MIT Press, 2005.

121

M. Batty. The New Science of Cities. Cambridge, MA: MIT Press, 2014.

122

См., например: A.-L. Barabási. Linked: The New Science of Networks. N. Y.: Perseus Books Group, 2002; M. E. J. Newman. Networks: An Introduction. Oxford, UK: Oxford University Press, 2010.

123

Stanley Milgram. The Individual in a Social World: Essays and Experiments. London: Pinter & Martin, 1997.

124

D. J. Watts. Six Degrees: The Science of a Connected Age. N. Y.: W. W. Norton, 2004.

125

S. H. Strogatz et al. Theoretical Mechanics: Crowd Synchrony on the Millennium Bridge // Nature. 2005. 438. P. 43–44.

126

Из которой получилась увлекательнейшая книга: S. H. Strogatz. The Joy of X: A Guided Tour of Mathematics, from One to Infinity. N. Y.: Houghton Mifflin Harcourt, 2013. (Строгац С. Удовольствие от х. М.: МИФ, 2014.)

127

P. Zimbardo. The Lucifer Effect: Understanding How Good People Turn Evil. N. Y.: Random House, 2007.

128

S. Milgram. The Experience of Living in Cities // Science. 1970. 167. P. 1461–1468.

129

R. I. M. Dunbar. How Many Friends Does One Person Need?: Dunbar’s Number and Other Evolutionary Quirks. L.: Faber & Faber, 2010.

130

R. I. M. Dunbar and S. Shultz. Evolution in the Social Brain // Science. 2007. 317 (5843). P. 1344–1347.

131

G. K. Zipf. Human Behavior and the Principle of Least Effort. Boston: Addison-Wesley, 1949.

132

По данным Национального корпуса русского языка (www.ruscorpora.ru), первые три места в частотной таблице текстов на русском языке занимают слова «и», «в» и «не». – Прим. перев.

133

По всей видимости, этот же закон в разное время неоднократно открывали разные люди. В приложении к частоте появления слова в тексте его впервые сформулировал в 1908 г. французский стенограф Жан-Батист Эсту, а в приложении к размерам городов – немецкий физик и урбанист Феликс Ауэрбах, опубликовавший в 1913 г. работу под названием «Закон концентрации народонаселения» (Das Gesetz der Bevölkerungskonzentrazion // Petermans Geogr. Mitteilungen. 1913. 59. S. 73–76). Исследование Парето было опубликовано в 1897 г., но его именем распределение стало называться лишь спустя много лет после его смерти, в 1950-х гг. – Прим. перев.

134

«Покупатель, будь бдителен!» (лат.) – принцип договорного права, описывающий сделку, в которой выявление информации о предмете покупки (в том числе и его скрытых дефектах) – обязанность покупателя, а не продавца. – Прим. перев.

135

Объединив эти доводы с концепцией четвертого измерения жизни, о которой мы говорили в гл. 4, лежащей в основе характерного для биологии масштабирования с показателями, кратными ¼, Луис Беттанкур предположил, что число 0,15, наблюдаемое в явлениях, связанных с городами, – это на самом деле приближение 1/6: L.M.A. Bettencourt. The Origins of Scaling in Cities // Science 340 (2013). P. 1438–1441.

136

Эта цитата взята из замечательной переписки между Гёте и композитором Карлом Фридрихом Цельтером (A. D. Coleridge, trans. Goethe’s Letters to Zelter. L.: George Bell & Sons, 1887). Цельтера, широко известного в свое время, сейчас помнят в основном в связи с его отношениями с Гёте. Я благодарен своему другу, специалисту по Гёте Дэвиду Левину, который обратил мое внимание на эту цитату. – Прим. авт. (Из письма к Гёте к Цельтеру от 6 июня 1825 г. Русский перевод – возможно, несколько более вольный, чем было бы допустимо в наши дни, но хорошо передающий дух высказывания Гёте, – приводится по статье о Гёте, публиковавшейся в XIX–XXII тт. (1841–1842) журнала «Отечественные записки» за подписью «К. Л.». – Прим. перев.)

137

Сокр. англ. Young Men’s Christian Association – Христианская ассоциация молодых людей, международное волонтерское объединение, организующее молодежные лагеря, общежития, спортивные центры и т. п. – Прим. перев.

138

Эта книга, впервые опубликованная в 1914 г., вышла сейчас новым изданием: J. G. Bartholomew. An Atlas of Economic Geography. L.: Forgotten Books, 2015.

139

C. Marchetti. Anthropological Invariants in Travel Behavior // Technological Forecasting and Social Change. 1994. 47 (1). P. 88.

140

G. B. West. Big Data Needs a Big Theory to Go with It // Scientific American. 2013. 308. P. 14; впервые опубликовано под заголовком «Wisdom in Numbers».

141

Действительно, аббревиатура DLD образована от слов Digital Life Design («Дизайн цифровой жизни»), а TED – от Technology, Entertainment, Design («Технологии, развлечения, дизайн»). – Прим. перев.

142

Расхожие аббревиатуры сетевого жаргона. 2M2H (Too Much To Handle) приблизительно означает «ничего не поделаешь», а LOL (Laughing Out Loud или Lots of Laughs) – «обхохочешься». – Прим. перев.

143

M. Schläpfer et al. The Scaling of Human Interactions with City Size // Journal of the Royal Society Interface. 2014. 11. 20130789.

144

Примеры таких рейтингов можно найти в журналах Economist (www.economist.com/blogs/graphicdetail/2016/08/daily-chart-14) и Forbes (www.forbes.com/sites/iese/2016/07/06/the-worlds-smartest-cities/#7f9bee254899).

145

L. M. A. Bettencourt et al. Urban Scaling and Its Deviations: Revealing the Structure of Wealth, Innovation and Crime Across Cities // PLoS ONE. 2010. 5 (11). e13541.

146

Ранее Сан-Хосе пошло на пользу появление в нем первого исследовательского центра компании IBM на западном побережье США, открытого в 1956 г.

147

Перевод В. Левика.

148

Данные NAICS можно найти на сайте переписи населения США: www.census.gov/eos/www/naics/.

149

H. Youn et al. Scaling and Universality in Urban Economic Diversification // Journal of the Royal Society Interface. 2016. 13. 20150937.

150

G. U. Yule. A Mathematical Theory of Evolution, Based on the Conclusions of Dr. J. C. Willis, F. R. S. // Philosophical Transactions of the Royal Society B. 1925. 213 (402–410). P. 21–87; H. A. Simon. On a Class of Skew Distribution Functions // Biometrika. 1955. 42 (3–4). P. 425–440. Предпочтительное присоединение было популяризовано в современном контексте в следующей работе: A.-L. Barabási and R. Albert. Emergence of Scaling in Random Networks // Science. 1999. 286 (5439). P. 509–512.

151

Мф. 13: 12.

152

Число 0,4 получается в результате тонкого взаимодействия между показателем масштабирования числа юристов в зависимости от размеров города (приблизительно равного 1,15) и масштабирования многообразия типов коммерческой деятельности по закону Ципфа, которое иллюстрируют рис. 52 и 53.

153

L. Mumford. The City in History. N. Y.: Harcourt, Brace & World, 1961.

154

Оценка городского метаболизма в гораздо более узком термодинамическом смысле была выполнена в работе: A. Wolman. The Metabolism of Cities // Scientific American. 1965. 213 (3). P. 179–190, а позднее в работе C. Kennedy, S. Pincetl, and P. Bunje. The Study of Urban Metabolism and Its Applications to Urban Planning and Design // Environmental Pollution. 2011. 159. P. 1965–1973.

155

R. L. Axtell. Zipf Distribution of U.S. Firm Sizes // Science. 2001. 293 (5536). P. 1818–1820.

156

Хороший обзор традиционных взглядов на компании можно найти в работах: G. R. Carroll and M. T. Hannan. The Demography of Corporations and Industries. Princeton, NJ: Princeton University Press, 2000 и R. H. Coase. The Firm, the Market, and the Law. Chicago: University of Chicago Press, 1988.

157

См., например: J. H. Miller and S. E. Page. Complex Adaptive Systems: An Introduction to Computational Models of Social Life. Princeton, NJ: Princeton University Press, 2007.

158

J. D. Farmer and D. Foley. The Economy Needs Agent-Based Modeling // Nature. 2009. 460. P. 685–686.

159

N. N. Taleb. The Black Swan: The Impact of the Highly Improbable. N. Y.: Random House, 2007. (Талеб Н. Н. Черный лебедь. Под знаком непредсказуемости. М.: КоЛибри, 2016 и позднейшие переизд.)

160

M. I. G. Daepp et al. The Mortality of Companies // Journal of the Royal Society Interface. 12:20150120.

161

E. L. Kaplan and P. Meier. Nonparametric Estimation from Incomplete Observations // Journal of American Statistical Association. 1958. 53. P. 457–481; R. Elandt-Johnson and N. Johnson. Survival Models and Data Analysis. N. Y.: John Wiley & Sons, 1999.

162

См.: S. W. Hawking. Particle Creation by Black Holes // Commun. math. Phys. 1975. 43. P. 199–220.

163

Покойтесь с миром (лат.).

164

R. Foster and S. Kaplan. Creative Destruction: Why Companies That Are Built to Last Underperform the Market – and How to Successfully Transform Them. N. Y.: Doubleday, 2001.

165

Обсуждение слияний и поглощений, а также их возможное истолкование с точки зрения последствий см. в работе E. Viegas et al. The Dynamics of Mergers and Acquisitions: Ancestry as the Seminal Determinant // Proceedings of the Royal Society. 2014. A 470. 20140370.

166

Впервые это предложение было высказано в работе: G. B. West. Integrated Sustainability and the Underlying Threat of Urbanization, in: Global Sustainability: A Nobel Cause / ed. H. J. Schellnhuber. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2010.

167

A. Johansen and D. Sornette. Finite-Time Singularity in the Dynamics of the World Population, Economic and Financial Indices // Physica A. 2001. 294 (3–4). P. 465–502.

168

Кстати говоря, между крупными инновациями положение также не остается неизменным. Однако такие изменения можно считать небольшими и плавными по сравнению с резкими, почти разрывными переменами, которые происходят при переходах или поворотах, связанных с крупными инновациями.

169

См. например: W. B. Arthur. The Nature of Technology: What It Is and How It Evolves. N. Y.: Free Press, 2009; H. Youn et al. Invention as a Combinatorial Process: Evidence from U.S. Patents // Journal of the Royal Society Interface. 2015. 12. 20150272.

170

R. Kurzweil. The Singularity Is Near: When Humans Transcend Biology. N. Y.: Viking, 2005.

171

V. Vinge. The Coming Technological Singularity: How to Survive in the Post-Human Era // Whole Earth Review. 1993.

172

Это высказывание цитирует великий математик Станислав Улам в своем некрологе фон Нейману, написанном в 1957 г. См.: Tribute to John von Neumann // Bulletin of the American Mathematical Society. 1958. 5 (3). Part 2. P. 64.

173

Доведение до абсурда (лат.).

174

C. McCarthy. The Road. N. Y.: Alfred A. Knopf, 2006. (Маккарти К. Дорога / Пер. с англ. Ю. Степаненко. СПб.: Азбука-классика, 2010.)

175

Широкий обзор чрезвычайно интересной истории поисков фундаментальных составляющих материи и теории Великого объединения, объясняющей их взаимодействие, в том числе и ее следствия для эволюции Вселенной и происхождения самого пространства-времени, можно найти в двух научно-популярных, неспециальных книгах: S. Carroll. The Particle at the End of the Universe. N. Y.: Dutton, 2012 и L. Randall. Warped Passages. N. Y.: Harper Perennial, 2006.

176

Бог из машины (лат.) – выражение, происходящее из древнегреческой драматургии, в которой оно (точнее, его греческий оригинал) означало неожиданную развязку, не вытекающую из предыдущего хода событий, а связанную с искусственным вмешательством извне. – Прим. перев.

177

Strange Bedfellows // Science. 1989. 245. P. 700–703.

178

Перуц получил ее в 1962 г. совместно с биохимиком Джоном Кендрю. – Прим. перев.

179

Полностью эта организация называлась Отделением изучения молекулярного строения биологических систем, позднее – Отделением молекулярной биологии, а теперь она носит название Лаборатории молекулярной биологии (MRC LMB). – Прим. перев.

180

A. Tucker. Max Perutz // Guardian. 2002. Feb. 7; www.theguardian.com/news/2002/feb/07/guardianobituaries.obituaries.

181

Речь идет о крупных государственных агентствах, распределяющих финансирование научных исследований в США: NSF (National Science Foundation) – Национальный научный фонд; DOE (Department of Energy) – Министерство энергетики; NIH (National Insitiutes of Health) – Национальные институты здравоохранения. – Прим. перев.

182

См., например: www.fastcodesign.com/3030529/infographic-of-the-day/hilarious-graphs-prove-that-correlation-isnt-causation.

183

The Fourth Paradigm: Data-Intensive Scientific Discovery. Redmond: Microsoft Research, 2009.

184

Здесь, разумеется, речь идет об английском слове scale, которое имеет гораздо больше значений, чем русское «масштаб». В частности, оно может означать еще и шкалу, музыкальную гамму, весы, чешую или шелуху и т. д. Интересно отметить, что и в русском языке можно найти немало родственных ему слов, иногда довольно далеких по значению, – это не только «шкала», но и, например, «скала» и «скол». – Прим. перев.

185

Размер определяет все аспекты жизни (англ.).

186

«Оксфордская» (она же серийная) запятая ставится в английском языке перед союзом при перечислении трех или более элементов. Несмотря на название, ее чаще используют носители американского, а не британского варианта английского. Вообще же споры об обязательности, пользе или недопустимости оксфордской запятой сильно напоминают – как по накалу, так и по осмысленности – баталии вокруг употребления в русском языке буквы «ё». – Прим. перев.

Content

Джеффри Уэст
Масштаб. Универсальные законы роста, инноваций, устойчивости и темпов жизни организмов, городов, экономических систем и компаний

Глава 1. Общая картина

1. Введение, обзор и краткое изложение

2. Мы живем в экспоненциально растущем урбанизированном социально-экономическом мире

3. Вопрос жизни и смерти

4. Энергия, метаболизм и энтропия

5. Размер все-таки важен: масштабирование и нелинейное поведение

6. Масштабирование и сложность: возникновение, самоорганизация и жизнестойкость

7. сами себе сети: рост от клеток до китов

8. Города и глобальная устойчивость: инновации и циклы сингулярностей

9. Компании и предприятия

Глава 2. Мера всех вещей

Введение в масштабирование

1. От Годзиллы до Галилея

2. Ошибочные выводы и недоразумения с масштабами: Супермен

3. Порядки величины, логарифмы, землетрясения и шкала Рихтера

4. Тяжелая атлетика и проверка Галилея

5. Индивидуальные результаты и отклонения от масштабирования: самый сильный человек на свете

6. Другие ошибочные выводы и недоразумения с масштабами: дозировка ЛСД для слонов и тайленола для младенцев

7. ИМТ, Кетле, средний человек и социальная физика

8. Инновации и ограничения роста

9. «Грейт Истерн», ширококолейные железные дороги и удивительный Изамбард Кингдом Брюнель

10. Уильям Фруд и истоки теории моделирования

11. Сходство и подобие: безразмерные и масштабно-инвариантные числа

Глава 3. Простота, единство и сложность жизни

1. От кварков и струн до клеток и китов

2. Уровень метаболизма и естественный отбор

3. Простота в основе сложности: закон Клайбера, самоподобие и экономия на масштабе

4. Всеобщность и магическое число 4, управляющее жизнью

5. Энергия, эмерджентные законы и иерархия жизни

6. Сети и происхождение степенного аллометрического масштабирования с четвертными показателями

7. Физика и биология: природа теорий, моделей и объяснений

8. Сетевые принципы и истоки аллометрического масштабирования

I. Заполнение пространства

II. Неизменность концевых модулей

III. Оптимизация

9. Метаболизм и системы циркуляции млекопитающих, деревьев и других растений

10. Отступление о Николе Тесле, согласовании импедансов и переменном и постоянном токе

11. Возвращаясь к метаболизму, сердцебиению и кровообращению

12. Самоподобие и происхождение магического числа 4

13. Фракталы: загадка удлиняющихся границ

Глава 4. Четвертое измерение жизни

1. Четвертое измерение жизни

2. Почему не бывает млекопитающих, маленьких как муравьи?

3. А почему не бывает млекопитающих, огромных как Годзилла?

4. Рост

5. Глобальное потепление, экспоненциальное масштабирование температуры и метаболическая теория экологии

6. Старение и смертность

I. Ночные мысли в час волка

II. Рассвет и возвращение к свету

III. Дневной свет

IV. К численной теории старения и смерти

V. Проверки, предсказания и следствия: увеличение продолжительности жизни

Глава 5. От антропоцена к урбаноцену. Планета, на которой господствуют города

1. Жизнь в экспоненциально расширяющейся Вселенной

2. Города, урбанизация и глобальная устойчивость

3. Отступление: что же такое экспоненциальный рост? Несколько поучительных историй

4. Расцвет промышленного города и РОСТ его тревог

5. Мальтус, неомальтузианцы и поклонники великой инновации

6. Все дело в энергии!

Глава 6. Прелюдия к теории городов

1. Города и компании – это просто огромные организмы?

2. Святая Джейн и драконы

3. Отступление: личные впечатления от города-сада и нового города

4. Промежуточные итоги и выводы

Глава 7. К созданию научной теории городов

1. Масштабирование городов

2. Города и социальные сети

3. Что это за сети?

4. Города: кристаллы или фракталы?

5. Город как великий социальный инкубатор

6. Сколько у вас на самом деле близких друзей? Данбар и его числа

7. Слова и города

8. Фрактальный город: интеграция социального и физического

Глава 8. Следствия и предсказания

От мобильности и темпов жизни до социальных связей, многообразия, метаболизма и роста

1. Возрастающий темп жизни

2. Жизнь на ускоряющейся беговой дорожке: город как невероятная машина для сжатия времени

3. Время на дорогу и размеры городов

4. Растущая скорость ходьбы

5. Вы тут не один: мобильные телефоны как детекторы человеческого поведения

6. Проверка теории: социальные связи в городах

7. Удивительно регулярная структура перемещений в городах

8. Перевыполнение и недовыполнение

9. Структура богатства, инноваций, преступности и жизнеспособности: индивидуальность и рейтинги городов

10. Прелюдия к экологической устойчивости: краткое отступление о воде

11. Социально-экономическое многообразие коммерческой деятельности в городах

12. Рост и метаболизм городов

Глава 9. К созданию научной теории компаний

1. Walmart как увеличенная скобяная лавка

2. Миф о неограниченном росте

3. Удивительная простота смертности компаний

4. Requiescant in pace

5. Почему компании умирают, а города – нет

Глава 10. Перспективы теории Великого объединения устойчивости

Ускоряющиеся беговые дорожки, циклы инноваций и сингулярности конечного времени

Послесловие

1. Наука для XXI века

2. Междисциплинарность, сложные системы и Институт Санта-Фе

3. Большие данные: парадигма 4.0 или только 3.1?

Постскриптум и выражение благодарности

Примечания