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

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.