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

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]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.


[Закрыть], 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]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.


[Закрыть]. 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]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.


[Закрыть] и 2) числа ударов сердца в течение жизни[4]4
  H. J. Levine. Rest Heart Rate and Life Expectancy // Journal of the American College of Cardiology. 1997. 30 (4). P. 1104–1106.


[Закрыть] в зависимости от веса животного; масштабирование 3) числа патентов, разработанных в городах[5]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.


[Закрыть], в зависимости от численности их населения; и масштабирование 4) размеров доходов и активов компаний[6]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.


[Закрыть] 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]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.


[Закрыть], 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]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.


[Закрыть].

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]9
  Пс. 89: 10.


[Закрыть]? 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]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.


[Закрыть]. 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?