Джеффри Уэст.

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



скачать книгу бесплатно

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?

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]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.


[Закрыть]
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]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.


[Закрыть]
. 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 ???????? 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]13
  Grim Reaper – «беспощадный (или мрачный) жнец» – расхожий в английском языке образ смерти, обычно изображаемой в виде скелета с косой. – Прим. перев.


[Закрыть]
. 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]14
  И между прочим, в получении нескольких Нобелевских премий.


[Закрыть]
.

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]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.


[Закрыть]
, 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:



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13