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

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.