От микроорганизмов до мегаполисов. Поиск компромисса между прогрессом и будущим планеты

В 2005 году Курцвейл опубликовал книгу The Singularity Is Near («Сингулярность близко») – она должна наступить ровно в 2045 году, – и с тех пор он продвигает эти взгляды на своем веб-сайте, Kurzweil Accelerating Intelligence (Kurzweil, 2005, 2017). В категоричных, громких заявлениях Курцвейла нет ни сомнений, ни неуверенности, ни скромности, так как, по его мнению, состояние биосферы, чье функционирование является результатом миллиардов лет эволюции, не играет роли в нашем будущем, которое будет полностью формироваться машинным интеллектом, превосходящим человеческий. Но как бы ни отличалась наша цивилизация от предыдущих, она действует в рамках тех же ограничений: она является всего лишь частью биосферы, той относительно тонкой и одновременно очень прочной и очень хрупкой оболочки, внутри которой могут существовать живые существа на углеродной основе (Vernadsky, 1929; Smil, 2002). Их рост, а для высших организмов также когнитивное и поведенческое развитие фундаментально и неизбежно ограничены физическими условиями биосферы и пределами диапазона метаболических возможностей (каким бы широким тот ни казался при сравнении крайних его точек).

Исследования роста

Даже если ограничиться нашей планетой, масштаб исследований роста – от мельчайших клеток до цивилизации в целом, предположительно стремящейся к сингулярности, – слишком широк, чтобы всесторонне осветить их в одной книге. Неудивительно, что опубликованные обзоры процессов роста и их результатов ограничиваются ключевыми дисциплинами или темами. Классическая работа Дарси Томпсона на тему роста «О росте и форме» (оригинальное издание которой вышло в 1917 году, а исправленное и расширенное – в 1942 году) касается почти исключительно клеток и тканей, а также множества частей (скелеты, раковины, рога, зубы, бивни) организмов животных (Thompson, 1917; 1942). Единственный раз, когда Томпсон упоминает небиогенные материалы или созданные человеком структуры (металлы, балки, мосты), – когда рассматривает формы и механические свойства таких сильных биогенных тканей, как минерализованные ткани раковин моллюсков и костей.

Содержание работы «Химическая основа роста и старения» Т. Б. Робертсона, опубликованной в 1923 году, ограничено ее названием (Robertson, 1923). В 1945 году на свет появился еще один объемный обзор роста организмов, «Биоэнергетика и рост» Самюэля Броди, посвященный конкретно эффективному разведению домашних животных (Brody 1945). В 1994 году Роберт Бэнкс опубликовал подробное исследование под названием «Феномены роста и распространения». В этой прекрасной работе, являющейся образцом системного подхода, содержатся многочисленные примеры конкретного применения индивидуальных траекторий роста и моделей распространения в естественных и социальных науках, а также инжиниринге. Но ее основная тема отражена в подзаголовке («Математические модели и их применение») и связана преимущественно с математическими структурами и применением математических методов при описании моделей роста (Banks, 1994).

Подзаголовок работы, отдающей дань уважения Томпсону (с одноименным названием «О росте и форме»), также определяет границы исследования: «Пространственно-временная модель формирования структур в биологии» (Chaplain et al., 1999). При всем разнообразии ее глав (включая образование рисунка на крыльях бабочки, модели развития рака, формирование кожи и волос, а также модели роста сети капилляров и заживления ран) эта книга также была посвящена росту живых форм. В 2017 году Джеффри Уэст обобщил свои многолетние исследования, сформулировав универсальные законы роста – не только организмов, но и городов, экономики и компаний – в книге, озаглавленной «Масштаб», в длинном подзаголовке которой перечислены все рассматриваемые в ней темы и цель которой заключалась в том, чтобы рассмотреть общие тенденции и даже предложить единую теорию устойчивого роста (West, 2017).

Компонентам органического роста, функциональным или таксономическим, уделяется много внимания: всестороннее рассмотрение получил клеточный рост (Studzinski, 2000; Morgan, 2007; Verbelen and Vissenberg, 2007; Golitsin and Krylov, 2010), рост растений (Morrison and Morecroft, 2006; Vaganov et al., 2006; Burkhart and Tomé, 2012; Gregory and Nortcliff, 2013) и животных (Batt, 1980; Campion et al., 1989; Gerrard and Grant, 2007; Parks, 2011). Вполне ожидаемо, что огромный объем знаний накоплен на тему роста человека (Ulijaszek et al., 1998; Bogin, 1999; Hoppa and Fitzgerald, 1999; Roche and Sun, 2003; Hauspie et al., 2004; Tanner, 2010; Floud et al., 2011; Fogel, 2012).

Особого внимания заслуживает тема здорового роста и питания детей и такие ее аспекты, как антропометрия и диетология, педиатрия, психология и здравоохранение (Martorell and Haschke, 2001; Hochberg, 2011; Hassan, 2017). Мальтус (Malthus, 1798) и Ферхюльст (Verhulst, 1845, 1847) опубликовали первые исследования природы роста населения, и эти оценки упоминаются многочисленными авторами, от Перла и Рида (Pearl and Reed, 1920) и Карра-Сондерса (Carr-Saunders, 1936) до Медоуза и др. (Meadows et al., 1972), Кейфица и Флигера (Keyfitz and Flieger, 1991), Хардина (Hardin, 1992), Коэна (Cohen, 1995), Стэнтона (Stanton, 2003), Луца и др. (Lutz et al., 2004), а также в многочисленных обзорах и прогнозах, публикуемых ООН.

Современная экономика поглощена показателями объема выпускаемой продукции, прибыли, инвестиций и роста потребления. Следовательно, нет недостатка в исследованиях, рассматривающих одновременно экономический рост и доходы (Kuznets, 1955; Zhang, 2006; Piketty, 2014), рост и технические инновации (Ruttan, 2000; Mokyr, 2002; 2009; 2017; van Geenhuizen et al. 2009), рост и международную торговлю (Rodriguez and Rodrik, 2000; Busse and Königer, 2012; European Commission, 2014) и рост и здравоохранение (Bloom and Canning, 2008; Barro, 2013). Многие последние исследования посвящены связям между ростом и коррупцией (Mo, 2001; Méndez and Sepúlveda, 2006; Bai et al., 2014) и ростом и управлением (Kurtz and Schrank, 2007; OECD, 2016).

В публикациях также раздаются советы о том, как сделать весь экономический рост устойчивым (WCED, 1987; Schmandt and Ward, 2000; Daly and Farley, 2010; Enders and Remig, 2014) и «равным» (то есть соразмерным и справедливым) (Mehrotra and Delamonica, 2007; Lavoie and Stockhammer, 2013). Как уже отмечалось, давно сформулированный закон Мура посвящен исключительно росту вычислительных возможностей, но почему-то совсем нет книг, описывающих исследования роста современных технических и инженерных систем; посвященных, например, долгосрочному анализу мощностей и роста производительности добывающей и энергетической отраслей. И даже с учетом научных статей найдется лишь немного публикаций, относящихся к росту государств, империй и цивилизаций (Taagepera, 1978; 1979; Turchin, 2009; Marchetti and Ausubel, 2012).

Что есть (и чего нет) в этой книге

Невозможность всестороннего описания роста в природе и обществе не должна быть отговоркой для малого числа исследований способов роста. Я намерен исправить это упущение, изучив множество форм природного, социального и технического роста. Чтобы охватить такой большой спектр вопросов, книга должна быть ограничена как масштабом, так и глубиной исследований. Я сосредоточусь на жизни на Земле и достижениях человеческого общества. В рамках этой задачи мы пройдем путь от бактериальной инвазии и вирусных инфекций через лес и обмен веществ у животных к росту преобразования энергии и мегагородов, а также основам глобальной экономики, исключив самые крупные и мелкие по масштабу явления.

Мы обойдем вниманием рост (инфляционное расширение) вселенной, галактик, сверхновых или звезд. Я уже говорил о медленном темпе терраформирующих процессов, подчиняющемся образованию новой океанической коры, колеблющемся между менее чем 2 см и не более чем 20 см в год. И хотя некоторые кратковременные и пространственно ограниченные стихийные бедствия (извержения вулканов, массовые оползни, цунами, масштабные наводнения) могут вести к быстрым и значительным переносам масс и энергии за короткие периоды времени, постоянная геоморфологическая деятельность (эрозия и ее противоположность, отложение, осадка) происходит медленно или значительно медленнее геотектонических процессов: скорость эрозии в Гималаях может достигать 1 см в год, но процесс смыва Британских островов происходит со скоростью 2–10 см за 1000 лет (Smil, 2008). Мы не будем более подробно рассматривать в этой книге терраформирующий рост.

И поскольку основное внимание в книге посвящено росту организмов, артефактов и комплексных систем, в ней не будет идти речь о росте на внутриклеточном уровне. Невероятная интенсификация исследований в области биологии помогла нам значительно продвинуться в понимании клеточного роста в целом и в частности роста раковых клеток. Мультидисциплинарный характер, растущий охват и ускоряющийся темп этих исследований означают, что о новых открытиях теперь все чаще сообщают в электронных публикациях, а рецензии и обзоры, написанные на эти темы, устаревают практически мгновенно. Однако в последних книгах за авторством Масиейры-Коэльо (Macieira-Coelho, 2005), Гевирца и др. (Gewirtz et al., 2007), Кимуры (Kimura, 2008) и Крайкивски (Kraikivski, 2013) предлагаются обзоры нормального и аномального роста и гибели клеток.

Соответственно, в этой книге не будет фундаментальным образом рассматриваться генетика, эпигенетика и биохимия роста, и я коснусь клеточного роста только при описании траекторий роста одноклеточных организмов и жизни скоплений микроорганизмов, чье присутствие составляет значительные и даже преобладающие доли биомассы в некоторых экосистемах. Аналогично, говоря о растениях, животных и людях, я собираюсь заострить внимание не на биохимической специфике и сложностях роста на внутриклеточном, клеточном уровне и уровне органов – существуют интереснейшие исследования развития мозга (Brazier, 1975; Kretschmann, 1986; Schneider, 2014; Lagercrantz, 2016) или сердца (Rosenthal and Harvey, 2010; Bruneau, 2012), – а на организмах в целом, включая экологический фон и результаты роста, и я также отмечу некоторые ключевые факторы окружающей среды (от питательных микроэлементов до инфекций), часто ограничивающие рост организмов или препятствующие ему.

Физический рост человека будет рассмотрен довольно подробно с акцентом как на индивидуальные (и зависящие от пола) траектории увеличения роста и веса (а также нежелательный рост ожирения), так и на коллективный рост населения. Я представлю исторические взгляды на рост населения, оценю текущие тенденции роста и изучу возможные будущие глобальные или некоторые национальные траектории. Но я не стану касаться социально-психологического роста (стадий развития, личности, стремлений, самоактуализации) или роста сознания: эти темы подробно рассмотрены в психологической и социологической литературе.

Прежде чем перейти к систематическому исследованию роста в природе и обществе, я кратко представлю единицы измерения и варианты траекторий роста. Эти траектории включают беспорядочное движение, в котором трудно выявить общие тенденции (что часто наблюдается на рынке ценных бумаг), простой линейный рост (когда в песочных часах каждую секунду сыплется одинаковое количество песка), временно экспоненциальный рост (обычно демонстрируемый в таких разнообразных феноменах, как организмы на ранней стадии развития, наиболее интенсивные фазы внедрения технических инноваций и создание биржевых пузырей) и прирост, соответствующий разнообразным изолированным (ограниченным) кривым роста (как, например, размеры всех организмов), чью форму можно выразить с помощью математических функций.

Большинство процессов роста – будь то организмы, артефакты или комплексные системы – подчиняются S-образным (сигмоидальным) кривым роста, соответствующим логистической функции (или уравнению Ферхюльста) (Verhulst, 1838, 1845, 1847), предшествовавшей ей (Gompertz, 1825) или одной из их производных, чаще всего сформулированных Берталанффи (von Bertalanffy, 1938; 1957), Ричардсом (Richards, 1959), Блумбергом (Blumberg, 1968) и Тернером и др. (Turner et al., 1976). Но естественная изменчивость, а также неожиданные вмешательства часто ведут к значительным отклонениям от прогнозируемого курса. Вот почему начинающим исследователям роста лучше начинать с более или менее полного набора данных и смотреть, какая из доступных функций роста наиболее точно описывает ее.

Если двигаться в обратном направлении – взять несколько первых точек на разворачивающейся траектории роста и использовать их для построения кривой стабильного роста, соответствующей конкретной выбранной функции роста, – то вероятность успеха велика, только если пытаться прогнозировать рост, который, скорее всего, будет происходить по известной, многократно продемонстрированной модели, например многими видами хвойных деревьев или пресноводной рыбы. Но выбор случайной S-образной кривой в качестве прогностического фактора роста для организма, не принадлежащего к хорошо изученным группам, выглядит сомнительным, поскольку конкретная функция может оказаться не слишком точным (чувствительным) прогностическим инструментом для феноменов, рассматриваемых только на ранней стадии роста.

Структура и цели книги

Текст развивается в естественной, эволюционной последовательности, от природы к обществу, от простых, непосредственно наблюдаемых свойств роста (числа размножающихся клеток, диаметра деревьев, массы тел животных, развития человеческой фигуры) до более сложных единиц измерения, отмечающих развитие и прогресс общества и экономики (динамики населения, разрушительных сил, создания благосостояния). Но последовательность не может быть исключительно линейной, поскольку существует множество взаимосвязей, взаимозависимостей и обратные связи и эти реалии требуют возвращаться и искать обходные пути, повторяться, чтобы подчеркнуть связи, заметные с других (энергетической, демографической, экономической) точек зрения.

Я начну систематическое рассмотрение роста с организмов, которые в зрелом возрасте имеют размер от микробов (крошечные, если брать отдельные клетки, массивные, если рассматривать их совокупное присутствие в биосфере) до величественных хвойных деревьев и огромных китов. Я подробнее остановлюсь на росте некоторых болезнетворных бактерий, выращивании основных сельскохозяйственных культур и росте человека с детского до взрослого возраста. Затем мы исследуем рост в области преобразования энергии и рукотворных объектов, позволяющих производить продукты питания и заниматься всей прочей экономической деятельностью. Я также рассмотрю, как этот рост изменил многочисленные показатели, эффективность и надежность, так как эти достижения лежат в основе создания нашей цивилизации.

И, наконец, я сосредоточусь на росте комплексных систем. Я начну с роста населения и продолжу ростом городов – наиболее очевидного концентрированного проявления человеческого материала и социальных достижений – и экономики. В конце этих систематических исследований я выделю проблемы оценки траекторий роста империй и цивилизаций и закончу глобальным многообразием, характеризуемым своеобразным сплавом планетарных и локальных проблем, обеспеченной жизни и бедности, уверенных и неопределенных перспектив. Книга завершается размышлениями о том, что наступает после роста. Когда речь идет об организмах, результатом может быть или смерть, или увековечение видов в эволюционные периоды. Если говорить об обществе и экономике, результаты могут включать как упадок (постепенный или быстрый) и прекращение существования, так и примечательное возрождение. Траектория современной цивилизации, сталкивающаяся с противоречащими друг другу требованиями материального роста и ограничениями биосферы, остается неопределенной.

Моя задача – осветить разнообразные варианты роста с эволюционной и исторической точки зрения и, таким образом, оценить как достижения, так и ограничения роста в современной цивилизации. Для этого требуется количественный подход, так как истинного понимания можно достичь, только начертив реальные траектории роста, оценив распространенные и исключительные темпы роста и поместив полученные успехи и повысившиеся (часто – на несколько порядков!) результаты в подходящий (исторический и сравнительный) контекст. Биологи изучают рост многочисленных организмов, и я рассмотрю результаты этого роста для всевозможных видов от бактерий до птиц и от водорослей до основных сельскохозяйственных культур. Дам я и подобный обзор легко доступных данных о человеческом росте с детства до зрелого возраста.

В отличие от исследований роста организмов, количественный анализ траекторий долгосрочного роста продуктов деятельности человека (от простых инструментов до сложных машин) и комплексных систем (от городов до цивилизаций) гораздо менее систематизирован и распространен. Простого обзора опубликованных моделей роста будет недостаточно, чтобы обеспечить всестороннюю трактовку этих категорий роста. Поэтому, чтобы найти самые подходящие модели для множества видов антропогенного роста, я собрал данные за максимальные периоды из лучших доступных источников и подверг их количественному анализу. Так я подготовил более 100 оригинальных графиков роста, и вместе они составляют, на мой взгляд, уникальную коллекцию. Учитывая схожесть моделей роста, этот процесс неизбежно будет повторяться, но для ясного понимания реалий (общих черт и исключений), ограничений и будущих возможностей в каждом случае надо системно представлять конкретные результаты.

Систематическая презентация траекторий роста является необходимым предварительным условием, но не конечной целью изучения роста. Поэтому я также объясняю обстоятельства и ограничения графического отображения роста, описываю эволюционные и исторические условия анализируемых явлений и предлагаю критические комментарии на тему последних тенденций и перспектив. Я также хочу предостеречь от упрощенного применения даже максимальных статистических соответствий для долгосрочных прогнозов, и цель этой книги состоит не в том, чтобы обеспечить расширенную платформу для прогнозирования роста в конкретных временных рамках. Тем не менее представленный анализ содержит ряд выводов, позволяющих реалистично оценить будущие события.

В этом смысле части этой книги вполне предсказуемы. Если урожаи кукурузы в течение ста лет демонстрировали только линейный рост, вряд ли в ближайшие десятилетия можно ожидать их экспоненциального роста. Если способность к росту цыплят-бройлеров поколениями превосходила показатели для всех других животных мясных пород, трудно будет доказать, что лучшим выбором для обеспечения белком миллиардов новых потребителей является свинина. Если мощность единицы оборудования, производительность (добыча или генерируемая мощность) и передача всех результатов преобразования энергии растут по логистической прогрессии, то у нас есть все основания заключить, что предстоящий переход от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии будет не слишком быстрым. Если мировое население будет неумолимо урбанизироваться, его энергетические (в пище, топливе, электричестве) и материальные потребности будут формироваться, исходя из этих ограничивающих реалий, диктующих потребность в постоянных и надежных, массовых потоках, которые невозможно удовлетворить из местных или близлежащих источников.

Попросту говоря, в этой книге речь идет о реалиях, задающих рост всего в долгосрочной эволюционной и исторической перспективе и делающих это в строгом количественном выражении. Сначала идут задокументированные, исторически зафиксированные факты, затем осторожные выводы. Конечно, это отличается от множества недавних антиисторических прогнозов и заявлений, игнорирующих долгосрочные траектории роста (то есть необходимые энергетические и материальные потребности беспрецедентных процессов масштабирования) и цитирующих модные «подрывные» инновации, которые ускоренным образом изменят мир. Можно привести множество подобных примеров, начиная с того, что весь мировой парк автомобилей (составляющий более 1 млрд единиц) станет электрическим к 2025 году, и заканчивая началом терраформирования Марса в 2022 году, от создания растений и животных с заданными свойствами (синтетическая биология), снимающего ограничения эволюции организмов, до предсказаний неминуемого господства искусственного интеллекта над нашей цивилизацией.

В этой книге вы не найдете подобных радикальных заявлений: я избегал их и старался делать только тщательно обоснованные обобщения. Это было принципиальным решением, опирающимся на уважение к сложной и неуправляемой реальности (для которой характерны сбои и исключения из правил) и хорошо известный факт, что грандиозные предсказания часто оказываются неверными. Печально известные примеры, касающиеся роста, включают прогнозы безудержного увеличения мирового населения и беспрецедентного голода, который должен был случиться в последние десятилетия XX века; быстрого и повсеместного перехода мировой энергогенерации на недорогую ядерную энергию, а также в корне ошибочное убеждение, что темпы роста, лежащие в основе закона Мура (двукратное увеличение каждые два года), можно легко применить в других областях человеческой деятельности.

Книга должна работать в нескольких плоскостях. Основная цель – обеспечить всесторонний аналитический обзор траекторий роста в природе и обществе: в биосфере, где рост является результатом не просто эволюции, но, все чаще, результатом вмешательства человека, и в мире, созданном человеком, где рост был ключевым фактором в истории населения и экономики и в развитии технических возможностей. Учитывая размах, книгу можно читать выборочно, комбинируя отдельные части, выбирая живые организмы (растения, животные, людей или население) или результаты человеческого труда (инструменты, способы преобразования энергии или транспортные средства). И, несомненно, некоторых читателей больше заинтересуют условия, необходимые для роста: предпосылки, факторы, эволюционные и исторические обстоятельства роста в природе, населении, экономике и империях, – а не конкретные траектории роста.

Еще один вариант – сосредоточиться на противоположных масштабах роста. Книга содержит массу информации о росте отдельных организмов, инструментов, машин и инфраструктур, а также о росте наиболее обширных и сложных систем, завершаясь размышлениями о росте цивилизаций. В книге также суммируются универсальные уроки, касающиеся роста организмов, артефактов и комплексных систем, и ее можно рассматривать как анализ результатов эволюции в природе и как историю технического и социального развития, то есть оценку прогресса цивилизации (развитие, возможно, будет более удачным и нейтральным обозначением, чем прогресс).

Как всегда в своих книгах, я воздержусь от советов, но надеюсь, что, внимательно читая эту книгу, вы придете к ключевому выводу: пока не поздно, мы должны всерьез взяться за экзистенциальную (а также действительно революционную) задачу, стоящую перед современной цивилизацией: совместить будущий рост с сохранением единственной биосферы, которая у нас есть.

Глава 1

Траектории, или Распространенные модели роста

Слово «рост» требует определяющих его прилагательных. Наиболее распространенными являются (в алфавитном порядке) активный, арифметический, быстрый, взрывной, внезапный, вялый, геометрический, задержанный, здоровый, злокачественный, линейный, логистический, медленный, неожиданный, неравномерный, неутешительный, низкий, прерывистый, слабый, сдержанный, S-образный, стремительный, уверенный, умеренный, хаотичный, экспоненциальный, энергичный. В последнее время к ним добавились прилагательные «устойчивый» и «неустойчивый». Выражение «устойчивый рост», конечно, явный оксюморон, если говорить о действительно долгосрочном материальном росте (я не рассматриваю возможность миграции на другие планеты после истощения земных ресурсов), и весьма сомнительно, что мы можем постоянно повышать такие нематериальные факторы, как счастье или удовлетворенность. Большинство прилагательных, описывающих рост, касаются его скорости: часто нас волнует не рост как таковой, а его темп, слишком быстрый или слишком медленный.

Даже человек, не очень внимательно следящий за новостями, знает о постоянных тревогах разнообразных ведущих экономистов, составителей прогнозов и правительственных чиновников о том, удастся ли сохранить «энергичный» или «здоровый» рост валового внутреннего продукта (ВВП). Эти требования высоких темпов роста опираются на крайне упрощенные ожидания – ожидания бесконечного повторения прошлого опыта, как будто текущий рост ВВП никак не связан с будущими темпами его роста. Иначе выражаясь, экономисты рассчитывают на бесконечный и предпочтительно довольно быстрый, экспоненциальный рост.

Но они выбирают неподходящие метрики для сравнения результатов. Например, в первой половине 1950-х годов рост ВВП США в среднем составлял около 5 % в год, что приблизительно можно выразить как дополнительные $3500 на душу населения (в размере около 160 млн человек) в течение пяти лет. С другой стороны «медленный» рост ВВП в период между 2011 и 2015 годами (в среднем 2 % в год) добавлял около $4800 на душу населения (в размере около 317 млн человек) в течение пяти лет, или почти на 40 % больше, чем 60 лет назад (все цифры в современном денежном эквиваленте для устранения эффекта инфляции). Следовательно, в значениях среднего индивидуального роста благосостояния недавний рост 2 % превосходит более ранний, превышающий его в 2,5 раза. Это простая алгебра, но ее постоянно игнорируют те, кто сокрушается о «низком» росте экономики США или Европейского союза (ЕС) после 2000 года.