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

Вацлав Смил, 2019

Книги Вацлава Смила, одного из самых авторитетных мыслителей современности, всегда заметны и вызывают широкий общественный и научный резонанс, потому что затрагивают глобальные проблемы человечества, волнующие каждого их нас. Новая книга всемирно известного ученого и писателя посвящена исследованию роста как понятия, в природе и обществе, от крошечных организмов до империй и цивилизаций. Рост управляет жизнями микроорганизмов и галактик, нашими мозгами и экономикой; участвует в становлении ребенка и распространении раковых клеток, увеличении численности населения и городов. В формате PDF A4 сохранен издательский макет книги.

Growth: From Microorganisms to Megacities by Vaclav Smil

© 2019 Massachusetts Institute of Technology

© Окунькова И. А., перевод на русский язык, 2020

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2023

* * *

Предисловие

Рост является повсеместной многообразной реальностью нашей жизни — маркером эволюции, увеличения размера и способностей нашего организма с взрослением, накопления коллективных возможностей для эксплуатации земных ресурсов и организации общества для повышения качества жизни. Рост оставался и невысказанной, подразумеваемой — и явной — целью, индивидуальным и коллективным стремлением на протяжении всей эволюции человека и его короткой документированной истории. Он управляет жизнью микроорганизмов и галактик. Рост определяет размер океанической коры и использование всех артефактов, созданных для улучшения нашей жизни, а также степень ущерба, наносимого нашему организму аномально развивающимися клетками. Рост формирует возможности нашего необычайно объемного мозга, а также состояние экономики. Благодаря повсеместному распространению, рост можно изучать на самых различных уровнях — от внутриклеточного и клеточного (с целью выявления метаболических и регуляторных потребностей и процессов) до составления долгосрочных траекторий развития таких комплексных систем, как тектонические сдвиги, демография на национальном и глобальном уровне, города, экономики или империи.

Терраформирующий рост — геотектонические силы, создающие океаническую и континентальную кору, вулканы и горные хребты и формирующие водоразделы, равнины и береговые линии, — происходит очень медленно. Его основная функция, формирование новой океанической коры в срединно-океанических хребтах, реализуется со скоростью менее 55 мм в год, а скорость исключительно быстрого создания морского дна может достигать около 20 см в год (Schwartz et al., 2005). Что касается годового прироста континентальной коры, по расчетам Реймера и Шуберта (Reymer and Schubert, 1984), объем ее увеличения составляет 1,65 км³ и с учетом объема субдукции (когда старая кора превращается в мантию) 0,59 км³ дает чистый показатель прироста 1,06 км³ в год.

Это мизерный годовой прирост, если учитывать, что континенты покрывают почти 150 Гм² и толщина континентальной коры составляет в основном 35–40 км, но он продолжается весь фанерозойский эон, то есть последние 542 млн лет.

И еще один пример, на этот раз вертикальный, неизбежно низких тектонических скоростей: подъем Гималаев, самого внушительного горного хребта нашей планеты составляет около 10 мм в год (Burchfiel and Wang, 2008; рис. 0.1). Тектонический рост коренным образом определяет рамки изменения климата Земли (так как влияет на циркуляцию воздуха в атмосфере всей планеты и распределение давления) и продуктивность экосистем (так как влияет на температуру и выпадение осадков) и, следовательно, жизнедеятельность человека и экономическую активность. Но мы никак не можем повлиять на его сроки, место и скорость или напрямую использовать с выгодой для себя, поэтому не будем уделять ему внимания в этой книге.

Рис. 0.1. Медленный, но упорный тектонический рост. Гималаи образовались в результате столкновения Индийской и Евразийской плит, которое началось более 50 млн лет назад и по-прежнему продолжается, благодаря чему этот горный хребет растет на 1 см в год. Фотография сделана с Международной космической станции (в южном направлении из нижней части Тибетского нагорья) в январе 2004 года. Снимок доступен на https://www.nasa. gov/multimedia/imagegallery/image_feature_152.html

Рост организмов, квинтэссенция проявления жизни, включает все процессы, посредством которых все элементы и соединения со временем трансформируются в новую живую массу (биомассу). Эволюция человека экзистенциально зависит от этого естественного роста: сначала он добывал пищу собирательством и охотой, затем стал добывать топливо и сырье и, наконец, пользоваться выращенной пищей и продукцией пищевых производств, а также в больших масштабах эксплуатировать лесную фитомассу и вылавливать рыбу и другие морепродукты. Рост вмешательства человека в биосферу вызвал крупномасштабную трансформацию многих экосистем — прежде всего превращение лесов и заболоченных земель в пахотные угодья и активное использование лугов под пастбища (Smil, 2013a).

Рост также является признаком прогресса и воплощением надежды в делах человека. Рост технических возможностей позволил освоить новые источники энергии, повысить уровень и надежность обеспечения продуктами питания, создать новые материалы и новые отрасли промышленности. Экономический рост приносит ощутимые материальные выгоды с накоплением частного имущества, обогащающие нашу краткую жизнь, и создает нематериальные ценности: радость достижений и чувство удовлетворенности. Но рост также сопровождается тревогой, волнениями и страхами. Люди — будь то дети, отмечающие, насколько они выросли, на дверном косяке, бесчисленные главные экономисты, готовящие сомнительные прогнозы объемов производства и торговых показателей, или рентгенологи, изучающие магнитно-резонансные снимки, — волнуются о нем по огромному количеству поводов.

Рост часто кажется слишком медленным или слишком быстрым. Он вызывает беспокойство о пределах адаптации, страх перед личными и общественными неурядицами. В ответ люди пытаются управлять ростом, который могут контролировать, меняя его темп (ускорять, сдерживать или прекращать), и мечтают — и стараются — расширить контроль и распространить его на новые области. Эти попытки часто проваливаются, даже если сначала кажутся успешными (а ощущение перманентного контроля может оказаться лишь временным успехом), но никогда не кончаются: мы можем наблюдать их в как в микро-, так и в макромире, когда ученые пытаются изучать новые формы жизни, расширяя генетический код и включая синтетическую ДНК в новые организмы (Malyshev et al., 2014) или предлагая контролировать климат Земли с помощью геоинжиниринга (Keith, 2013).

Рост организмов является результатом длительного эволюционного процесса, и современная наука добилась понимания его предпосылок, путей и результатов и выявила его траектории, более или менее соответствующие конкретным функциям, преимущественно S-образным (сигмоидальным) кривым. Поиск общих черт и полезные обобщения, касающиеся естественного роста, — сложная задача, но его количественное выражение выглядит относительно просто, как и оценка роста множества созданных человеком артефактов (инструментов, машин, производственных систем) путем отслеживания увеличения их мощности, производительности, эффективности или сложности. Во всех этих случаях мы имеем дело с базовыми физическими единицами измерения (длиной, массой, временем, силой тока, температурой, количеством вещества, силой света) и их многочисленными производными, от объема и скорости до энергии и силы.

Измерение феноменов роста, связанных с суждениями, ожиданиями и мирным или насильственным взаимодействием людей, представляется более проблематичным. Некоторые сложные совокупные процессы невозможно измерить, если предварительно произвольно не ограничить область исследования и не прибегнуть к более или менее сомнительным концепциям: измерение экономического роста с помощью таких переменных, как ВВП или национальный доход, является прекрасным примером подобных сложностей и неопределенностей. Но даже когда многие признаки так называемого социального роста (или общественного прогресса) легко поддаются измерению (здесь можно привести множество разнообразных примеров от среднего размера жилплощади на семью и владения бытовой техникой до разрушительной силы запасов ракетного оружия и общей площади территорий, контролируемых силами империи), их истинные траектории развития по-прежнему открыты для разнообразных интерпретаций, поскольку эти количественные представления скрывают значительные качественные отличия.

Накопление материального имущества является особенно интересным аспектом роста, так как проистекает из сочетания похвального стремления повысить качество жизни, понятного, но менее рационального желания позиционировать себя в более широкой социальной среде и сравнительно атавистического импульса владеть, даже накапливать запасы. Есть и те, кто безразличен к росту и потребностям: индийские садху, носящие набедренные повязки или ходящие обнаженными, и монахи, принадлежащие к сектам, призывающим к аскетичной простоте. На другой стороне спектра мы видим страстных коллекционеров (каким бы изысканным ни был их вкус) и страдающих психическим расстройством собирателей хлама, превращающих свое жилище в подобие свалки. Но между этими полюсами в любом обществе с растущими стандартами жизни мы наблюдаем менее драматичные повседневные склонности, так как большинство людей хотят сильнее ощущать рост, материальный или неосязаемый, подпадающий под иллюзорное определение удовлетворенности жизнью или личного счастья, которое достигается путем накопления богатств или получения уникального жизненного опыта.

Скорость и размах этих стремлений ясно дают понять, насколько современным является этот повсеместный опыт и насколько оправдано растущее беспокойство в связи с ростом. Удвоение средних размеров стало распространенным явлением в течение жизни одного поколения: с 1950 года средняя площадь американских домов выросла в 2,5 раза (USBC, 1975; USCB, 2013), с 1970 года удвоился объем винных бокалов в Великобритании (Zupan et al., 2017), к 2002 году масса типичных европейских автомобилей выросла более чем вдвое по сравнение с послевоенными моделями (Citroen 2 CV, Fiat Topolino) — с менее 600 кг до приблизительно 1200 кг (Smil, 2014b). Многие артефакты и достижения испытали еще более значительный рост за тот же период: типичная площадь телевизионных экранов выросла приблизительно в 15 раз с послевоенных стандартов диагонали 30 см до среднего для США показателя 120 см к 2015 году, причем доля продаж телевизоров с диагональю, превышающей 150 см, продолжает расти. И даже этот впечатляющий рост выглядит ничтожным по сравнению с ростом крупнейших индивидуальных состояний: в 2017 году в мире насчитывалось 2043 миллиардера (Forbes, 2017). Сравнительное влияние этих феноменов не является беспрецедентным, но сочетания абсолютной диспропорции, возникающей в результате современного роста, и ее частоты и скорости прежде не наблюдалось.

Темпы роста

Разумеется, отдельные люди и общества всегда окружены бессчетными проявлениями естественного роста, и стремление к материальному обогащению и расширению территорий служило движущей силой общественных процессов на совершенно разных уровнях, от племен до империй, от набегов на соседние деревни в джунглях Амазонки до подчинения крупных частей Евразии централизованной власти. Но в период Античности, Средневековья и значительной части раннего Нового времени (обычно ограниченного тремя веками между 1500 и 1800 годами), большинство людей вело натуральное крестьянское хозяйство, продукты которого давали ограниченные и нестабильные излишки, достаточные для поддержания лишь сравнительно небольшого числа лучше обеспеченных обитателей (семьи ремесленников и торговцев) в основном небольших городов и представителей светской и религиозной правящей элиты.

Ежегодные урожаи в том простом обществе периода, предшествующего Новому времени, и начала Нового времени практически не демонстрировали признаков заметного роста. Аналогично почти все фундаментальные переменные эпохи домодерна — общее население, размер городов, продолжительность жизни и грамотность, поголовье скота, домашнее имущество и производительность используемых машин — росли настолько медленно, что их прогресс был очевиден только на очень длительных отрезках времени. И часто они или находились в состоянии полного застоя, или хаотично колебались вокруг удручающих средних значений, переживая длинные периоды частых регрессий. Для многих из этих феноменов у нас имеются доказательства в виде сохранившихся артефактов и жизнеописаний, и некоторые события мы можем восстановить с помощью фрагментарных записей, охватывающих века.

Например, в Древнем Египте понадобилось более 2500 лет (со времен строительства великих пирамид до постримской эры) на то, чтобы население, способное прокормиться с 1 гектара сельскохозяйственных земель, выросло вдвое (Butzer, 1976). Очевидная причина заключалась в отсутствии роста урожаев, и эта реальность сохранялась до конца Средневековья: начиная с XIV века для повышения урожайности среднестатистического английского пшеничного поля вдвое требовалось более 400 лет, причем в первые 200 лет урожаи были крайне бедными (Stanhill, 1976; Clark, 1991). Технический прогресс также шел очень медленно. В доиндустриальных цивилизациях самыми мощными механическими источниками энергии были водяные колеса, но на то, чтобы повысить их мощность в десять раз, с 2 до 20 квт, понадобилось около 17 веков (со II века нашей эры до конца XVIII века) (Smil, 2017a). Отсутствие роста урожаев или в лучшем случае слабый их рост вкупе с медленным развитием производственных и транспортных возможностей ограничивали рост городов: с 1300 года на то, чтобы население Парижа выросло вдвое и составило 400 000 человек, ушло более трех веков, но в конце XIX века население Парижа удвоилось всего за 30 лет (1856–1886) и составило 2,3 млн человек (Atlas Historique de Paris, 2016).

Многие реалии сохранялись тысячелетиями: максимальное расстояние, покрываемое конными гонцами (самый быстрый способ сообщения на больших расстояниях по суше до появления железных дорог), было оптимизировано еще в Древней Персии царем Киром, когда он связал города Сузы и Сарды после 550 года до н. э., и оно оставалось неизменным в течение следующих 2400 лет (Minetti, 2003). Средняя скорость сменных лошадей (13–16 км/ч) и расстояние, преодолеваемое одной лошадью (18–25 км в день), оставались практически постоянными. В категорию застойных попадают многие другие показатели, включая владение хозяйственными предметами в бедных семьях и уровень грамотности среди сельского населения. Эти переменные начали заметно меняться также только во второй половине раннего Нового времени.

Когда в XIX веке множество технических и социальных изменений — рост сетей железных дорог, расширение маршрутов пароходов, увеличение выпуска стали, изобретение и применение двигателей внутреннего сгорания и электричества, быстрая урбанизация, улучшение санитарных условий, растущая средняя продолжительность жизни — начало происходить с беспрецедентной скоростью, их развитие вызвало ожидания дальнейшего неуклонного роста (Smil, 2005). И эти надежды оправдывали себя (несмотря на задержки, вызванные двумя мировыми войнами, другими конфликтами и периодическими экономическими спадами), по мере того как возможности отдельных машин, сложных промышленных процессов и экономика в целом продолжали расти в течение XX века. Этот рост выливался в улучшение физических показателей (увеличение роста людей, более высокая средняя продолжительность жизни), повышение материальной обеспеченности и комфорта (измеряемых в реальных доходах или владении устройствами, облегчающими труд) и беспрецедентное развитие коммуникаций и мобильности (Smil, 2006b).

Ничто не отражает эту реальность и надежду последних десятилетий так заметно, как рост числа транзисторов и других компонентов, которые мы можем поместить на кремниевую пластину. Этот рост, как широко известно, подтверждает закон Мура, согласно которому число элементов интегральной схемы примерно удваивается каждые два года: в результате самые мощные интегральные схемы, произведенные в 2018 году, имели более 23 млрд компонентов, на семь порядков (приблизительно в 10,2 млн раз, если быть точнее) больше, чем первое подобное устройство (Intel 4004, 4-битный процессор для японского калькулятора, имевший 2300 компонентов), разработанное в 1971 году (Moore, 1965; 1975; Intel, 2018; Graphcore, 2018). Как и во всех случаях экспоненциального роста (см. главу 1), в линейной системе координат эти показатели прироста отображаются в виде резко восходящей кривой, в то время как в полулогарифмической они отображаются в виде прямой линии (рис. 0.2).

Такой прогресс привел к практически неограниченным ожиданиям еще больших успехов, и недавнее быстрое распространение разнообразных электронных устройств (и используемых ими приложений) особенно зачаровывает апологетов ускоренного роста, которые везде находят его признаки. Приведу лишь один из недавних ярких примеров. В отчете, подготовленном Оксфордской школой Мартина и опубликованном Citi, указаны следующие промежутки времени, которые понадобились, чтобы охватить 50 млн пользователей: телефон — 75 лет, радио — 38 лет, телевидение — 13 лет, интернет — 4 года и игра-приложение Angry Birds — 35 дней (Frey and Osborne, 2015). Эти заявления приписывают Citi Digital Strategy Team, но команда плохо подготовилась и проигнорировала здравый смысл.

Рис. 0.2. Ключевой маркер современного роста: закон Мура, 1971–2018. График с полулогарифмическими координатами демонстрирует устойчивый экспоненциальный рост с 10³ до 10¹⁰ компонентов на микросхему (Smil, 2017a; IBM, 2018b)

Эти цифры относятся к распространению по миру или по США? В отчете об этом не говорится, но 50 млн явно относится к США, где это число телефонов было достигнуто в 1953 году (1878 год + 75 лет). Но число телефонных номеров не равно числу абонентов, которое, учитывая средний размер семьи и распространение телефонов на работе, должно быть значительно выше. Началом телевизионного вещания можно считать несколько дат: вещание и продажа первых телевизоров в США начались в 1928 году, но 13 лет спустя, в 1941 году, в собственности по-прежнему находилось минимальное количество телевизоров, и их общее число (еще раз: аппаратов, а не пользователей) достигло 50 млн только в 1963 году. Та же ошибка повторяется с интернетом, доступ к которому миллионы пользователей имели в университетах, школах и на работе, прежде чем провели его домой. Кроме того, что считать «годом возникновения» интернета?

Все это лишь небрежный сбор данных в погоне за сенсацией, но, что еще важнее — непростительная категориальная ошибка: сравнение сложной системы, опирающейся на новую обширную инфраструктуру, с развлекательным программным обеспечением^[1]. В конце XIX века телефония была передовой системой прямых личных коммуникаций, реализация которой потребовала первой крупномасштабной электрификации общества (от добычи топлива до генерации тепловой энергии и передачи сигнала, причем значительные части американской глубинки не имели хорошей связи даже в 1920-е годы), прокладки телефонных сетей и продажи (изначально раздельных) аппаратов и трубок.

В отличие от телефонии Angry Birds или любое другое несерьезное приложение может распространяться вирусно, так как мы потратили больше века на установку последовательных компонентов физической системы, сделавшей возможным подобное распространение: ее рост начался в 1880-х годах с выработки электроэнергии и передачи сигнала и достиг кульминации в 2000-х, когда началась волна разработки и производства миллиардов мобильных телефонов и установки плотной сети вышек сотовой связи. А с учетом одновременного повышения надежности работы этой сети любые темпы распространения контента по ней становятся не такими уж и примечательными. Эту ошибку сравнения можно проиллюстрировать массой аналогий. Например, вместо телефонов можно взять распространение микроволновых печей, а вместо приложения — массовое производство попкорна для приготовления в микроволновых печах: очевидно, что скорость распространения самого популярного бренда попкорна будет быстрее, чем скорость приобретения микроволновых печей. США понадобилось около 30 лет, чтобы настольные микроволновые печи, впервые представленные в 1967 году, появились в 90 % домохозяйств.

Рост информации кажется не менее впечатляющим, хотя ее накопление — вовсе не новость. Экспоненциальный рост в книгоиздании начался с изобретения наборного шрифта (в 1450 году), и количество книг в XVIII веке достигло приблизительно 1 млн томов по сравнению с примерно 200 000 томов в XVI веке. Сегодня в среднем каждый год выходят более 2 млн книг (лидерами являются Китай, США и Великобритания) (UNESCO, 2018). Добавьте сюда графическую информацию, рост которой стал возможен сначала с помощью литографии, затем — ротогравюры, а сегодня она преимущественно распространяется с помощью электронных дисплеев мобильных устройств. Звукозапись началась с хрупкого фонографа Эдисона в 1878 году (Smil, 2018a; рис. 0.3), а сегодня миллиардам пользователей мобильных телефонов легко доступен огромный выбор звуковых файлов. Но объем изображений, постоянно собираемых целыми флотилиями разведывательных, метеорологических спутников и спутников наблюдения Земли, превосходит поток информации во всех этих категориях. Неудивительно, что совокупный рост информации напоминает гиперболическую кривую развития, характерную для глобального роста населения до 1960 года.

Рис. 0.3. Томас Эдисон со своим фонографом на фотографии Мэтью Брэди, сделанной в апреле 1878 года. Фотография из коллекции Брэди-Хэнди Библиотеки Конгресса США

Недавно появилась возможность сказать, что 90 % или более всей дошедшей до нашего времени информации было создано за предыдущие два года. Компания Seagate в 2005 году оценила объем всей информации, созданной в мире, в 0,1 зеттабайта (10²¹ Зб), в 2010 году — в 2 Зб, в 2016 году — 16,1 Зб и прогнозировала, что к 2025 году годовой объем информации составит 163 Зб (Seagate, 2017). Год спустя компания подняла предварительную оценку глобальной информационной сферы к 2025 году до 175 Зб и заявила, что рост общего объема будет продолжать ускоряться (Reinsel et al., 2018). Но если принять во внимание ключевые компоненты этого потока новых данных, то заявления об ускорении не производят особого впечатления. Приток новых, высокоцентрализованных данных включает постоянное движение электронных денег и инвестиций между крупными банками и инвестиционными компаниями, а также широкомасштабный мониторинг телефонных и интернет-коммуникаций правительственными ведомствами.

В то же время миллиарды пользователей мобильных телефонов, общающихся в социальных сетях, добровольно отказываются от неприкосновенности частной жизни, позволяя шпионским программам невозбранно следить за их сообщениями и переходами по ссылкам, анализировать индивидуальные предпочтения и слабости, которые они демонстрируют, сравнивать их с другими людьми и упаковывать их для продажи рекламодателям, желающим всучить им ненужный хлам — и сохранить в неприкосновенности экономический рост. И, конечно, потоки данных постоянно создаются людьми, носящими мобильные телефоны с включенной функцией GPS. Добавьте сюда поток бессодержательных изображений, включая несметное число селфи и видео с котиками (даже фото очень «байтоёмки»: фотография, сделанная на смартфон, обычно занимает 2–3 МБ, что в два-три раза больше, чем текст этой книги), — и беспрецедентный рост «информации» начинает вызывать скорее сожаление, чем восхищение.

И вот одно из наиболее важных нежелательных последствий этого информационного потока: время, потраченное взрослым пользователем на цифровые медиа в день, удвоилось в период между 2008 и 2015 годами и составило 5,5 часа (eMarketer, 2017), создав новую форму жизни — экранных зомби. Но быстрое распространение электроники и программного обеспечения — мелочи по сравнению с ожидаемыми в конце концов достижениями ускоренного роста, и никто не выразил их эмоциональнее Рэя Курцвейла, с 2012 года занимающего должность технического директора в Google и задолго до того изобретшего такие электронные устройства, как планшетный сканер с ПЗС-сенсорами, первый коммерческий синтезатор речи из текстовой информации и первую универсальную систему оптического распознавания текста.

В 2001 году он сформулировал свой Закон ускорения отдачи (Kurzweil, 2001, 1):

Анализ истории технологий показывает, что технологические изменения носят экспоненциальный характер, что противоречит здравому «интуитивно линейному» взгляду. В XXI веке мы пройдем не через 100 лет прогресса — скорее это будет 20 000 лет прогресса (если мерять сегодняшними темпами). «Отдача», такая как скорость работы и рентабельность интегральных схем, также растет экспоненциально. Даже экспоненциальный рост растет по экспоненте. В течение нескольких десятилетий машинный интеллект превзойдет человеческий, приведя к Сингулярности — настолько быстрым и глубоким технологическим изменениям, что они разорвут саму ткань истории человечества. Возможные последствия включают слияние биологического и небиологического интеллекта, появление бессмертных киборгов и сверхвысокие уровни интеллекта, расширяющиеся во вселенную со скоростью света.

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.

Примечания

1

Иными словами, попытка сравнения несопоставимых величин, одна из которых (приложение Angry Birds) еще и находится в нелинейной зависимости от другой (интернет). — Прим. ред.