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从“大”与“小”中,找到自然界隐藏的规律

作者: Geoffrey West

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生命也许是宇宙中最复杂、最多样化的现象,在极大的尺度范围中,充分展现出千变万化的形式、功能与行为。举例来说,根据统计,在我们居住的这颗星球上,从重量不到万亿分之一公克、非常微小的细菌,到重达一亿公克、最庞大的动物蓝鲸,全部的有机体中,有超过800万种不同物种 。如果造访过巴西的热带森林,你会发现,在一块足球场大小的土地上,就有一百多种树木,以及数千种数量超过几百万的昆虫。再想想看,每一个物种活出自己生命的方式,多么各异其趣,又多么令人赞叹;以及每一个物种受孕、出生与繁殖,以及死亡的过程,又是多么不同。很多细菌只活一个小时,而且只需要万亿分之一瓦特就能存活;但是鲸鱼可以活超过一百年,而且每代谢一次仅需要几百瓦特。 在生物如此非比寻常的生活样态之外,更惊人的是,我们人类带给这座星球复杂而多样的社会生活,尤其是以城市的形式,以及城市生活中的各种特殊现象,例如商业、建筑与多元的文化,以及无数居民隐而不见的快乐与悲伤。

把如此复杂的现象与星球绕着太阳旋转、或你手上的表与iPhone上的时间的规律性,这种非常简单的法则相比,很自然会引人深思,在所有的复杂与多元表象之下,可不可能有一个类似的隐藏秩序。有没有可能所有的有机体,或所有的复杂系统,从动植物到城市与公司,都在遵循着几个简单的法则?又或者,在世界各地的森林、大草原与城市上演的剧目,都是随意的变化,只是一个又一个的偶然?由于赋予这些多样性的演化过程,本身就是一种随机性质,因此根据直觉,似乎不太可能出现任何规律性或系统性的行为。毕竟,在组成生物圈的无数有机体中,每一个次系统、每一个器官、每一个细胞类型,以及每一个基因组,都是经过自然选择(natural selection,又译自然淘汰、天择)程序的演化而来,各自根据自己独特的历史进程,也有自己独特的环境利基。

现在,看一下图一到图四(下图)。每一个图代表你生活中占有重要作用的数值(quantity),而且是根据大小描绘出来的。第一张图是代谢率,显示的是,根据动物的重量或质量(mass),一天需要多少食物才能维持生命。第二张图是一生中的心跳次数,也是根据一系列的动物重量或质量来绘制。第三张是根据人口多少,一座城市产生的专利数量。最后一张是根据员工人数,公开上市公司的净资产与收入。

生活中占有重要作用的数值(quantity),根据大小描绘出来。图片来源:大块文化提供(本图不适用CC授权)。

生活中占有重要作用的数值(quantity),根据大小描绘出来。图片来源:大块文化提供(本图不适用CC授权)。

你不必是数学家、科学家或这些领域中的专家,也能马上看见,虽然这些图代表的是我们生活中会面对的最复杂和多样化的过程,但令人非常惊讶的是,每一张图都显示出某种简单而有系统、有规律的原理。几乎象是奇迹一样,数据在图表上的排列大致是直线,而不是由于每只动物、城市或公司都有独特的历史与地理偶然因素,我们可能预期会呈现出来的随意分布。最令人吃惊的就是图二,它显示出,不管是只活几年的小老鼠,还是可以活超过一百年的大鲸鱼,每一只哺乳动物一生的平均心跳次数大致相同。

图一~图四的例子,只是无数可以呈现出缩放(scaling)关系例子的小小采样,这种关系是在数量上描述有关动物、植物、生态系统、城市与公司几乎所有可测量特征(measurable characteristic),如何依据尺寸大小的变化而放大或缩小。在本书中,你将会看到更多这样的例子。这种明显的规律性强烈显示,在这些彼此迥异而高度复杂的现象之下,有一个共同的概念架构;而且事实上,动物、植物、人类的社会行为、城市与公司的动力与成长,其实受制于一些类似的通用“法则”。

这就是本书的主要焦点。我将会说明这些系统性的缩放法则(scaling laws)的本质与由来,他们全部如何互相关联,以及如何带领我们对生活的很多面向,以及最重要的全球永续问题,有一个更深刻而广泛的理解。总的来说,这些缩放法则为我们在根本原理与观念上开了一扇窗,有助于我们在解决一大堆横跨科学与社会的关键问题时,可能找到一个量化预测架构。

本书是一种思维的方式,并试图提出重大的问题,然后对其中一些重大问题提出重要的答案。本书也探讨我们今天努力克服的很多重大挑战与议题,从快速都市化、成长与全球永续问题,到了解癌症、代谢,以及老化与死亡的由来,都可以在一个互相整合的统一概念架构中解决。本书探讨的是,城市、公司、肿瘤以及我们的身体,是以极为明显的类似方式运作;其中的每一个单一事物,只是代表一个普遍主题的变化形态,同时也清楚显示,在组织、结构与动力上,有系统地呈现出惊人的规律性与相似性。其中的一个共同特点就是,他们全都非常复杂,而且是由无数的个别分子所组成,不管是分子、细胞或人,个别分子彼此关联与互动,并透过网络结构以多种时间与空间的尺度演变。有些网络明显非常具体,例如人体的循环系统或城市的道路系统,但有些比较是概念或虚拟的网络,例如社会网络、生态系统与网际网络。

这个大格局的架构让我们可以解决各式各样引人好奇的问题,其中有些问题引发了我的研究兴趣,有些问题也将在后面的章节中探讨,当然有时候难免有点推测性质。以下列举其中的一部分问题:

为什么我们可以活到120年,而不是一千或一百万年?我们究竟为什么会死亡,什么因素为我们的寿命设下限制?可以根据组成身体的细胞与复杂分子的特点,计算出我们的寿命吗?可以改变人体细胞与分子,从而延长人的寿命吗?

为什么组成分子和我们大致相同的老鼠,只能活二到三年,而大象可以活到75年?除了这些差异,为什么大象、老鼠与所有的哺乳动物,一生的心跳次数大致相同,差不多15亿次?

为什么从细胞、鲸鱼到森林的有机体与生态系统,以一种明显普遍、有系统,而且可以预测的方式,依据尺寸而呈现出缩放关系?为什么会有神奇数字四,它似乎大致控制了从成长到死亡的生理与生命史?

为什么我们会停止生长?为什么每天必须睡八小时?为什么我们的肿瘤比老鼠少很多,但鲸鱼却几乎不会长肿瘤?

为什么几乎所有的公司只存活相对很短的时间,而城市却可以继续成长,而且可以设法回避即使是最强盛、看似无敌的公司一定会面对的命运?

我们可以发展出一门城市与公司的科学吗,也就是一个用量化预测架构,来了解城市与公司的动力、成长与演变的概念架构?

城市有没有极限规模?或最适规模?动物与植物有没有最大尺寸?可不可能有巨型昆虫与庞大的巨型城市(megacity) ?

为什么生活步调不断加快,为什么为了维持社经生活,就必须不断加速创新速度?

我们要如何确保只发展了一万年的人类工程系统,可以继续与已经演化了数十亿年的自然生物世界共存?我们能不能维持一个充满动力的创新社会,或者我们的星球注定要充斥着贫民窟、冲突与毁灭?

在解答这些问题时,我将着重在概念性的议题,并以跨学科精神引进不同科学的观点,以整合生物学与社会与经济科学的基本问题,当然我是以一个理论物理学家的角度出发。因此,我甚至会进一步探讨,在发展出基本粒子与自然的基本力量上,包括从大爆炸以来,宇宙演化的意义上,相同的缩放架构如何发挥重要的作用。基于这个精神,我在适当时机也试着提出挑衅与推测,但大体上,本书几乎所有内容都有已经确立的科学研究基础。

虽然本书的很多结果与说明都有其论据的由来,而且出处都是以数学语言写成,但这本书无意要成为技术性与教学性的书籍,而是为了所谓的“聪明外行人”(intelligent layperson)而写的。这是满大的挑战,而且意味着,在提出说明时,我必须采取某些破格的作法,而我的科学家同行如果发现,我在把数学或技术语言转成大白话时过度简化,也得试着忍住不要过于挑剔。对于较有数学背景的读者,我建议可以参考相关的技术文献。

《规模的规律和祕密》──老鼠、小鸟、鸡、大象,和我们居住的城市,隐藏规模缩放的规律,掌握其中惊奇的祕密,也同时掌握企业和地球的未来

《规模的规律和祕密》──老鼠、小鸟、鸡、大象,和我们居住的城市,隐藏规模缩放的规律,掌握其中惊奇的祕密,也同时掌握企业和地球的未来

文章来源:台湾环境资讯中心

原文链接:http://e-info.org.tw/node/208402

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