Большие и малые размеры связаны с проблемами, общими для всего физического мира, будь то солнечная система, мост или наручные часы. Но существуют еще проблемы, свойственные исключительно живым системам — отдельным существам и целым городам.
Рассмотрим сначала физический мир. Проблемы механической неустойчивости возникают, например, потому, что силы притяжения и силы сцепления подчиняются разным количественным закономерностям. Большой ком земли легче разбить, бросив его на землю, чем маленький. Растущий ледник частично тает, частично ломается и преобразуется в новую форму в виде обвалов — более мелких элементов, отрывающихся от основного массива. И наоборот, даже в физическом мире очень малое может стать неустойчивым в силу нелинейности соотношения между площадью поверхности и весом. Когда мы хотим растворить некоторое вещество, мы разбиваем его на более мелкие части, потому что у мелких частей отношение поверхности к объему больше, чем у крупных, и, следовательно, больше площадь соприкосновения с растворителем. Большие куски исчезнут последними. И так далее.
Может быть, следующая притча поможет нам применить эти мысли к более сложному миру живых организмов:
ИСТОРИЯ О ПОЛИПЛОИДНОЙ ЛОШАДИГоворят, члены нобелевского комитета до сих пор смущаются, когда кто-нибудь упоминает о полиплоидных лошадях. Однако, доктор П. Ю. Посиф, великий эревхонский [Эревхон (Erewhon), анаграмма от nowhere — название сатирической повести С. Батлера, означающее «Нигде». — Прим. перев.] генетик, получил в конце 1980-х годов премию за манипуляцию с ДНК обычной тягловой лошади (Equus caballus). Говорили, что он внес большой вклад в тогда еще молодую науку — транспортологию. Во всяком случае, он получил премию за создание — ни одно другое слово не подошло бы лучше к этой отрасли прикладной науки, столь смело покусившуюся на роль божества — за создание, говорю я, лошади ровно вдвое большего размера, чем обычная клайдсдейлская лошадь-тяжеловоз. Она была в два раза длиннее, в два раза выше и в два раза толще. Она была полиплоидом и обладала четырехкратным набором хромосом.
П. Ю. Посиф всегда утверждал, что когда-то, когда это чудесное животное было еще жеребенком, оно могло самостоятельно стоять на своих четырех ногах. Замечательное, наверное, это было зрелище! Как бы то ни было, когда эту лошадь впервые показали публике и запечатлели с помощью всевозможных коммуникационных средств современной цивилизации, она уже не стояла. Короче говоря, она была слишком тяжелой. Еще бы, ведь она весила в восемь раз больше, чем обычная лошадь клайдсдейлской породы.
Доктор Посиф всегда настаивал на том, чтобы во время публичных демонстраций и съемок убирались шланги, с помощью которых приходилось поддерживать температуру этой лошади на обычном для млекопитающих уровне. Но мы всегда боялись, что ее внутренние органы сварятся. Ведь шкура и подкожный жир бедного животного были в два раза толще обычного, а площадь его поверхности была всего в четыре раза больше, чем у обычной лошади, поэтому она не могла как следует охлаждаться.
Каждое утро эту лошадь приходилось поднимать на ноги с помощью маленького подъемного крана и помещать ее в некоторое подобие ящика на колесах, где она висела на веревках, облегчавших нагрузку на ее ноги в два раза.
Доктор Посиф не уставал повторять, что это животное отличается необыкновенным умом. Действительно, ее мозг был в восемь раз больше (по весу), чем у любой другой лошади, но я никогда не видел, чтобы ее занимали более сложные вопросы, чем те, что занимают других лошадей. У нее было очень мало свободного времени, она всегда была чем-то занята, всегда тяжело дышала — отчасти, чтобы охладиться, отчасти, чтобы насытить кислородом свое восьмикратное тело. Ведь площадь сечения ее дыхательного горла была больше обычного всего в четыре раза.
А питание? Каждый день она должна была ухитриться съесть в восемь раз больше пищи, чем требуется обычной лошади, и всю эту пищу ей приходилось проталкивать по пищеводу лишь вчетверо больше обычного. Относительный размер кровеносных сосудов тоже был меньше обычного, и это затрудняло кровообращение и увеличивало нагрузку на сердце.
Бедное животное.
На примере этой истории видно, что неизбежно происходит, когда сталкиваются две или более переменных с несовместимыми графиками. Именно так возникает взаимодействие между изменением и его допустимым пределом. Например, постепенный рост численности — автомобилей или населения — не оказывает заметного влияния на транспортную систему, пока внезапно не достигается пороговое значение, и тогда возникают пробки. Критическое значение одной переменной выявляется при изменении другой.
Из всех примеров этого рода наиболее известно поведение расщепляющегося материала в атомной бомбе. Естественный уран встречается в природе, и в нем постоянно происходит деление атомных ядер, но это не приводит к взрыву, так как не возникает цепная реакция. При делении из каждого атома вылетает нейтрон, и если он попадает в другой атом урана, то может расщепить его, но бOльшая часть нейтронов просто теряется. Пока кусок урана не достигает некоторого критического размера, на каждое испускание нейтрона в среднем приходится менее одного столкновения нейтрона с каким-либо атомом, и реакция угасает. Если размер этого куска увеличить, то в атомы будет ударять бOльшая доля нейтронов, вызывая их деление. В этом случае процесс будет усиливаться по экспоненте и окончится взрывом.
В случае нашей воображаемой лошади размеры, площадь поверхности и объем (или масса) приходят в противоречие друг с другом, так как эти величины возрастают по отношению друг к другу нелинейно. Поверхность меняется, как квадрат длины, объем — как куб длины, и поверхность — как объем в степени 2/3.
Для лошади (как и для всех живых существ) этот вопрос становится особенно серьезным, потому что для сохранения жизни необходимо поддерживать множество внутренних процессов. Между кровью, пищей, кислородом и продуктами выделения существует внутренняя система равновесия, а также система обмена информацией, передающейся в форме нервных и гормональных сообщений.
Дельфин вида морская свинья, имеющий длину около трех футов, слой подкожного жира толщиной около одного дюйма и площадь поверхности около шести квадратных футов, обладает известным запасом тепла, с легкостью позволяющим ей поддерживать равновесие с окружающей средой в арктических водах. Можно только догадываться, каким должен быть запас тепла у большого кита, длина которого примерно в десять раз больше, чем у такого дельфина (а значит, объем — в 1000 раз, а площадь поверхности в 100 раз), и слой подкожного жира которого составляет почти двенадцать дюймов. Наверное, у этих китов прекрасно развита система снабжения, управляющая движением крови в спинном и хвостовом плавниках, куда все китообразные отводят лишнее тепло.
Проблема размера усложняется еще и тем, что живые существа растут. Изменятся ли в процессе роста пропорции организма? Эти проблемы ограничения роста встречаются в самых разных формах у разных живых существ.
Простой пример — пальма, у которой толщина ствола возрастает недостаточно, чтобы компенсировать его высоту. У дуба растущая ткань (камбий) находится между древесиной и корой, поэтому он растет в высоту и в ширину всю жизнь. Но кокосовая пальма, у которой растут только ткани на верхушке ствола (так называемый «салат миллионера», который можно добыть только погубив пальму), вытягивается все выше и выше, а толщина ствола в нижней части растет очень медленно. Ограничение высоты для этого организма — просто естественная часть адаптации к его экологической нише. Пальма умирает естественным образом, когда избыточная высота ствола, не уравновешенная его толщиной, приводит к потере механической устойчивости.
Многие растения избегают (или решают?) эти проблемы ограничения роста, связывая продолжительность своей жизни с временем года или с собственным циклом воспроизводства. Однолетние растения каждый год производят новое поколение, а растения вроде так называемого «столетнего дерева» (юкка) могут жить много лет, но, подобно лососю, неизбежно умирают, произведя потомство. У юкки совсем нет ветвей, кроме многочисленных веток цветущей кроны. Ветвящийся цветонос и образует завершение ее ствола; когда он выполняет свою функцию, растение умирает. Смерть юкки — естественное явление при ее образе жизни.
Некоторые высшие животные контролируют свой рост. Животное достигает размера, возраста или стадии, когда рост просто прекращается (т. е. останавливается с помощью химических или иных сигналов в организме животного). Клетки, получающие эти сигналы, перестают расти и делиться. Когда из-за сбоев в посылке или получении сигнала процесс роста выходит из-под контроля, развивается рак. Где и в ответ на какой стимул возникают эти сигналы? С помощью каких химических веществ они могут передаваться? Чем вызвана почти безупречная двусторонняя симметрия тела у млекопитающих? Примечательно, как мало мы знаем о сигнальной системе, контролирующей процесс роста. Это должна быть целая система взаимосвязей, которую мы знаем еще очень плохо.
