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從“大”與“小”中,找到自然界隱藏的規律

作者: Geoffrey West

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生命也許是宇宙中最復雜、最多樣化的現象,在極大的尺度范圍中,充分展現出千變萬化的形式、功能與行為。舉例來說,根據統計,在我們居住的這顆星球上,從重量不到萬億分之一公克、非常微小的細菌,到重達一億公克、最龐大的動物藍鯨,全部的有機體中,有超過800萬種不同物種 。如果造訪過巴西的熱帶森林,你會發現,在一塊足球場大小的土地上,就有一百多種樹木,以及數千種數量超過幾百萬的昆蟲。再想想看,每一個物種活出自己生命的方式,多么各異其趣,又多么令人贊嘆;以及每一個物種受孕、出生與繁殖,以及死亡的過程,又是多么不同。很多細菌只活一個小時,而且只需要萬億分之一瓦特就能存活;但是鯨魚可以活超過一百年,而且每代謝一次僅需要幾百瓦特。 在生物如此非比尋常的生活樣態之外,更驚人的是,我們人類帶給這座星球復雜而多樣的社會生活,尤其是以城市的形式,以及城市生活中的各種特殊現象,例如商業、建筑與多元的文化,以及無數居民隱而不見的快樂與悲傷。

把如此復雜的現象與星球繞著太陽旋轉、或你手上的表與iPhone上的時間的規律性,這種非常簡單的法則相比,很自然會引人深思,在所有的復雜與多元表象之下,可不可能有一個類似的隱藏秩序。有沒有可能所有的有機體,或所有的復雜系統,從動植物到城市與公司,都在遵循著幾個簡單的法則?又或者,在世界各地的森林、大草原與城市上演的劇目,都是隨意的變化,只是一個又一個的偶然?由于賦予這些多樣性的演化過程,本身就是一種隨機性質,因此根據直覺,似乎不太可能出現任何規律性或系統性的行為。畢竟,在組成生物圈的無數有機體中,每一個次系統、每一個器官、每一個細胞類型,以及每一個基因組,都是經過自然選擇(natural selection,又譯自然淘汰、天擇)程序的演化而來,各自根據自己獨特的歷史進程,也有自己獨特的環境利基。

現在,看一下圖一到圖四(下圖)。每一個圖代表你生活中占有重要作用的數值(quantity),而且是根據大小描繪出來的。第一張圖是代謝率,顯示的是,根據動物的重量或質量(mass),一天需要多少食物才能維持生命。第二張圖是一生中的心跳次數,也是根據一系列的動物重量或質量來繪制。第三張是根據人口多少,一座城市產生的專利數量。最后一張是根據員工人數,公開上市公司的凈資產與收入。

生活中占有重要作用的數值(quantity),根據大小描繪出來。圖片來源:大塊文化提供(本圖不適用CC授權)。

生活中占有重要作用的數值(quantity),根據大小描繪出來。圖片來源:大塊文化提供(本圖不適用CC授權)。

你不必是數學家、科學家或這些領域中的專家,也能馬上看見,雖然這些圖代表的是我們生活中會面對的最復雜和多樣化的過程,但令人非常驚訝的是,每一張圖都顯示出某種簡單而有系統、有規律的原理。幾乎象是奇跡一樣,數據在圖表上的排列大致是直線,而不是由于每只動物、城市或公司都有獨特的歷史與地理偶然因素,我們可能預期會呈現出來的隨意分布。最令人吃驚的就是圖二,它顯示出,不管是只活幾年的小老鼠,還是可以活超過一百年的大鯨魚,每一只哺乳動物一生的平均心跳次數大致相同。

圖一~圖四的例子,只是無數可以呈現出縮放(scaling)關系例子的小小采樣,這種關系是在數量上描述有關動物、植物、生態系統、城市與公司幾乎所有可測量特征(measurable characteristic),如何依據尺寸大小的變化而放大或縮小。在本書中,你將會看到更多這樣的例子。這種明顯的規律性強烈顯示,在這些彼此迥異而高度復雜的現象之下,有一個共同的概念架構;而且事實上,動物、植物、人類的社會行為、城市與公司的動力與成長,其實受制于一些類似的通用“法則”。

這就是本書的主要焦點。我將會說明這些系統性的縮放法則(scaling laws)的本質與由來,他們全部如何互相關聯,以及如何帶領我們對生活的很多面向,以及最重要的全球永續問題,有一個更深刻而廣泛的理解。總的來說,這些縮放法則為我們在根本原理與觀念上開了一扇窗,有助于我們在解決一大堆橫跨科學與社會的關鍵問題時,可能找到一個量化預測架構。

本書是一種思維的方式,并試圖提出重大的問題,然后對其中一些重大問題提出重要的答案。本書也探討我們今天努力克服的很多重大挑戰與議題,從快速都市化、成長與全球永續問題,到了解癌癥、代謝,以及老化與死亡的由來,都可以在一個互相整合的統一概念架構中解決。本書探討的是,城市、公司、腫瘤以及我們的身體,是以極為明顯的類似方式運作;其中的每一個單一事物,只是代表一個普遍主題的變化形態,同時也清楚顯示,在組織、結構與動力上,有系統地呈現出驚人的規律性與相似性。其中的一個共同特點就是,他們全都非常復雜,而且是由無數的個別分子所組成,不管是分子、細胞或人,個別分子彼此關聯與互動,并透過網絡結構以多種時間與空間的尺度演變。有些網絡明顯非常具體,例如人體的循環系統或城市的道路系統,但有些比較是概念或虛擬的網絡,例如社會網絡、生態系統與網際網絡。

這個大格局的架構讓我們可以解決各式各樣引人好奇的問題,其中有些問題引發了我的研究興趣,有些問題也將在后面的章節中探討,當然有時候難免有點推測性質。以下列舉其中的一部分問題:

為什么我們可以活到120年,而不是一千或一百萬年?我們究竟為什么會死亡,什么因素為我們的壽命設下限制?可以根據組成身體的細胞與復雜分子的特點,計算出我們的壽命嗎?可以改變人體細胞與分子,從而延長人的壽命嗎?

為什么組成分子和我們大致相同的老鼠,只能活二到三年,而大象可以活到75年?除了這些差異,為什么大象、老鼠與所有的哺乳動物,一生的心跳次數大致相同,差不多15億次?

為什么從細胞、鯨魚到森林的有機體與生態系統,以一種明顯普遍、有系統,而且可以預測的方式,依據尺寸而呈現出縮放關系?為什么會有神奇數字四,它似乎大致控制了從成長到死亡的生理與生命史?

為什么我們會停止生長?為什么每天必須睡八小時?為什么我們的腫瘤比老鼠少很多,但鯨魚卻幾乎不會長腫瘤?

為什么幾乎所有的公司只存活相對很短的時間,而城市卻可以繼續成長,而且可以設法回避即使是最強盛、看似無敵的公司一定會面對的命運?

我們可以發展出一門城市與公司的科學嗎,也就是一個用量化預測架構,來了解城市與公司的動力、成長與演變的概念架構?

城市有沒有極限規模?或最適規模?動物與植物有沒有最大尺寸?可不可能有巨型昆蟲與龐大的巨型城市(megacity) ?

為什么生活步調不斷加快,為什么為了維持社經生活,就必須不斷加速創新速度?

我們要如何確保只發展了一萬年的人類工程系統,可以繼續與已經演化了數十億年的自然生物世界共存?我們能不能維持一個充滿動力的創新社會,或者我們的星球注定要充斥著貧民窟、沖突與毀滅?

在解答這些問題時,我將著重在概念性的議題,并以跨學科精神引進不同科學的觀點,以整合生物學與社會與經濟科學的基本問題,當然我是以一個理論物理學家的角度出發。因此,我甚至會進一步探討,在發展出基本粒子與自然的基本力量上,包括從大爆炸以來,宇宙演化的意義上,相同的縮放架構如何發揮重要的作用。基于這個精神,我在適當時機也試著提出挑釁與推測,但大體上,本書幾乎所有內容都有已經確立的科學研究基礎。

雖然本書的很多結果與說明都有其論據的由來,而且出處都是以數學語言寫成,但這本書無意要成為技術性與教學性的書籍,而是為了所謂的“聰明外行人”(intelligent layperson)而寫的。這是滿大的挑戰,而且意味著,在提出說明時,我必須采取某些破格的作法,而我的科學家同行如果發現,我在把數學或技術語言轉成大白話時過度簡化,也得試著忍住不要過于挑剔。對于較有數學背景的讀者,我建議可以參考相關的技術文獻。

《規模的規律和祕密》──老鼠、小鳥、雞、大象,和我們居住的城市,隱藏規模縮放的規律,掌握其中驚奇的祕密,也同時掌握企業和地球的未來

《規模的規律和祕密》──老鼠、小鳥、雞、大象,和我們居住的城市,隱藏規模縮放的規律,掌握其中驚奇的祕密,也同時掌握企業和地球的未來

文章來源:臺灣環境資訊中心

原文鏈接:http://e-info.org.tw/node/208402

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