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科學網—按同樣節奏跳舞的生命體、城市和公司

2017年5月,企鵝出版社出版瞭美國聖菲研究所前所長、著名物理學傢Geoffrey West(傑夫裡 韋斯特)的著作Scale: The Universal Laws of Growth, Innovation, Sustainability, and the Pace of Life in Organisms, Cities, Economies, and Companies(《尺度:關於增長、創新、可持續性以及生命體、城市、經濟體和企業之生命節奏的普遍規律》)。

韋斯特是復雜性科學領域的專傢。一開始,他試圖用物理學傢的嚴格性來回答生物學的一些問題,比如,為什麼動物的壽命都有個極限,不能再延長瞭?他發現,不同哺乳動物不管體型有多大差異,它們都遵從冪律尺度法則。體型越大,新陳代謝越慢,效率越高。隻要知道哺乳動物的體型大小,就可以利用冪律尺度法則算出關於這種動物的好幾樣東西:每天吃多少,心率多快,發育成熟需要多久,壽命有多長,台中牙醫工作椅工廠等等。

哺乳動物循環系統的效率與其體重之間的關系也遵從同樣的法則。比如,在對數坐標上繪出關於老鼠、人或大象等各種哺乳動物的有關參數,你會發現,平均體重每增加一倍,動物物種的能源利用效率就增加25%左右,壽命也增加25%左右。例如,鼩鼱的體重大約兩克,壽命14個月,其心臟一輩子要跳動10億次。藍鯨重約2億克(2噸)台中牙醫椅工廠批發,壽命約100歲,但一輩子的心跳次數也隻有10億次。除瞭人類,其他所有哺乳動物都較嚴格地遵從這樣的法則。人的體型比大象和藍鯨要小得多,但人一生的平均心跳次數約20億次。這一例外,可能需要用文化因素來解釋。不過,為瞭回答 人的期望壽命有多長?每天需要睡幾個小時? 這樣的問題,上述法則仍能提供幫助。總之,韋斯特證明瞭,給生命體提供能量、為生命體排除廢物的網絡可以用分形幾何來描述。

他的研究對於生物學具有重要意義。後來,他又沿用同樣的思路來研究城市。韋斯特說,我們生活在指數擴張的社會經濟系統中,湧向城市的人口加速增長。城市的優越性到底在哪裡?可以認為,城市是各種網絡的集合體,故冪律尺度法則依然成立。城市規模每增加一倍,支撐相應人口所需的道路、供電線路、自來水管道、加油站等約可減少15%。從這個意義上說,紐約是全美國最綠色的城市。特別需要指出的是,能效屬於自然科學關心的范疇。城市規模越大,相關參數不是成比例增加,而是增加得較慢,即效率越高。而在社會經濟領域(社會科學關心的范疇),相關參數卻是隨城市規模增加而增加得更快的。例如,城市規模翻番後,專利產出量和財富生產量這些我們歡迎的事物將增加15%(達到原值的115%),但是,刑事案件和疾病數量等我們厭惡的事物也將增加15%。同樣,餐館的數量、稅收總額、工資總額,甚至平均步行速度,都是隨城市規模的增長而增大的,當然,不是成比例的增大。這些規律性的東西為建立新的城市科學奠定瞭基礎。韋斯特還說,文明世界的多數問題都產生於城市,但是,城市解決這些問題所需時間比產生那些問題所用的時間要短。

再後來,韋斯特又在商業領域進行瞭類似探索。他的研究結果有助於回答為什麼有的公司興旺發達,有的公司一蹶不振。公司與城市不同的是,隨著規模增加,創新速率是相對下降而不是提升的。上市公司的平均壽命為10年。公司規模可能迅速增加,但是,其凈收入、銷售額、利潤、總資產等指標不是同比增長的。初創公司一開始的表現有點像城市,有較多的創新,後來,規模增加到一定的程度,它們往往就躺在過去的成功上吃老本,最終像動物一樣走向衰亡。

根據韋斯特的研究,盡管城市、公司和生命體是差異很大的復雜系統,但都在按照同樣的簡單節律在跳舞。

《中國科學報》 (2017-09-29 第6版 讀書)

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