21.05.25
Цепная реакция и связанное с ней поведение систем – это полезная метафора, имеющая приложения за пределами эпидемиологии или конструирования атомной бомбы. Положительные обратные связи, характерные для сверхкритических и неустойчивых систем, возникают в социальных сетях, где наши лайки, ретвиты и хештеги позволяют новостям, реальным или фейковым, распространяться на просторах интернета. В определенных условиях новости и мемы становятся вирусными.
Так, например, 27 января 2017 года президент США Дональд Трамп ввел своим указом иммиграционные ограничения для жителей ряда стран. Начались задержания и депортации из аэропортов. Общественное мнение разделилось, начались многочисленные акции протеста. На помощь иммигрантам во многих городах выдвинулись добровольцы. В знак протеста профсоюз таксистов Нью-Йорка объявил о забастовке: таксисты отказались забирать пассажиров из аэропорта имени Дж. Кеннеди в течение часа, с 18:00 до 19:00.
А 29 января в 19:30 компания Uber, популярный сервис онлайн-заказа такси, объявила в своем твиттер-аккаунте о выключении системы «surgepricing», повышающей цену на проезд во время высокого спроса. На первый взгляд, в решении компании была логика: специалисты посчитали, что неизбежный в условиях забастовки рост цен на услуги Uber может показаться стремлением заработать на чужой беде.
Тем не менее жизнь богаче любого вымысла. Решение Uber усугубило транспортный коллапс в аэропорту, ведь, несмотря на значительное увеличение желающих уехать на такси, водители Uber не видели увеличения спроса. В знак протеста пользователь соцсети с ником @Bro_Pair ретвитнул сообщение Uber с хештегом #DeleteUber, призвав пользователей сервиса удалить свою учетную запись. Этот момент ознаменовал начало очень плохого года в истории компании.
Хештег #DeleteUber находился в «трендовых новостях» в течение двух дней. По разным оценкам, за февраль 2017 года Uber потерял от 200 000 до 400 000 пользователей. В феврале тогдашний генеральный директор Uber Трэвис Каланик был вынужден покинуть совет по делам бизнеса при президенте Трампе. Имидж компании серьезно пострадал, и за твиттер-инцидентом последовали еще более серьезные скандалы. В это же время конкурент Uber, компания Lyft, еще недавно ведущая переговоры по продаже бизнеса конкуренту, увеличила число пользователей на 30 %. Уже в апреле 2017-го Lyft привлек $600 млн инвестиций. Неплохо для одного твита, не так ли?
Когда речь идет о вирусах, чаще всего на ум приходят микроорганизмы, вызывающие болезни, или компьютерные вирусы. Не менее опасными могут быть мемы – обращенные в оружие теории заговора, политические теории и слухи, фейковые новости. Перефразируя Карла Маркса, можно сказать, что мемы, овладев массами, становятся материальной силой. Печатный пресс упростил распространение информации и «взорвал» Европу, пропагандируя идеи Реформации. В результате мы получили столетие войн всех против всех. В XX веке с помощью новейших средств коммуникации, массовых газет и радио самые «успешные» мемы, такие как нацизм и коммунизм, привели к гибели сотен миллионов людей. Это эффект, сравнимый с печальным результатом другой вирусной инфекции – возможно, самой крупной пандемии в истории нашего вида, эпидемии гриппа «испанки» в 1917–1918 годах, погубившей, по некоторым оценкам, до 100 млн человек.
Социальные сети еще в большей степени облегчают распространение информации и стирают границы между группами людей и странами. В умелых руках интернет-предпринимателей или политических троллей новые технологии становятся оружием, которое может привести к появлению самых разрушительных мемов. Крис Уэзерелл, разработчик компании Twitter, создал кнопку «retweet» и тем самым радикально повысил коэффициент размножения для мемов в интернете. Сегодня Крис сожалеет о том решении: «Это как дать четырехлетнему ребенку заряженное ружье, вот что мы тогда сделали».
Старение и взрыв
При ближайшем рассмотрении оказывается, что многие процессы, связанные со старением или даже сам процесс старения, могут обладать признаками цепной реакции. Интуитивно понятно, что каждое новое хроническое заболевание будет снижать способности организма противостоять новым, а значит, и организм как целое тоже окажется неустойчивым и количество хронических заболеваний у пациента может нарастать в геометрической прогрессии.
Примерно в 2012 году вместе с моим первым научным руководителем профессором Леонидом Меньшиковым, физиком-теоретиком из Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», и нашим американским коллегой Робертом Шмуклером Рисом, специалистом в области молекулярной биологии и генетики старения и рекордсменом в деле увеличения продолжительности жизни многоклеточных животных, мы попробовали выяснить связь между экстремальной стрессовой устойчивостью, характерной для медленно стареющих видов, и динамикой старения. Мы прибегли к «мысленному эксперименту» и обратились к элементарной модели одноклеточного организма.
Характер любого организма определяется генетической информацией, которая записана в виде последовательности определенных химических групп – «букв» генетического кода. Полная длина ДНК в одной клетке человека больше двух метров! Чтобы уместиться внутри крошечного ядра, ей приходится многократно извиваться так, что для постоянного чтения генетической информации требуется сложнейшая хореография молекулярной машинерии, а деформации неизбежны.
Андрей Гудков из Комплексного онкологического центра имени Розуэлла Парка (Буффало, США), один из самых авторитетных специалистов в области биологии старения, очень наглядно сравнил ежесекундно возникающие трудности в работе генетической машины с проблемой распутывания многокилометровой лески, утопленной в маленьком пруду. Каждый, кто раз в жизни сталкивался с узлом из двухметровой лески, должен оценить масштаб бедствия. Это настоящая топологическая катастрофа!
Чтобы распутать такую леску и добраться до каждого нужного кусочка ДНК, существует целый комплекс молекулярных машин – белков, способных обеспечить практически беспрепятственное прохождение двух цепочек ДНК сквозь друг друга. Андрей сравнивает работу этих молекул-топоизомераз с пираньями в пруду: они способны разрезать одну из цепочек ДНК, удержать куски, пока другая цепочка проходит сквозь разрез, а потом сшить разрезанный кусок заново. Время от времени в результате такой непрерывной ДНК-рубки возникают механические повреждения, когда обе цепи ДНК разорваны и нормальная работа клеточных механизмов оказывается невозможной.
Прямые механические повреждения – это скорее даже экзотика. Я привел этот пример, чтобы показать, с какими сложнейшими проблемами приходится сталкиваться каждой клетке каждую секунду нашей жизни в «житейских» ситуациях, которые мы даже не воспринимаем как стрессовые.
Существует масса разрушающих воздействий на ДНК. В первую очередь приходят на ум свободные радикалы, такие как активные (или как еще их называют, реактивные) формы кислорода, которые возникают в результате работы метаболической машины и неточной работы «сборочных систем» и вызывают химические модификации молекул белков или ДНК.
Помимо внутренних причин повреждения генетического кода существует и масса внешних. Буквально самым ярким примером являются ультрафиолетовые лучи, способные привести к сшивкам тиминовых оснований, которые мешают работе ДНК-связывающих энзимов. Результат взаимодействия излучения и биологических молекул можно увидеть очень просто: достаточно посмотреть на кожу человека, который провел несколько часов на солнце в хороший летний день без адекватной защиты.
Часто приходится слышать, что старение и болезни являются результатом повреждений нашей ДНК. Может показаться, что данные нам с рождения системы исправления генетических поломок оставляют желать лучшего и нам просто необходимо их улучшить биоинженерными способами.
На самом деле наши драгоценные гены защищены чрезвычайно эффективными молекулярными машинами, ежесекундно исправляющими колоссальное количество ошибок. Дело в том, что, прежде чем я начал писать эту книгу, а вы получили возможность ее прочитать, наши бесчисленные предки столкнулись с невероятными кризисами, зачастую ставящими под сомнения само существование жизни на нашей планете. Следы этих эпических событий навсегда остались в нашем геноме в виде все более совершенных защитных систем.
Вернемся на миллиард лет назад. Защита от ультрафиолетовых лучей была куда более актуальной на заре жизни на нашей планете. Солнечный свет был источником генетических повреждений, но одновременно и неисчерпаемым источником энергии. Овладение солнечной энергией (фотосинтез) сделало живые организмы геологической силой и позволило навсегда изменить состав атмосферы, насытив ее кислородом, а следовательно, и озоном (молекулярная форма кислорода, накапливающаяся в стратосфере в виде тонкого защитного экрана и защищающая все живое от ультрафиолетового излучения). Однако Солнце не единственный источник смертельных лучей.
Если кто считает, что природа – мать ваша – как-то особенно вас любит (и потому требует взаимности), предлагаю подумать вот о чем. Вспышки гамма-излучения – результаты взрывов сверхновых или слияний нейтронных звезд и черных дыр. При одном таком событии может выделяться энергия, примерно равная полной энергии излучения Солнца за все время его существования.
Предполагается, что гамма-лучи не могут преодолеть атмосферу нашей планеты в достаточной степени, чтобы повредить живым организмам напрямую. Однако уничтожить озоновый слой и обеспечить массовое вымирание ему под силу. В случае, если вспышка гамма-излучения произойдет недалеко от нашей Солнечной системы, сопутствующие ему космические лучи могут вызвать лучевую болезнь у всех жителей стороны планеты, обращенной к взрыву.
В 2014 году исследователи Цви Пиран и Рауль Хименес из Еврейского университета в Иерусалиме и Барселонского университета опубликовали статью31, согласно которой вероятность гамма-вспышки, достаточной для массового вымирания на нашей планете, составляет 50 % за последние 500 млн лет и примерно 90 % за последние 5 млрд лет. Для сравнения: возраст Солнечной системы – примерно 4,6 млрд лет, а значит, нашим далеким предкам почти наверняка пришлось столкнуться с чем-то подобным.
Существует гипотеза, что так называемое ордовикско-силурийское вымирание – массовая катастрофа, случившаяся около 450–440 млн лет назад, – было вызвано как раз вспышкой гиперновой в ближайших галактических окрестностях. Это третье по силе, то есть по доле вымерших родов, из известных нам случаев массового вымирания в истории Земли и второе – по потерям в количестве живых организмов. В пользу космических причин катастрофы говорят палеонтологические данные: предполагается, что в большей степени пострадали животные, обитающие на небольшой глубине и потому более чувствительные к ультрафиолетовому излучению.
Чтобы лучше понять, с чем пришлось иметь дело нашим предкам, обратите внимание на тихоходок, или водяных медведей. Эти маленькие беспозвоночные, размером всего 0,1–1,5 мм, являются, возможно, самыми живучими организмами на нашей планете.
Чуть что не так, тихоходки способны впадать в состояние анабиоза, в котором могут находиться годами. Животные способны переживать экстремальные давления (до 6000 атмосфер, что в 5,5 раза больше, чем на дне Марианской впадины), практически полное обезвоживание (доля воды при этом может доходить до 1 % от нормы, а уровень метаболизма падает до 0,01 % от нормы). В литературе отмечены случаи выживания этих существ в течение 8–10 часов как при экстремально низких температурах, так и при температуре свыше 60–65 ℃.
Тихоходки – первые живые организмы, для которых установлена способность выживать в космическом пространстве. Первые такие данные были получены в 2007 году в результате международного эксперимента на борту отечественного спутника «Фотон-М3»32. Водяные медведи выжили и дали жизнеспособное потомство после того, как провели более 10 дней на поверхности спутника. Эксперимент проводился в космическом вакууме в разных условиях: в тени и под действием космических лучей, включая солнечное излучение. В 2011-м аналогичные результаты были получены итальянскими учеными на борту Международной космической станции.
Эти и другие эксперименты показывают, что тихоходки в состоянии выдержать в 1000 раз более высокий уровень ионизирующего излучения, чем любые другие организмы (5000 Грей гамма-радиации против примерно 5 Грей предельной дозы для человека).
Организмы, похожие на водяных медведей, появились впервые 530 млн лет назад, в кембрийском периоде, и с тех пор пережили все массовые вымирания. В определенном смысле тихоходки являются живыми ископаемыми, памятниками изобретательности природы в искусстве молекулярной инженерии, овладение которой потребовалось для выживания на нашей планете.
Даже удивительно, что, несмотря на колоссальные возможности выживания в экстремальных условиях, тихоходки живут в самых обычных обстоятельствах: рядом с нами, в моховых и лишайниковых подушках на земле, деревьях и скалах.
В качестве интеллектуального упражнения предлагаю читателю задуматься о том, зачем эволюция позволила себе причуду создать «абсолютно неубиваемое» живое существо, способное пережить ядерную войну и перелет на Марс, а поселила его на мокром камне рядом с вашим домом. Постарайтесь придумать что-нибудь правдоподобное.
Попробовали? Позвольте спросить, что получилось? Правильно я понял, что, по вашей версии, тихоходки ждут извержения вулкана или очередной атомной войны (в зависимости о того, что вероятнее в вашем районе), всегда готовые подняться в стратосферу и, поймав солнечный ветер, найти себе новую планету?
В каждой шутке есть доля шутки: известнейший американский авиаконструктор, руководитель легендарной Skunk Works33, Бен Рич, приложивший руку к разработке самолетов-шпионов U-2 и SR-71, отмечал в своих мемуарах, что на высоте свыше 20 000 м самолет все равно сталкивается с насекомыми. На скорости свыше трех скоростей звука каждое такое столкновение – это серьезное испытание для лобового стекла, оптики и поверхности самолета. Американские инженеры предполагали, что насекомые в верхних слоях атмосферы могли появиться в результате открытых ядерных испытаний. Может, это и так, а может, и нет. Кто на самом деле знает, насколько далеко распространяется биосфера Земли?
Если без шуток, то в апреле 2019 года на поверхности Луны разбился израильский исследовательский космический аппарат «Берешит». На его борту были тихоходки, и американский предприниматель-инноватор Нова Спивак, глава биологического проекта «Миссия Ковчег», который и отправил их в космос в целях эксперимента, абсолютно уверен: они выжили при крушении и находятся сейчас на поверхности спутника Земли.
Вернемся в наши дни: мы живем в лучшее из времен, а сотни миллионов лет тягот и эволюционных лишений позволили создать организмы, совершенные настолько, что практически любые молекулярные повреждения могут быть быстро исправлены. Почему же тогда наши гены повреждаются с возрастом и мы все равно стареем?
Для ответа давайте задумаемся: что произойдет, если космическая частица повреждает молекулу ДНК и нарушает работу какого-то из генов? Легко себе представить, что за то время, которое потребуется системе коррекции ошибок на восстановление последовательности гена, синтез белка, аминокислотная последовательность которого закодирована в гене, станет невозможен. А это значит, что в молекулярной конфигурации клетки возникнет ошибка. Что произойдет дальше?
Каждая из таких ошибок, если она сохранится достаточно долго, может привести к изменению состояния всего организма. Запущенный каскад молекулярных событий может привести к дерегуляции работы еще некоторого количества генов, которые в свою очередь начнут производить не вовремя (или вовремя не производить) еще больше новых молекул, что может привести к новым и новым ошибкам.
На математическом языке простейшая модель жизни и смерти выглядит так. Предположим, что «поврежденный» физически либо на уровне регуляции ген производит неправильно или не вовремя некоторое количество молекул, то есть молекулярных ошибок. Каждая из них дерегулирует работу определенного количества генов. Исправление генетических и молекулярных дефектов требует времени, и в зависимости от скорости производства новых молекул или устранения повреждений каждая ошибка в геноме в среднем производит определенное количество новых молекулярных повреждений.
Узнаете язык? Коэффициент размножения молекулярных повреждений растет, если системы исправления повреждений неэффективны (времена жизни повреждений или ошибок в геноме или среди биомолекул велики). Точно так же высокая скорость метаболизма требует высокого темпа производства новых молекул, что автоматически означает, что так же быстро будут умножаться и регуляторные ошибки.
Как только коэффициент размножения повреждений в организме оказывается больше единицы, абсолютно так же, как и в случае с инфекцией или по аналогии с ядерным реактором, молекулярные ошибки будут неограниченно размножаться. Другими словами, наш воображаемый (или похожий на него реальный) организм окажется неустойчивым и в конечном итоге разрушится, то есть умрет.
Несмотря на кажущуюся простоту, в неустойчивом режиме наш модельный организм в мысленном эксперименте стареет и умирает по закону Гомперца – Мейкхама так же, как мы с вами. Модель показывает, что, понижая уровень метаболизма или повышая эффективность систем исправления ошибок, можно замедлить старение.
Важно, что разрушение организма в этом случае произошло бы не в силу того, что возникают ошибки или повреждения, которые невозможно устранить. Помните, мы предположили, что наш воображаемый организм бесконечно эволюционно совершенен и способен справиться с любыми проблемами? Даже в этом случае может возникнуть старение в зависимости от генетических настроек, определяющих «чувствительность» организма к повреждениям и балансирующих потоки энергии для удовлетворения потребностей роста и регенерации.
Скептики заметят, что наша модель является драматическим упрощением, если не оскорблением, по отношению к сложности реальных биологических систем. Тем не менее, по крайней мере в мысленном эксперименте, старение может возникнуть или исчезнуть в одной и той же системе в результате непрерывного и зачастую небольшого изменения параметров. Это значит, что для того, чтобы остановить старение, не нужно придумывать никаких новых механизмов, достаточно научиться правильно использовать те, что у нас уже есть.
Жизнь в безразличном равновесии
Если и правда все так просто и небольшими изменениями настроек молекулярной машины можно добиться полного выключения старения, то почему же тогда нас окружают стареющие организмы?
Ответ может показаться неожиданным, а первый раз его версию я услышал от профессора Роберта Шмуклера Риса во время одного из моих регулярных визитов в столицу Арканзаса – город Литл-Рок. Роберт был одним из первых, кто обратил внимание на экстремальную стрессовую устойчивость и продолжительность жизни мутанта, генетически модифицированного червя-нематоды, способного прожить в 10 (!) раз дольше, чем его «нормальный» здоровый собрат.
Профессор заставил меня подумать о том, что произойдет, если мы выпустим таких сверхдолгоживущих мутантов в одну и ту же среду, что и нормальных червей. Окажется, что замедленное развитие – характерная черта долгоживущих организмов – обернется тем, что нормальные черви успеют много раз размножиться так, что для потомков нашего героя просто не останется еды! Всего через несколько поколений отпрысков червей с геном долголетия практически не останется.
Не то чтобы я хотел вас отговорить от нашего квеста за долголетием. Давайте тем не менее обсудим все неудобства, возникающие у медленно стареющих животных. Эффект снижения коэффициента размножения дефектов в организме проще всего получить за счет снижения скорости метаболизма, в то время как доля энергии, затрачиваемая на исправление молекулярных повреждений, должна увеличиться. Как мы уже обсудили в разделе про универсальные законы роста, такой организм будет медленнее расти и позже достигнет зрелости, чем его собратья, у которых коэффициент размножения молекулярных дефектов окажется чуточку выше. Чрезмерный рост коэффициента размножения далеко в область неустойчивых значений приведет к быстрому разрушению организма задолго до достижения зрелости.
Мутации, приводящие к небольшим изменениям коэффициента размножения, должны происходить все время, и естественный отбор подберет такие параметры, которые оптимизируют траекторию роста в зависимости от специфики факторов смертности и конкуренции за ресурсы.
Если время жизни организма ограничено из-за риска инфекционных заболеваний или столкновения с хищниками, то можно даже получить эволюционное преимущество, оперируя организмом в предельно неустойчивом режиме – так, чтобы рост происходил как можно быстрее, а разрушение организма в результате старения происходило медленнее, чем смертность от внешних причин.
Вот почему, возможно, даже в большинстве случаев мы имеем дело с «нормально стареющими», то есть экспоненциально разрушающимися, организмами. У «эволюционно несовершенных» животных – тех, для которых внешние факторы являются определяющими в структуре смертности, – естественный отбор оптимизирует скорость перебора генетических вариантов – признаки, связанные с ростом и размножением в ущерб системам контроля повреждений.
«Генетическая рулетка», работающая на максимальной скорости, при которой все еще возможно деторождение, позволяет сделать больше попыток произвести на свет более приспособленных к факторам среды мутантов.
Как только задача адаптации к новой экологической нише оказывается решена, пусть даже и случайным перебором, нужные признаки должны быть закреплены, а значит, популяция должна перенасытиться удачными представителями. В этот момент преимущества должны получать более устойчивые версии генетической регуляторной сети. Чем устойчивее организм, тем быстрее работают системы ответа на стресс и тем меньше состояние организма отклоняется от нормы под действием стрессов одинаковой же силы.
Вот почему все живые организмы существуют в окрестности точки бифуркации, или так называемой критической точки, с коэффициентом размножения регуляторных ошибок и молекулярных повреждений около единицы. Можно сказать, что силы естественного отбора заставляют всех животных проживать свою жизнь вблизи точки, разделяющей устойчивые и неустойчивые организмы. Иными словами, вблизи точки безразличного равновесия.
Достоверность теорий, основанных на гипотезах, связанных с эволюционным отбором, чрезвычайно трудно проверить экспериментально, не прибегая к компьютерному моделированию. Тем не менее представления о том, что продолжительность жизни может увеличиваться по мере исчезновения факторов риска, таких как инфекционные заболевания или хищники, получила практическое подтверждение.
В биологической экологии давно замечено, что на островах, сравнительно недавно изолированных от побережья, зачастую формируются более благоприятные для жизни животных условия. Водные массы, окружающие остров, предотвращают экстремальные сезонные колебания температур. На островах обычно мало не способных к плаванию крупных хищников. Если представления о связи возраста достижения зрелости и риска столкновения с хищниками верны, то у изолированных островных популяций может снижаться скорость старения и увеличиваться продолжительность жизни.
Виргинский опоссум в дикой природе редко доживает до двух лет. В неволе эти же животные дотягивают до шести лет и страдают типичными возрастзависимыми заболеваниями: у них снижается репродуктивная способность, происходит потеря массы, развиваются катаракты.
В результате наблюдения за популяцией опоссумов в дикой природе при помощи специальных радиомаяков в 1990 году удалось установить, что больше половины животных на воле погибает от хищников, из них две трети – от хищников-млекопитающих, таких как рыси или одичавшие домашние кошки.
Эти особенности сделали опоссума идеальным объектом для естественного экологического эксперимента. Исследование проводили на острове Сапело (штат Джорджия), который отделен от материка примерно 5 милями водной поверхности и болота. На острове отсутствуют такие представляющие опасность для опоссумов хищники, как рысь или потомки домашних кошек.
В 1988 году Стивен Остад начал надевать ошейники с радиомаячками на животных на острове и на материке. Результаты34 демографических и биохимических исследований были опубликованы в 1993 году35. Выяснилось, что продолжительность жизни животных на острове составила 24,6 месяца против 20 месяцев на материке.
Это на первый взгляд незначительное изменение продолжительности жизни связано не только с отсутствием хищников и возросшими шансами дожить до более преклонного возраста. Демографические данные показывают, что смертность опоссумов экспоненциально нарастает с возрастом, как и у людей. Однако время удвоения риска смерти на острове оказалось почти в два раза выше, чем на материке. Это значит, что старение на острове происходит медленнее.
Заметим, что данные исследования Остада подтверждают наши предположения о связи старения, рисков смерти от внешних причин и устойчивости организма во взрослом состоянии. Снижение вероятности встретиться с хищниками на острове позволяет носителям мутаций, приводящих к перераспределению потоков энергии в пользу регенерации, добиться снижения скорости старения за счет увеличения возраста зрелости.
Предположение о замедлении старения подтверждается и более тонкими наблюдениями. Так, например, животные на материке показывали признаки репродуктивного старения: детеныши опоссума во втором выводке на материке набирали массу медленнее, чем в первом. Ничего подобного не наблюдалось на острове.
Исследование Остада стало одним из первых свидетельств того, что эволюция в состоянии быстро (на отрезках в десятки тысяч лет) подбирать параметры продолжительности жизни животных в зависимости от факторов внешней среды.
Дилемма между скоростью роста и надежностью организма является универсальной проблемой для любых достаточно сложно организованных систем, будь то машины или компании. Так, например, ключевым элементом корпоративной культуры компании Facebook был слоган: «Двигайся быстро, ломай все вокруг». Пренебрежение ошибками в пользу роста, быть может, сыграло ключевую роль в победе Facebook в жесточайшей внутривидовой борьбе за первенство на рынке социальных сетей.
Но то, что хорошо для стартапов в борьбе за доминирование в экологической нише, уже не подходит для зрелой компании-лидера. Как только риск погибнуть, проиграв рынок, уступил рискам, связанным с развитием экосистемы партнеров, ошибки стали обходиться дорого. В 2014 году генеральный директор и основатель Facebook был вынужден отрегулировать настройки «метаболизма» компании в сторону обеспечения надежности. На проводимой компанией ежегодной конференции разработчиков F8 было объявлено новое правило: «Двигайся быстро, но не в ущерб стабильной инфраструктуре».
1-я часть отрывка: Согласно нашим расчетам, опубликованным в 2018 году, скорость роста риска возрастзависимых заболеваний хоть и отличается немного в зависимости от специфики заболевания, но нарастает по похожей схеме в геометрической прогрессии и удваивается каждые восемь лет. Это значит, что любое снижение рисков хронических болезней или смерти в результате медицинского вмешательства против каждой из болезней очень быстро нивелируется за счет экспоненциального роста рисков всех остальных заболеваний с возрастом.
Вот почему даже полное искоренение только какого-то одного из многочисленных заболеваний, связанных с возрастом, дало бы крайне незначительный эффект. Если бы завтра появилась таблетка, которая за один день излечивает от всех видов рака, продолжительность жизни людей увеличилась бы всего на два или три года. Эта ситуация известна в демографии как парадокс Тойбера10. В первый год, конечно, произойдет значительное снижение смертности, однако вскоре люди, не умершие от онкологических заболеваний, доживут до болезни Альцгеймера и других неизлечимых на сегодняшний день заболеваний.
Последовательное искоренение отдельных заболеваний, несмотря на стремительно нарастающий риск возникновения всех остальных в результате старения, – пример применения «линейной» логики для решения «экспоненциальной» проблемы. Это не сработает. Любое вдумчивое обсуждение проблем лечения хронических заболеваний может закончиться только одним выводом: «Carthago delenda est» («Карфаген должен быть разрушен»). Только замедление старения или эффективное омоложение (что даже лучше), а вовсе не борьба с каждым из возрастзависимых заболеваний по отдельности, может привести к значительному увеличению продолжительности и качества жизни.
Пускай Чан-Чунь не спас от смерти «Сотрясателя Вселенной», а мумии всемогущих фараонов переселились из темных гробниц в просторные залы музеев. Древняя мечта продолжает жить, и поиски долголетия или даже бессмертия не останавливаются ни на час. Главная разница между прежними попытками и нынешними в том, что по мере роста населения планеты смертность и продолжительность жизни – это теперь уже не личный, а социальный вопрос.
Сегодня от контроля над процессами старения зависит стабильность пенсионных систем, экономического развития, экологического равновесия и решение демографических проблем. Призыв «Memento mori» в наше время звучит не из церквей, а из штаб-квартир Всемирного банка и ООН: когда количество пожилых граждан превысит количество молодых, структура общественных отношений навсегда изменится, а необходимость поддерживать достойную жизнь пенсионеров грозит обернуться неподъемной экономической ношей.
Лучшие люди города и мира: группа компаний Alphabet (бывшая Google), Джефф Безос из Amazon, ведущие венчурные фонды Venrock, Fidelity, ARCH Venture Partners – возглавляют технологическую революцию на рынке интервенций против старения. Сэм Альтман, в его бытность главой Y Сombinator, начал предоставлять финансирование стартапам в этой сфере в размере от $500 000 до $1 млн, считая, что компания, которой удастся внедрить терапию, добавляющую два здоровых года к человеческой жизни, будет стоить $100 млрд. Bank of America прогнозирует рост рынка долголетия до $600 млрд к 2025 году. В 2015-м, в день рождения дочки, Марк Цукерберг и его жена Присцилла Чан (Meta) дали обязательство пожертвовать в течение 10 лет $3 млрд на лечение и предотвращение важнейших болезней человека, в том числе связанных с возрастом.
Очевидно, что такие серьезные траты людей, склонных к хорошо продуманным шагам, – не просто «налог на мечту», а искренняя вера в успех мероприятия. Человечество действительно как никогда близко к победе над проблемами, которые сокращали или отбирали жизнь все тысячелетия обозримых времен. Первые лекарства, воздействующие на базовые механизмы старения, уже находятся на стадии клинических исследований. То есть уже через 5–10 лет в руках медиков появятся абсолютно новые терапевтические возможности, а значит, сильно изменятся представления о жизни и старости уже ныне живущих и пока еще ничего не подозревающих об этом людей.
При этом интересно наблюдать, как идея продления жизни за счет медицинских технологий вызывает отпор даже среди самых, казалось бы, прогрессивных людей – лидеров успешных и амбициозных высокотехнологичных компаний. На вопрос, не хочет ли Илон Маск жить вечно для того, например, чтобы лично поучаствовать в колонизации Марса, предприниматель отметил, что лично он не хочет бессмертия и надеется лет на 100, быть может, немного больше. Не нуждающийся в представлении Билл Гейтс в 2015 году заметил в интервью на Reddit, что «пока не решены проблемы малярии и туберкулеза, кажется эгоистичным то, что богатые люди финансируют исследования с целью увеличения продолжительности жизни».
Чаще всего звучат аргументы, связанные с перспективой усиления социального неравенства, с недостаточным фокусом на решении современных социальных проблем, или обсуждаются риски, которые могут быть вызваны перенаселением, климатическими и экологическими катастрофами. Отторжение идеи похоже на религиозное табу: бессмертие возможно только в комплекте с апокалипсисом (в виде перенаселения или всемирного потепления) или подрывом устоев общества, порядка и справедливости (богатые получат таблетку от старости первыми или таблетка от старости достанется не всем).
Противодействие невозможно объяснить рационально: то же самое мы слышим в отношении проектов, связанных с освоением Солнечной системы. Точно так же известные, уважаемые и образованные люди, лидеры мнений, осуждают расходование немалых средств на пилотируемую космонавтику «до тех пор, пока не решены проблемы бедности и экологии на нашей планете».
Удивительно, что аргументы против продления жизни в связи с угрозой перенаселения приходится слышать постоянно, несмотря на то что и качество, и продолжительность жизни на нашей планете коррелируют с численностью населения. В Антверпене и Лионе, одних из самых больших городов Европы в XVII веке, три четверти населения были слишком бедны, чтобы платить налоги, и, следовательно, нуждались в помощи в случае кризисов. Валовый национальный продукт на душу населения вырос в 4 раза за XX столетие. В 1820 году 75 % человечества жили меньше, чем на один доллар в день, в то время как в 2001 году это относилось только к каждому пятому человеку на нашей планете. В развитых странах, обеспечивающих большую часть мировой потребности в продовольствии, в сельском хозяйстве занято менее 10 % людей. В конце концов, достаточно подумать о посещении зубного всего каких-нибудь 100 лет назад, чтобы поверить, что мы живем в лучшее из времен!
Что же стоит за страхами и мрачными прогнозами? Чтобы ответить на этот вопрос, в следующей главе мы обратимся к проверенному инструменту – научной фантастике.
Гуманитарный императив или дух времени?
Как заглянуть в будущее?
Во вселенной эпопеи «Основание» Айзека Азимова группа исследователей во главе с математиком Гэри Селдоном разработала новую теоретическую дисциплину – психоисторию. Новая область знаний была основана на применении методов статистической физики к анализу исторических событий галактического масштаба и предсказанию будущего. Книга была написана под влиянием классического труда Эдуарда Гиббона «Истории упадка и крушения Римской империи» и описывает гипотетическую цивилизацию будущего, способную контролировать ход своей истории.
Именно «Основание» принесло Азимову признание. А прежде, чем стать классиком научной фантастики, Азимов был биохимиком, а потому тонко чувствовал возможности и ограничения научного метода. Вот почему доктор Селдон, как альтер эго автора, хорошо понимал, что новое возникает из суммы частей и, несмотря на то что невозможно предугадать поступки каждого человека, поведение больших масс людей гораздо более предсказуемо, а значит, исторические процессы можно описать универсальными математическими законами. В Галактической Империи Азимова когда-то проживало 500 квинтиллионов (миллионов триллионов) людей.
Если пользоваться терминологией Азимова, то как раз психоистория составляла предмет интереса профессора моей альма-матер, МФТИ, Сергея Капицы (сына нобелевского лауреата Петра Капицы, известного популяризатора науки, создателя и ведущего передачи «Очевидное-невероятное»). С учетом того, что вплоть до начала этого века на Земле успело прожить, сменяя друг друга, свыше 100 млрд людей, Сергей Петрович предложил модель, описывающую самые общие законы развития нашей цивилизации.
Интуитивно кажется, что цивилизация устроена настолько сложно, что никакое разумное математическое описание исторических процессов просто невозможно. Даже если бы кто-то рискнул, для решения такой задачи пришлось бы одновременно измерять и анализировать огромное количество параметров, результат был бы примерно такой же, как с долгосрочным прогнозом погоды.
На помощь приходит свойство сложных систем, хорошо известное в физических науках. Речь идет об универсальности: как бы сложно ни было бы устроено взаимодействие между частями, масштабные изменения требуют вовлечения огромного количества людей и значительного времени, а значит, единицей исторического процесса является не личность, а очень большой коллектив. Сергей Капица считал, что исторические изменения требуют совместных действий (грубо, по порядку величины) около 100 000 людей. Это же означает, что детали взаимодействия между участниками исторического процесса эффективно усредняются и перестают зависеть от индивидуальных особенностей людей или случайных обстоятельств. Количество – это само по себе качество, а идея, овладевшая умами миллионов, становится материальной силой.
Похожий аргумент срабатывает при обсуждении свободы воли. Каждый поступок отдельного человека представляется результатом решения, которое может быть произвольным, то есть случайным. Но, если понаблюдать за одним человеком или коллективом в течение долгого времени, мы увидим, что в среднем решения принимаются исходя из культурных норм или даже генетической предрасположенности. Таким образом, поведение человека может быть непредсказуемым в ближайшие 10 минут, но практически предопределенным в среднем, например за месяц или год, если мы знаем этого человека достаточно хорошо.
Сильная взаимосвязь между компонентами системы означает, что, зная одну какую-то величину, можно легко оценить значения всех остальных. Хорошим примером может быть высокая корреляция рыночной стоимости различных компаний (или акций), торгуемых на бирже. В хорошие времена все акции дорожают, в плохие – все падают в цене. Корреляции существуют между акциями отдельных компаний и между биржевыми индексами – например, между индексами S&P 500 и Dow Jones, S&P 500 и NASDAQ и т. д. Вот почему состояние экономики как целого можно «считать», наблюдая любой индекс X, данные о котором так же регулярно показывают в новостях, как и информацию о погоде.
Другим примером взаимозависимости параметров сложных систем является пропорциональность числа видов (а не особей!), населяющих территорию и площади доступной среды обитания. Этот любопытный эффект объясняет исторический успех империй: большие государства не только пользовались плодами труда многочисленных подданных, но и могли похвастаться разнообразием специальностей.
В каждой, даже маленькой, стране есть мэры и полицейские. В очень больших странах, кроме того, встречаются балерины и космонавты. Пилотируемая космонавтика есть в США (население – более 300 млн человек) и в Китае (более 1,4 млрд). В космос летали на своих кораблях и граждане Советского Союза (свыше 300 млн жителей). Можно предположить, что при существующем уровне развития техники специальность «конструктор пилотируемых космических аппаратов» востребована в экосистемах, насчитывающих от нескольких сотен миллионов жителей, то есть скоро на орбиту на своих космических кораблях полетят представители Индии и Европейского союза, а граждане России, скорее всего, со временем будут летать на чужих.
Вернемся к обсуждению человеческой цивилизации как целого. Человечество – это та самая сложная система с огромным количеством обратных связей, а значит, оно тоже должно следовать универсальным закономерностям. Любой дисбаланс между подсистемами, например между богатым и изнеженным городом и нищей, но воинственной степью, немедленно становится предметом «арбитража» – в виде успешной торговли или разорительной войны. В этих условиях все подсистемы «выравнивают» свои ключевые показатели, становятся зависимыми и похожими друг на друга. Вот почему для описания свойств всей конструкции в целом окажется достаточно знания одного из множества возможных свойств. Подходящей величиной для описания общего состояния здоровья или прогресса цивилизации является численность населения планеты.
От чего же она зависит? В самом простом случае скорость роста популяции увеличивается пропорционально количеству способных к размножению особей – в нашем случае числу одновременно живущих на планете людей. Если доступные для размножения ресурсы ничем не ограничены, такая группа животных может расти очень быстро, в геометрической прогрессии. Так, например, колонии бактерий кишечной палочки и золотистого стафилококка в лабораторных условиях удваиваются каждые 20 или 30 минут соответственно. Экспоненциальный рост (возрастание в геометрической прогрессии) встречается и за пределами естественных наук или биологических систем: по статистике, в прошлом веке средства, инвестируемые на бирже, удваивались каждые 6–12 лет.
В 1798 году Томас Мальтус опубликовал свой ставший знаменитым трактат «Очерк о законе народонаселения»11, где предположил, что население на планете растет экспоненциально, а способность производить продукты питания – лишь линейно. В результате неизбежного сокращения пищевых ресурсов в расчете на душу населения каждые 25 лет возникает так называемая мальтузианская ловушка – перенаселение, от которого общество избавляется только в результате эпидемий и войн.
Если бы только Мальтус мог знать, насколько был не прав! Оказывается, население планеты растет еще быстрее! В 1960 году в журнале Science была опубликована статья физика из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне Хайнца фон Ферстера и его коллег Патрисии Мора и Лоуренса Амиота12, где на основе исторических демографических данных с самого начала нашей эры было выведено эмпирическое уравнение роста численности населения Земли, прозванное уравнением Судного дня:
Особенностью уравнения Судного дня является предсказываемая им сингулярность, то есть наступление момента времени, когда значение растущей величины устремится в бесконечность. Этот день приходится на пятницу, 13 ноября 2026 года. «Сингулярное» поведение наблюдается во многих демографических и экономических моделях, а ожидание сингулярности послужило основой целого ряда как восторженно-оптимистических, так и апокалиптических предсказаний.
Если исходить из этого уравнения, то рост народонаселения подчиняется гиперболическому закону. Гиперболический рост быстрее экспоненциального – каждое следующее удвоение численности жителей Земли занимает вдвое меньше времени.
Что же лежит в основе и каковы пределы гиперболического роста? Ответ на этот вопрос и попытался найти Сергей Капица. Суть его концепции заключается в следующем: овладев сначала разговорным, а потом и письменным языком, человек получил способность работы в составе огромных групп людей; одновременно возникли навыки накопления и передачи негенетической информации.
В то время как гены и навыки непосредственно можно передать лишь небольшому числу потомков или соплеменников, обмен информацией практически неограничен и пропорционален количеству возможных взаимодействий-контактов между людьми, то есть квадрату размера популяции. Это математическая основа гиперболического роста, при котором популяция начинает расти тем быстрее, чем больше людей живет одновременно.
По оценкам Сергея Капицы13, новый режим роста возник примерно 1,4 млн лет назад. Эту точку в истории нашей планеты можно считать точкой бифуркации, или «взрывом интеллекта», то есть естественной границей палеонтологии и археологии. Ископаемых данных мало, но несколько условно этот момент во времени можно отождествить с появлением Homo erectus (человека прямоходящего). Точность этого отождествления спорна, да и не важна: современные археологические находки и генетические исследования заставляют думать, что на планете сосуществовали, воевали и поедали друг друга сразу несколько видов разумных обезьян. Гораздо важнее то, что с тех пор население растет, следуя универсальным законам, уже около 1,5 млн лет, на которые пришлись похолодания и потепления.
Человеческая цивилизация растет и не испытывает ни ресурсных, ни климатических ограничений. В математической экологии известно, что размер популяции меньше у животных бо́льшей массы. Численность людей и сопутствующих людям животных, таких как мыши и коровы, на планете превышает математически прогнозируемую на четыре порядка. Согласно оценкам ученых из Вейцмановского института (Израиль), опубликованным в журнале Nature в 2020 году14, общий вес антропогенной массы (то есть совокупности всех материалов, производимых человеком, – от мусора до машин и зданий) буквально в последние годы впервые превысил биомассу на планете (более 1,1 тератонны). Это значит, что теперь не человек приспосабливается к природным условиям, а сама природа должна изменяться, подстраиваясь под траекторию развития человеческой расы.
Знаменитый физик Нильс Бор как-то заметил, что сделать точный прогноз очень трудно, особенно если это касается будущего. В 2021 году (время написания книги) уже понятно, что связанный с перенаселением апокалипсис в 2026 году не состоится. О чем же на самом деле говорит нам уравнение Судного дня?
Капица предположил, что ограничение роста все же происходит, но вовсе не в результате войн или эпидемий, как предполагал 200 лет назад Мальтус. Так как гиперболический рост связан с накоплением и передачей знаний от человека к человеку, возможности роста фактически становятся ограничены только физическими возможностями человека. Теория предсказывает, что рост должен замедлиться незадолго до приближения сингулярности, как только все быстрее сокращающееся характерное время, связанное с удвоением знания, начнет приближаться к времени, необходимому для смены поколения людей – носителей этого знания.
Сингулярности бывают только в наших теориях. В реальном мире вместо сингулярности произойдет (и на самом деле происходит) качественная смена режима роста населения планеты. Анализ данных по динамике населения планеты за последние тысячи лет показывает, что рост количества жителей Земли начал замедляться, как только время удвоения численности населения сократилось до 45 лет. Гиперболический рост остановился в силу физиологического ограничения: вплоть до совсем недавнего времени средняя продолжительность жизни человека составляла те же 40–45 лет.
Та самая сингулярность на самом деле является точкой, начиная с которой дальнейший гиперболический рост населения планеты невозможен. Математическая сингулярность в реальном мире стала точкой бифуркации – демографического перехода к другому качеству развития цивилизации. Модель Капицы предсказывает, что рост человечества замедлится, население планеты выйдет на плато в 12–14 млрд людей, а переходный период начался во второй половине XX века и займет 50–100 лет (то есть происходит на наших глазах и закончится за время жизни одного поколения людей).
Теоретическая история профессора Капицы нам дорога не только потому, что невероятно технопозитивна. Во-первых (и это самое важное), теория предсказала и объяснила демографический переход и стабилизацию населения планеты 50 лет назад, когда признаки демографических изменений были минимальными, а большинство футурологов опасалось перенаселения и катастроф.
Во-вторых, максимально возможное количество живущих на планете людей, оказывается, зависит не от количества доступной пищи или влияния человеческих масс на биосферу. Ничего подобного! Предельная численность жителей планеты ограничена скоростью взросления и передачи знаний следующему поколению людей, то есть вполне себе биологически, социально и даже генетически предопределенными (а значит, и модифицируемыми!), в первую очередь продолжительностью жизни. В теории Капицы мировые проблемы в точке демографического перехода, который мы сейчас все переживаем, находят свое решение в области биотехнологии и медицины.
В романах Азимова Гэри Селдон предсказал распад Галактической Империи и сотни лет кризиса. Недаром считается, что дистопии продаются лучше, а в жизни все гораздо прозаичнее. Профессор Капица спрогнозировал, что в результате демографического перехода численность населения становится устойчивой по отношению к случайным колебаниям численности (например, в результате эпидемий, голода и войн). А значит, войн станет меньше – человечество вступает в эпоху устойчивого развития при стабильной численности.
Гиперболический рост является результатом совместной деятельности людей. Чем больше людей живет на планете, тем больше скорость изменений. Вот почему каждое следующее удвоение численности населения, а наряду с ним и любой другой важной переменной происходит за вдвое меньшее время. На человеческом языке это означает, что сам ход истории ускоряется, что ведет к нарушению выработанных за тысячелетия ценностных и этических представлений общества, правил сосуществования и преемственности между поколениями. Сергей Капица назвал это интуитивное свойство человеческой истории ускорением исторического (или субъективно ощущаемого) времени.
Жизнь наших родителей еще не так уж сильно отличалась от жизни пращуров. Профессию и уклад выбирали один раз на всю жизнь: сын кузнеца становился кузнецом – иными словами, люди часто в буквальном смысле повторяли биографию своих родителей. И только в последние 100–200 лет скорость общественных и технологических изменений так выросла, что люди начали замечать прогресс.
Скорость преобразований продолжает расти, и на сегодня она увеличилась настолько, что профессиональные навыки, полученные в молодости, могут утратить свою актуальность за 5–10 лет после окончания института. На наших глазах почти исчезли некоторые виды бизнеса, где раньше было занято значительное количество людей, например туристические агентства. Среднее время жизни крупнейших компаний из списка S&P 500 сократилось за последние 100 лет с 65 до 15 лет.
Демографический переход – это наглядная демонстрация того, как человечество преодолевает сингулярность в уравнении Судного дня. Вблизи особых точек корреляции, или, говоря проще, взаимозависимости, между различными процессами нарастают и поэтому в ближайшие десятилетия произойдут одновременные и многочисленные изменения общественного устройства и отношений.
Традиционалисты опираются на опыт прошлых лет и отчаянно сопротивляются на всех уровнях – от борьбы с глобализацией до усилий по сохранению института традиционной семьи, но каждый раз оказываются на неправильной стороне истории, а потому неизбежно проиграют. Еще в середине прошлого века США считались (и до сих пор имеют соответствующую репутацию) крайне религиозной страной: более 90 % американцев ассоциировали себя (или не отваживались говорить обратное) с какой-либо из религиозных конфессий. Доля людей, определяющих себя как атеистов, агностиков или не имеющих определенной религиозной принадлежности, начала увеличиваться в конце 1950-х и в 1960-х годах, удвоилась15 в 1990-х годах и к 2019 году достигла 26 %, продолжая расти.
Изменения демографической структуры подрывают все устои общества. Так, например, институт брака, ранее рассчитанный на долгую жизнь после свадьбы (в прежние времена брак заключался в 13–15 лет и длился до конца жизни) и ощутимую вероятность смерти женщины при родах, просто не выдерживает стремительного роста продолжительности жизни. Вот почему сейчас 42–45 % первых браков заканчиваются разводом в среднем за семь лет. В последующих браках ситуация еще хуже – 60 % из них заканчиваются разводом.
Теперь, когда женщины в развитых странах рожают мало, в подавляющем большинстве случаев успешно переносят роды и продуктивно работают долгие годы после рождения детей, как никогда важным становится обеспечение равных прав мужчин и женщин на работе и в обществе. Еще пару столетий назад об этом можно было бы не думать просто в силу физиологических причин. Неслучайно, таким образом, борьба за право голоса и гражданские права женщин позволила добиться первых значимых практических результатов только в последние полвека, в непосредственной близости от демографического перехода.
Демографические данные показывают, что стабилизация численности населения сопровождается резкой сменой структуры популяции (распределения одновременно живущих людей по возрастам), одновременным резким увеличением продолжительности жизни и резким снижением рождаемости. Оказывается, увеличение продолжительности жизни – это решение, выбранное нашим видом в качестве средства от перенаселения!
С начала прошлого века средняя продолжительность жизни практически удвоилась. В развитых странах одновременно уменьшилось и количество детей в одной семье. Примерно к началу 2030-х годов общее число граждан в возрасте свыше 60 лет впервые превзойдет число подростков до 16 лет. Это означает, что в ближайшие годы произойдет демографический переход, а возрастная структура общества перевернется в пользу пожилых. И намечающееся «серебряное цунами» не менее драматично, чем широко обсуждаемое изменение климата.
Больше всего пожилых жителей в первое время будет, очевидно, в Китае. В 2018 году жителей в возрасте 60 лет и старше там насчитывалось примерно 250 млн, а к 2053 году ожидается уже больше 450 млн. Число 80-летних перевалило за 25 млн и, согласно прогнозам, будет увеличиваться на 1 млн каждый год.
Таким образом, в первую очередь дивный новый мир обещает быть старым. Как общество, мы не знаем, как жить в окружении стариков. Тысячелетиями преклонный возраст уже в силу своей исключительной редкости являлся основанием авторитета, а зачастую сулил политическую власть и если не богатство, то гарантированную поддержку от молодых членов семьи или рода. В XIX и особенно в XX веке нарастающие потребности старых и часто одиноких людей подготовили почву для появления государственных пенсионных систем. Во многих странах государство и налогоплательщики (в основном молодые!) оплачивают медицинские расходы, стремительно возрастающие в конце жизни.
До недавнего времени пенсионные обещания было легко раздавать без всякого риска: молодых было много, а стариков – мало, и это не фигура речи. Первая государственная пенсионная программа, предложенная канцлером Германской империи Отто фон Бисмарком, предусматривала поддержку граждан с 70 лет, в то время как средняя продолжительность жизни в те времена составляла всего 45 лет.
Утрата работоспособности все большей доли людей в силу преклонного возраста станет тяжким испытанием для пенсионной и медицинской систем. Предложения увеличить пенсионный возраст скорее свидетельствуют не об улучшении здоровья и продуктивности граждан предпенсионного возраста, а о нарастающих опасениях государственных чиновников по поводу бюджетных проблем.
В завершение разговора про психоисторию профессора Капицы обращу внимание на три момента. Во-первых, эволюционные биологи и рассерженные биохакеры любят говорить, что программа старения работает в интересах коллектива, всех особей одного вида. Якобы старики не должны конкурировать с молодыми за ресурсы и мешать прогрессу. Решение Капицы подтверждает, что сейчас стратегические интересы нашего вида лежат как раз в области увеличения продолжительности жизни каждого своего представителя. И это касается каждого из нас, включая и вас, раз уж вам довелось родиться в момент демографического перехода.
Во-вторых, адепты «технологической сингулярности» (не путать с демографической сингулярностью в модели Ферстера) обещают, что уже в ближайшем будущем человек не сможет угнаться за постоянно наращивающим свой темп технологическим прогрессом и рискует сойти с исторической сцены вслед за денисовцами и «прочими неандертальцами».
Рискну утверждать, что пока не стоит сбрасывать человека со счетов. Вместо того чтобы сдаться и исчезнуть, в момент демографического перехода человек демонстрирует свои недюжинные адаптивные возможности, меняется сам и меняет свою жизнь так, чтобы научиться сохранять здоровье и обучаемость в течение десятилетий. Это должно дать нам и нашим детям способность переизобрести себя каждые 10–15 лет и продолжать приспосабливаться к новой реальности. Ну а что станет возможным еще через несколько десятков лет – невозможно даже представить.
И в-третьих, замечу, что теория Капицы – это не просто история про неуклонный рост населения на нашей планете. Это одна из первых хороших теорий прогресса. Нас становится больше, и мы живем в лучшее из времен вовсе не потому, что на планете становится больше того или иного ресурса. Цивилизация растет все быстрее потому, что новые знания порождают еще больше новых знаний на стыке между науками или другими человеческими практиками.
В попытке осознать, почему увеличение продолжительности жизни происходит именно сейчас, мы обнаружили пример той самой эмерджентности: в результате сложнейших взаимодействий между компонентами современной технологической цивилизации – людьми, компаниями и странами, – возникает новое свойство – тот самый прогресс в виде неостановимого роста суммы материальной инфраструктуры и одновременно знаний и практик, которые передаются из поколения в поколение не в генах, но устно, а сейчас еще и посредством книг и других небиологических носителей. Вот почему культурные ценности надолго переживают своих создателей.
Как муравьи строят муравейник, а на самом деле экосистему, защищенную от факторов внешней среды, так и человек уже более миллиона лет строит свой «муравейник». Так же, как нет ни одного муравья, у которого в голове или где-то еще есть план всей конструкции, так нет и человека или группы людей, которая устанавливала бы цели или хотя бы обладала полным объемом знаний человечества. Общество, как и муравейник в целом, обладает коллективным интеллектом, который существенно превосходит по потенциалу сумму его частей – отдельных муравьев или людей. И те исследователи, общественные деятели и предприниматели, которые решают задачи в интересах этого суперколлектива, в большей степени могут рассчитывать на удачу, признание, вмешательство провидения или «мирового правительства» (нужное подчеркнуть).
2-я часть отрывка. Согласно нашим расчетам, опубликованным в 2018 году, скорость роста риска возрастзависимых заболеваний хоть и отличается немного в зависимости от специфики заболевания, но нарастает по похожей схеме в геометрической прогрессии и удваивается каждые восемь лет. Это значит, что любое снижение рисков хронических болезней или смерти в результате медицинского вмешательства против каждой из болезней очень быстро нивелируется за счет экспоненциального роста рисков всех остальных заболеваний с возрастом.
Вот почему даже полное искоренение только какого-то одного из многочисленных заболеваний, связанных с возрастом, дало бы крайне незначительный эффект. Если бы завтра появилась таблетка, которая за один день излечивает от всех видов рака, продолжительность жизни людей увеличилась бы всего на два или три года. Эта ситуация известна в демографии как парадокс Тойбера10. В первый год, конечно, произойдет значительное снижение смертности, однако вскоре люди, не умершие от онкологических заболеваний, доживут до болезни Альцгеймера и других неизлечимых на сегодняшний день заболеваний.
Последовательное искоренение отдельных заболеваний, несмотря на стремительно нарастающий риск возникновения всех остальных в результате старения, – пример применения «линейной» логики для решения «экспоненциальной» проблемы. Это не сработает. Любое вдумчивое обсуждение проблем лечения хронических заболеваний может закончиться только одним выводом: «Carthago delenda est» («Карфаген должен быть разрушен»). Только замедление старения или эффективное омоложение (что даже лучше), а вовсе не борьба с каждым из возрастзависимых заболеваний по отдельности, может привести к значительному увеличению продолжительности и качества жизни.
Пускай Чан-Чунь не спас от смерти «Сотрясателя Вселенной», а мумии всемогущих фараонов переселились из темных гробниц в просторные залы музеев. Древняя мечта продолжает жить, и поиски долголетия или даже бессмертия не останавливаются ни на час. Главная разница между прежними попытками и нынешними в том, что по мере роста населения планеты смертность и продолжительность жизни – это теперь уже не личный, а социальный вопрос.
Сегодня от контроля над процессами старения зависит стабильность пенсионных систем, экономического развития, экологического равновесия и решение демографических проблем. Призыв «Memento mori» в наше время звучит не из церквей, а из штаб-квартир Всемирного банка и ООН: когда количество пожилых граждан превысит количество молодых, структура общественных отношений навсегда изменится, а необходимость поддерживать достойную жизнь пенсионеров грозит обернуться неподъемной экономической ношей.
Лучшие люди города и мира: группа компаний Alphabet (бывшая Google), Джефф Безос из Amazon, ведущие венчурные фонды Venrock, Fidelity, ARCH Venture Partners – возглавляют технологическую революцию на рынке интервенций против старения. Сэм Альтман, в его бытность главой Y Сombinator, начал предоставлять финансирование стартапам в этой сфере в размере от $500 000 до $1 млн, считая, что компания, которой удастся внедрить терапию, добавляющую два здоровых года к человеческой жизни, будет стоить $100 млрд. Bank of America прогнозирует рост рынка долголетия до $600 млрд к 2025 году. В 2015-м, в день рождения дочки, Марк Цукерберг и его жена Присцилла Чан (Meta) дали обязательство пожертвовать в течение 10 лет $3 млрд на лечение и предотвращение важнейших болезней человека, в том числе связанных с возрастом.
Очевидно, что такие серьезные траты людей, склонных к хорошо продуманным шагам, – не просто «налог на мечту», а искренняя вера в успех мероприятия. Человечество действительно как никогда близко к победе над проблемами, которые сокращали или отбирали жизнь все тысячелетия обозримых времен. Первые лекарства, воздействующие на базовые механизмы старения, уже находятся на стадии клинических исследований. То есть уже через 5–10 лет в руках медиков появятся абсолютно новые терапевтические возможности, а значит, сильно изменятся представления о жизни и старости уже ныне живущих и пока еще ничего не подозревающих об этом людей.
При этом интересно наблюдать, как идея продления жизни за счет медицинских технологий вызывает отпор даже среди самых, казалось бы, прогрессивных людей – лидеров успешных и амбициозных высокотехнологичных компаний. На вопрос, не хочет ли Илон Маск жить вечно для того, например, чтобы лично поучаствовать в колонизации Марса, предприниматель отметил, что лично он не хочет бессмертия и надеется лет на 100, быть может, немного больше. Не нуждающийся в представлении Билл Гейтс в 2015 году заметил в интервью на Reddit, что «пока не решены проблемы малярии и туберкулеза, кажется эгоистичным то, что богатые люди финансируют исследования с целью увеличения продолжительности жизни».
Чаще всего звучат аргументы, связанные с перспективой усиления социального неравенства, с недостаточным фокусом на решении современных социальных проблем, или обсуждаются риски, которые могут быть вызваны перенаселением, климатическими и экологическими катастрофами. Отторжение идеи похоже на религиозное табу: бессмертие возможно только в комплекте с апокалипсисом (в виде перенаселения или всемирного потепления) или подрывом устоев общества, порядка и справедливости (богатые получат таблетку от старости первыми или таблетка от старости достанется не всем).
Противодействие невозможно объяснить рационально: то же самое мы слышим в отношении проектов, связанных с освоением Солнечной системы. Точно так же известные, уважаемые и образованные люди, лидеры мнений, осуждают расходование немалых средств на пилотируемую космонавтику «до тех пор, пока не решены проблемы бедности и экологии на нашей планете».
Удивительно, что аргументы против продления жизни в связи с угрозой перенаселения приходится слышать постоянно, несмотря на то что и качество, и продолжительность жизни на нашей планете коррелируют с численностью населения. В Антверпене и Лионе, одних из самых больших городов Европы в XVII веке, три четверти населения были слишком бедны, чтобы платить налоги, и, следовательно, нуждались в помощи в случае кризисов. Валовый национальный продукт на душу населения вырос в 4 раза за XX столетие. В 1820 году 75 % человечества жили меньше, чем на один доллар в день, в то время как в 2001 году это относилось только к каждому пятому человеку на нашей планете. В развитых странах, обеспечивающих большую часть мировой потребности в продовольствии, в сельском хозяйстве занято менее 10 % людей. В конце концов, достаточно подумать о посещении зубного всего каких-нибудь 100 лет назад, чтобы поверить, что мы живем в лучшее из времен!
Что же стоит за страхами и мрачными прогнозами? Чтобы ответить на этот вопрос, в следующей главе мы обратимся к проверенному инструменту – научной фантастике.
Гуманитарный императив или дух времени?
Как заглянуть в будущее?
Во вселенной эпопеи «Основание» Айзека Азимова группа исследователей во главе с математиком Гэри Селдоном разработала новую теоретическую дисциплину – психоисторию. Новая область знаний была основана на применении методов статистической физики к анализу исторических событий галактического масштаба и предсказанию будущего. Книга была написана под влиянием классического труда Эдуарда Гиббона «Истории упадка и крушения Римской империи» и описывает гипотетическую цивилизацию будущего, способную контролировать ход своей истории.
Именно «Основание» принесло Азимову признание. А прежде, чем стать классиком научной фантастики, Азимов был биохимиком, а потому тонко чувствовал возможности и ограничения научного метода. Вот почему доктор Селдон, как альтер эго автора, хорошо понимал, что новое возникает из суммы частей и, несмотря на то что невозможно предугадать поступки каждого человека, поведение больших масс людей гораздо более предсказуемо, а значит, исторические процессы можно описать универсальными математическими законами. В Галактической Империи Азимова когда-то проживало 500 квинтиллионов (миллионов триллионов) людей.
Если пользоваться терминологией Азимова, то как раз психоистория составляла предмет интереса профессора моей альма-матер, МФТИ, Сергея Капицы (сына нобелевского лауреата Петра Капицы, известного популяризатора науки, создателя и ведущего передачи «Очевидное-невероятное»). С учетом того, что вплоть до начала этого века на Земле успело прожить, сменяя друг друга, свыше 100 млрд людей, Сергей Петрович предложил модель, описывающую самые общие законы развития нашей цивилизации.
Интуитивно кажется, что цивилизация устроена настолько сложно, что никакое разумное математическое описание исторических процессов просто невозможно. Даже если бы кто-то рискнул, для решения такой задачи пришлось бы одновременно измерять и анализировать огромное количество параметров, результат был бы примерно такой же, как с долгосрочным прогнозом погоды.
На помощь приходит свойство сложных систем, хорошо известное в физических науках. Речь идет об универсальности: как бы сложно ни было бы устроено взаимодействие между частями, масштабные изменения требуют вовлечения огромного количества людей и значительного времени, а значит, единицей исторического процесса является не личность, а очень большой коллектив. Сергей Капица считал, что исторические изменения требуют совместных действий (грубо, по порядку величины) около 100 000 людей. Это же означает, что детали взаимодействия между участниками исторического процесса эффективно усредняются и перестают зависеть от индивидуальных особенностей людей или случайных обстоятельств. Количество – это само по себе качество, а идея, овладевшая умами миллионов, становится материальной силой.
Похожий аргумент срабатывает при обсуждении свободы воли. Каждый поступок отдельного человека представляется результатом решения, которое может быть произвольным, то есть случайным. Но, если понаблюдать за одним человеком или коллективом в течение долгого времени, мы увидим, что в среднем решения принимаются исходя из культурных норм или даже генетической предрасположенности. Таким образом, поведение человека может быть непредсказуемым в ближайшие 10 минут, но практически предопределенным в среднем, например за месяц или год, если мы знаем этого человека достаточно хорошо.
Сильная взаимосвязь между компонентами системы означает, что, зная одну какую-то величину, можно легко оценить значения всех остальных. Хорошим примером может быть высокая корреляция рыночной стоимости различных компаний (или акций), торгуемых на бирже. В хорошие времена все акции дорожают, в плохие – все падают в цене. Корреляции существуют между акциями отдельных компаний и между биржевыми индексами – например, между индексами S&P 500 и Dow Jones, S&P 500 и NASDAQ и т. д. Вот почему состояние экономики как целого можно «считать», наблюдая любой индекс X, данные о котором так же регулярно показывают в новостях, как и информацию о погоде.
Другим примером взаимозависимости параметров сложных систем является пропорциональность числа видов (а не особей!), населяющих территорию и площади доступной среды обитания. Этот любопытный эффект объясняет исторический успех империй: большие государства не только пользовались плодами труда многочисленных подданных, но и могли похвастаться разнообразием специальностей.
В каждой, даже маленькой, стране есть мэры и полицейские. В очень больших странах, кроме того, встречаются балерины и космонавты. Пилотируемая космонавтика есть в США (население – более 300 млн человек) и в Китае (более 1,4 млрд). В космос летали на своих кораблях и граждане Советского Союза (свыше 300 млн жителей). Можно предположить, что при существующем уровне развития техники специальность «конструктор пилотируемых космических аппаратов» востребована в экосистемах, насчитывающих от нескольких сотен миллионов жителей, то есть скоро на орбиту на своих космических кораблях полетят представители Индии и Европейского союза, а граждане России, скорее всего, со временем будут летать на чужих.
Вернемся к обсуждению человеческой цивилизации как целого. Человечество – это та самая сложная система с огромным количеством обратных связей, а значит, оно тоже должно следовать универсальным закономерностям. Любой дисбаланс между подсистемами, например между богатым и изнеженным городом и нищей, но воинственной степью, немедленно становится предметом «арбитража» – в виде успешной торговли или разорительной войны. В этих условиях все подсистемы «выравнивают» свои ключевые показатели, становятся зависимыми и похожими друг на друга. Вот почему для описания свойств всей конструкции в целом окажется достаточно знания одного из множества возможных свойств. Подходящей величиной для описания общего состояния здоровья или прогресса цивилизации является численность населения планеты.
От чего же она зависит? В самом простом случае скорость роста популяции увеличивается пропорционально количеству способных к размножению особей – в нашем случае числу одновременно живущих на планете людей. Если доступные для размножения ресурсы ничем не ограничены, такая группа животных может расти очень быстро, в геометрической прогрессии. Так, например, колонии бактерий кишечной палочки и золотистого стафилококка в лабораторных условиях удваиваются каждые 20 или 30 минут соответственно. Экспоненциальный рост (возрастание в геометрической прогрессии) встречается и за пределами естественных наук или биологических систем: по статистике, в прошлом веке средства, инвестируемые на бирже, удваивались каждые 6–12 лет.
В 1798 году Томас Мальтус опубликовал свой ставший знаменитым трактат «Очерк о законе народонаселения»11, где предположил, что население на планете растет экспоненциально, а способность производить продукты питания – лишь линейно. В результате неизбежного сокращения пищевых ресурсов в расчете на душу населения каждые 25 лет возникает так называемая мальтузианская ловушка – перенаселение, от которого общество избавляется только в результате эпидемий и войн.
Если бы только Мальтус мог знать, насколько был не прав! Оказывается, население планеты растет еще быстрее! В 1960 году в журнале Science была опубликована статья физика из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне Хайнца фон Ферстера и его коллег Патрисии Мора и Лоуренса Амиота12, где на основе исторических демографических данных с самого начала нашей эры было выведено эмпирическое уравнение роста численности населения Земли, прозванное уравнением Судного дня:
Особенностью уравнения Судного дня является предсказываемая им сингулярность, то есть наступление момента времени, когда значение растущей величины устремится в бесконечность. Этот день приходится на пятницу, 13 ноября 2026 года. «Сингулярное» поведение наблюдается во многих демографических и экономических моделях, а ожидание сингулярности послужило основой целого ряда как восторженно-оптимистических, так и апокалиптических предсказаний.
Если исходить из этого уравнения, то рост народонаселения подчиняется гиперболическому закону. Гиперболический рост быстрее экспоненциального – каждое следующее удвоение численности жителей Земли занимает вдвое меньше времени.
Что же лежит в основе и каковы пределы гиперболического роста? Ответ на этот вопрос и попытался найти Сергей Капица. Суть его концепции заключается в следующем: овладев сначала разговорным, а потом и письменным языком, человек получил способность работы в составе огромных групп людей; одновременно возникли навыки накопления и передачи негенетической информации.
В то время как гены и навыки непосредственно можно передать лишь небольшому числу потомков или соплеменников, обмен информацией практически неограничен и пропорционален количеству возможных взаимодействий-контактов между людьми, то есть квадрату размера популяции. Это математическая основа гиперболического роста, при котором популяция начинает расти тем быстрее, чем больше людей живет одновременно.
По оценкам Сергея Капицы13, новый режим роста возник примерно 1,4 млн лет назад. Эту точку в истории нашей планеты можно считать точкой бифуркации, или «взрывом интеллекта», то есть естественной границей палеонтологии и археологии. Ископаемых данных мало, но несколько условно этот момент во времени можно отождествить с появлением Homo erectus (человека прямоходящего). Точность этого отождествления спорна, да и не важна: современные археологические находки и генетические исследования заставляют думать, что на планете сосуществовали, воевали и поедали друг друга сразу несколько видов разумных обезьян. Гораздо важнее то, что с тех пор население растет, следуя универсальным законам, уже около 1,5 млн лет, на которые пришлись похолодания и потепления.
Человеческая цивилизация растет и не испытывает ни ресурсных, ни климатических ограничений. В математической экологии известно, что размер популяции меньше у животных бо́льшей массы. Численность людей и сопутствующих людям животных, таких как мыши и коровы, на планете превышает математически прогнозируемую на четыре порядка. Согласно оценкам ученых из Вейцмановского института (Израиль), опубликованным в журнале Nature в 2020 году14, общий вес антропогенной массы (то есть совокупности всех материалов, производимых человеком, – от мусора до машин и зданий) буквально в последние годы впервые превысил биомассу на планете (более 1,1 тератонны). Это значит, что теперь не человек приспосабливается к природным условиям, а сама природа должна изменяться, подстраиваясь под траекторию развития человеческой расы.
Знаменитый физик Нильс Бор как-то заметил, что сделать точный прогноз очень трудно, особенно если это касается будущего. В 2021 году (время написания книги) уже понятно, что связанный с перенаселением апокалипсис в 2026 году не состоится. О чем же на самом деле говорит нам уравнение Судного дня?
Капица предположил, что ограничение роста все же происходит, но вовсе не в результате войн или эпидемий, как предполагал 200 лет назад Мальтус. Так как гиперболический рост связан с накоплением и передачей знаний от человека к человеку, возможности роста фактически становятся ограничены только физическими возможностями человека. Теория предсказывает, что рост должен замедлиться незадолго до приближения сингулярности, как только все быстрее сокращающееся характерное время, связанное с удвоением знания, начнет приближаться к времени, необходимому для смены поколения людей – носителей этого знания.
Сингулярности бывают только в наших теориях. В реальном мире вместо сингулярности произойдет (и на самом деле происходит) качественная смена режима роста населения планеты. Анализ данных по динамике населения планеты за последние тысячи лет показывает, что рост количества жителей Земли начал замедляться, как только время удвоения численности населения сократилось до 45 лет. Гиперболический рост остановился в силу физиологического ограничения: вплоть до совсем недавнего времени средняя продолжительность жизни человека составляла те же 40–45 лет.
Та самая сингулярность на самом деле является точкой, начиная с которой дальнейший гиперболический рост населения планеты невозможен. Математическая сингулярность в реальном мире стала точкой бифуркации – демографического перехода к другому качеству развития цивилизации. Модель Капицы предсказывает, что рост человечества замедлится, население планеты выйдет на плато в 12–14 млрд людей, а переходный период начался во второй половине XX века и займет 50–100 лет (то есть происходит на наших глазах и закончится за время жизни одного поколения людей).
Теоретическая история профессора Капицы нам дорога не только потому, что невероятно технопозитивна. Во-первых (и это самое важное), теория предсказала и объяснила демографический переход и стабилизацию населения планеты 50 лет назад, когда признаки демографических изменений были минимальными, а большинство футурологов опасалось перенаселения и катастроф.
Во-вторых, максимально возможное количество живущих на планете людей, оказывается, зависит не от количества доступной пищи или влияния человеческих масс на биосферу. Ничего подобного! Предельная численность жителей планеты ограничена скоростью взросления и передачи знаний следующему поколению людей, то есть вполне себе биологически, социально и даже генетически предопределенными (а значит, и модифицируемыми!), в первую очередь продолжительностью жизни. В теории Капицы мировые проблемы в точке демографического перехода, который мы сейчас все переживаем, находят свое решение в области биотехнологии и медицины.
В романах Азимова Гэри Селдон предсказал распад Галактической Империи и сотни лет кризиса. Недаром считается, что дистопии продаются лучше, а в жизни все гораздо прозаичнее. Профессор Капица спрогнозировал, что в результате демографического перехода численность населения становится устойчивой по отношению к случайным колебаниям численности (например, в результате эпидемий, голода и войн). А значит, войн станет меньше – человечество вступает в эпоху устойчивого развития при стабильной численности.
Гиперболический рост является результатом совместной деятельности людей. Чем больше людей живет на планете, тем больше скорость изменений. Вот почему каждое следующее удвоение численности населения, а наряду с ним и любой другой важной переменной происходит за вдвое меньшее время. На человеческом языке это означает, что сам ход истории ускоряется, что ведет к нарушению выработанных за тысячелетия ценностных и этических представлений общества, правил сосуществования и преемственности между поколениями. Сергей Капица назвал это интуитивное свойство человеческой истории ускорением исторического (или субъективно ощущаемого) времени.
Жизнь наших родителей еще не так уж сильно отличалась от жизни пращуров. Профессию и уклад выбирали один раз на всю жизнь: сын кузнеца становился кузнецом – иными словами, люди часто в буквальном смысле повторяли биографию своих родителей. И только в последние 100–200 лет скорость общественных и технологических изменений так выросла, что люди начали замечать прогресс.
Скорость преобразований продолжает расти, и на сегодня она увеличилась настолько, что профессиональные навыки, полученные в молодости, могут утратить свою актуальность за 5–10 лет после окончания института. На наших глазах почти исчезли некоторые виды бизнеса, где раньше было занято значительное количество людей, например туристические агентства. Среднее время жизни крупнейших компаний из списка S&P 500 сократилось за последние 100 лет с 65 до 15 лет.
Демографический переход – это наглядная демонстрация того, как человечество преодолевает сингулярность в уравнении Судного дня. Вблизи особых точек корреляции, или, говоря проще, взаимозависимости, между различными процессами нарастают и поэтому в ближайшие десятилетия произойдут одновременные и многочисленные изменения общественного устройства и отношений.
Традиционалисты опираются на опыт прошлых лет и отчаянно сопротивляются на всех уровнях – от борьбы с глобализацией до усилий по сохранению института традиционной семьи, но каждый раз оказываются на неправильной стороне истории, а потому неизбежно проиграют. Еще в середине прошлого века США считались (и до сих пор имеют соответствующую репутацию) крайне религиозной страной: более 90 % американцев ассоциировали себя (или не отваживались говорить обратное) с какой-либо из религиозных конфессий. Доля людей, определяющих себя как атеистов, агностиков или не имеющих определенной религиозной принадлежности, начала увеличиваться в конце 1950-х и в 1960-х годах, удвоилась15 в 1990-х годах и к 2019 году достигла 26 %, продолжая расти.
Изменения демографической структуры подрывают все устои общества. Так, например, институт брака, ранее рассчитанный на долгую жизнь после свадьбы (в прежние времена брак заключался в 13–15 лет и длился до конца жизни) и ощутимую вероятность смерти женщины при родах, просто не выдерживает стремительного роста продолжительности жизни. Вот почему сейчас 42–45 % первых браков заканчиваются разводом в среднем за семь лет. В последующих браках ситуация еще хуже – 60 % из них заканчиваются разводом.
Теперь, когда женщины в развитых странах рожают мало, в подавляющем большинстве случаев успешно переносят роды и продуктивно работают долгие годы после рождения детей, как никогда важным становится обеспечение равных прав мужчин и женщин на работе и в обществе. Еще пару столетий назад об этом можно было бы не думать просто в силу физиологических причин. Неслучайно, таким образом, борьба за право голоса и гражданские права женщин позволила добиться первых значимых практических результатов только в последние полвека, в непосредственной близости от демографического перехода.
Демографические данные показывают, что стабилизация численности населения сопровождается резкой сменой структуры популяции (распределения одновременно живущих людей по возрастам), одновременным резким увеличением продолжительности жизни и резким снижением рождаемости. Оказывается, увеличение продолжительности жизни – это решение, выбранное нашим видом в качестве средства от перенаселения!
С начала прошлого века средняя продолжительность жизни практически удвоилась. В развитых странах одновременно уменьшилось и количество детей в одной семье. Примерно к началу 2030-х годов общее число граждан в возрасте свыше 60 лет впервые превзойдет число подростков до 16 лет. Это означает, что в ближайшие годы произойдет демографический переход, а возрастная структура общества перевернется в пользу пожилых. И намечающееся «серебряное цунами» не менее драматично, чем широко обсуждаемое изменение климата.
Больше всего пожилых жителей в первое время будет, очевидно, в Китае. В 2018 году жителей в возрасте 60 лет и старше там насчитывалось примерно 250 млн, а к 2053 году ожидается уже больше 450 млн. Число 80-летних перевалило за 25 млн и, согласно прогнозам, будет увеличиваться на 1 млн каждый год.
Таким образом, в первую очередь дивный новый мир обещает быть старым. Как общество, мы не знаем, как жить в окружении стариков. Тысячелетиями преклонный возраст уже в силу своей исключительной редкости являлся основанием авторитета, а зачастую сулил политическую власть и если не богатство, то гарантированную поддержку от молодых членов семьи или рода. В XIX и особенно в XX веке нарастающие потребности старых и часто одиноких людей подготовили почву для появления государственных пенсионных систем. Во многих странах государство и налогоплательщики (в основном молодые!) оплачивают медицинские расходы, стремительно возрастающие в конце жизни.
До недавнего времени пенсионные обещания было легко раздавать без всякого риска: молодых было много, а стариков – мало, и это не фигура речи. Первая государственная пенсионная программа, предложенная канцлером Германской империи Отто фон Бисмарком, предусматривала поддержку граждан с 70 лет, в то время как средняя продолжительность жизни в те времена составляла всего 45 лет.
Утрата работоспособности все большей доли людей в силу преклонного возраста станет тяжким испытанием для пенсионной и медицинской систем. Предложения увеличить пенсионный возраст скорее свидетельствуют не об улучшении здоровья и продуктивности граждан предпенсионного возраста, а о нарастающих опасениях государственных чиновников по поводу бюджетных проблем.
В завершение разговора про психоисторию профессора Капицы обращу внимание на три момента. Во-первых, эволюционные биологи и рассерженные биохакеры любят говорить, что программа старения работает в интересах коллектива, всех особей одного вида. Якобы старики не должны конкурировать с молодыми за ресурсы и мешать прогрессу. Решение Капицы подтверждает, что сейчас стратегические интересы нашего вида лежат как раз в области увеличения продолжительности жизни каждого своего представителя. И это касается каждого из нас, включая и вас, раз уж вам довелось родиться в момент демографического перехода.
Во-вторых, адепты «технологической сингулярности» (не путать с демографической сингулярностью в модели Ферстера) обещают, что уже в ближайшем будущем человек не сможет угнаться за постоянно наращивающим свой темп технологическим прогрессом и рискует сойти с исторической сцены вслед за денисовцами и «прочими неандертальцами».
Рискну утверждать, что пока не стоит сбрасывать человека со счетов. Вместо того чтобы сдаться и исчезнуть, в момент демографического перехода человек демонстрирует свои недюжинные адаптивные возможности, меняется сам и меняет свою жизнь так, чтобы научиться сохранять здоровье и обучаемость в течение десятилетий. Это должно дать нам и нашим детям способность переизобрести себя каждые 10–15 лет и продолжать приспосабливаться к новой реальности. Ну а что станет возможным еще через несколько десятков лет – невозможно даже представить.
И в-третьих, замечу, что теория Капицы – это не просто история про неуклонный рост населения на нашей планете. Это одна из первых хороших теорий прогресса. Нас становится больше, и мы живем в лучшее из времен вовсе не потому, что на планете становится больше того или иного ресурса. Цивилизация растет все быстрее потому, что новые знания порождают еще больше новых знаний на стыке между науками или другими человеческими практиками.
В попытке осознать, почему увеличение продолжительности жизни происходит именно сейчас, мы обнаружили пример той самой эмерджентности: в результате сложнейших взаимодействий между компонентами современной технологической цивилизации – людьми, компаниями и странами, – возникает новое свойство – тот самый прогресс в виде неостановимого роста суммы материальной инфраструктуры и одновременно знаний и практик, которые передаются из поколения в поколение не в генах, но устно, а сейчас еще и посредством книг и других небиологических носителей. Вот почему культурные ценности надолго переживают своих создателей.
Как муравьи строят муравейник, а на самом деле экосистему, защищенную от факторов внешней среды, так и человек уже более миллиона лет строит свой «муравейник». Так же, как нет ни одного муравья, у которого в голове или где-то еще есть план всей конструкции, так нет и человека или группы людей, которая устанавливала бы цели или хотя бы обладала полным объемом знаний человечества. Общество, как и муравейник в целом, обладает коллективным интеллектом, который существенно превосходит по потенциалу сумму его частей – отдельных муравьев или людей. И те исследователи, общественные деятели и предприниматели, которые решают задачи в интересах этого суперколлектива, в большей степени могут рассчитывать на удачу, признание, вмешательство провидения или «мирового правительства» (нужное подчеркнуть).
3-я часть отрывка. То, что нет человека, у которого в голове есть полный план, еще не означает, что этого плана нет или не стоит надеяться его понять. Прежде чем мы двинемся дальше и начнем выяснять, что стоит за биологией продолжительности жизни, давайте все-таки попробуем разобраться, почему победа над старением отвечает нашим видовым интересам и должна стать ключевым инструментом адаптации человека к неизбежному ускорению прогресса.
Дивиденды от долголетия
Рассказывают, что руководитель советской космической программы Сергей Павлович Королев производил впечатление физически крепкого человека. На самом деле здоровяком он и в лучшие свои годы не был. 11 февраля 1964 года Королев проводил совещание в своем кабинете в Подлипках, где его и настиг первый сердечный приступ. Осенью 1965 года главному конструктору опять стало плохо, а после неудачного прилунения автоматической межпланетной станции «Луна-8» у него начались кишечные кровотечения.
Утром 5 января 1966 года Королев лег в больницу на, как предполагалось, плановую операцию по удалению полипа прямой кишки. Оперировали Сергея Павловича светила отечественной медицины – министр здравоохранения СССР, действительный член Академии медицинских наук СССР, профессор Борис Петровский и срочно вызванный в качестве консультанта в середине операции знаменитый профессор Александр Вишневский. Во время операции у Королева открылось кровотечение плюс попутно обнаружили саркому – злокачественную опухоль. В связи с «невылеченной травмой, полученной в ссылке» (очевидно, эвфемизм, описывающий сломанную челюсть, – результат допроса с пристрастием на Лубянке), возникли сложности при интубации трахеи. Остановка сердца произошла спустя 30 минут после окончания операции.
В заключении о болезни и причинах смерти отмечено, что «тов. С. П. Королев был болен саркомой прямой кишки. Кроме того, у него имелись: атеросклеротический кардиосклероз, склероз мозговых артерий, эмфизема легких и нарушение обмена веществ». Каждая из перечисленных болезней является возрастзависимой, то есть результатом старения. Замедление старения всего на несколько лет могло означать еще несколько лет жизни главного конструктора, и если не другого победителя в лунной гонке, то хотя бы успех отечественной пилотируемой лунной программы. Однако все сложилось иначе. 20 июля 1969 года лунный модуль космического корабля «Аполлон-11» с астронавтами Нилом Армстронгом и Эдвином Олдриным на борту впервые прилунился в районе моря Спокойствия. После этого советское руководство потеряло интерес к лунной программе, и после ряда аварийных пусков ракеты-носителя Н-1 она была закрыта.
Планы Королева, который умер в возрасте 59 лет, и его соперника в космической гонке Вернера фон Брауна (умер в 1977 году в возрасте 65 лет) простирались гораздо дальше Луны. Заместитель главного конструктора академик Борис Черток говорил так: «У Королева были невероятные организаторские способности. Если бы не Королев, Гагариным стал бы американец. И если бы не полетел Гагарин, то Армстронг в 1969 году не высадился бы на Луне»16. Можно поспекулировать на тему того, что смерть Сергея Павловича стала важнейшей причиной сворачивания советской лунной программы и, как следствие, снижения интереса американских политиков к полетам человека в дальний космос. Возможно, поэтому даже в начале XXI века мечта о пилотируемом полете на Марс все еще остается мечтой.
Королев оставался на рабочем месте до последних дней своей жизни. То же можно сказать об авиационном конструкторе Артеме Ивановиче Микояне, умершем на операционном столе в возрасте 65 лет. Выдающиеся инженеры двигали прогресс еще долго после возраста, отвечающего средней «естественной» продолжительности жизни человека – 45–50 лет. Средний возраст лидеров современного бизнеса, самых высокооплачиваемых генеральных директоров компаний из списка S&P 500, в 2010 году составлял 53 года17. На первый взгляд, связь бизнес-достижений и возраста противоречит историям успеха последних лет, особенно в области высокотехнологичного предпринимательства. Марк Цукерберг, Илон Маск, Ларри Пейдж, Сергей Брин, Стив Джобс и многие другие герои Кремниевой долины достигли успеха до того, как им исполнилось 30 лет. Быть может, все-таки молодость является необходимым условием успеха?
Исследователи из Школы менеджмента Слоуна при Массачусетском технологическом институте обработали данные о 2,7 млн компаний из Бюро переписи населения США, а также публичные налоговые документы компаний, которые нанимали как минимум одного сотрудника в период между 2007 и 2014 годами. Результаты исследования под руководством Пьера Азулая были опубликованы в American Economic Review18.
Всего удалось проанализировать данные более чем 2,5 млн предпринимателей, которые основали хотя бы один бизнес в США начиная с 1970 года. Не удалось найти подтверждения того, что 20-летние основатели компаний в среднем более удачливы: выяснилось, что 50-летний специалист в 2,2 и 2,8 раза вероятнее создаст успешный стартап, чем 30-летний или 25-летний. Среди 1700 бизнесов с максимальными показателями роста средний возраст основателя в момент создания компании был 45 лет.
Данные подтверждают, что опыт (и связанный с ним возраст) – важнейший актив, если речь идет о создании новой компании. Очень сложно эффективно управлять и воплощать проекты в жизнь, когда у тебя мало опыта. Практически за каждым успехом стоит так называемый суперфаундер – человек, уже имеющий значительный опыт создания компании исключительной стоимости. А опыт, в отличие от специальных знаний, это всегда продукт времени, профессионального стажа.
У более пожилых работников обычно лучше навыки продаж, межличностного общения, а в плане физической работоспособности они кардинально не отличаются от молодых. Исследования показывают, что пожилые менеджеры в инженерной сфере лишь немногим менее склонны к риску. Они дольше принимают решение, но зато больше ценят новую информацию. Профессор Йельской школы менеджмента Джеффри Зонненфельд в своей статье в Fortune в 2016 году отмечал: «Такие предприниматели, как Сэм Уолтон, Билл Макгоуэн и Рэй Крок, запустили свои новаторские бизнесы лишь в 50 или 60 с лишним лет. Генри Форд вывел на рынок «Модель Т» в 45. Джеку Ма из Alibaba – 51 год. Стив Джобс придумал свои самые успешные продукты – в том числе iMac, iTunes, iPod, iPhone и iPad – после 45 лет»19. Компания Google своим успехом в значительной степени обязана Эрику Шмидту, который присоединился к основателям в возрасте 46 лет.
Mожно предположить, что раз уж профессиональные достижения ограничены опытом, то есть временем активной жизни, то и прогресс человечества в целом уже сейчас ограничен старением. В возрасте 45–50 лет, еще до первых серьезных хронических заболеваний, начинает проявляться дефицит здоровья, хорошо заметный при анализе больших данных о физических возможностях организма с возрастом.
Хорошим примером являются результаты анализа статистики марафонских забегов. В исследовании World's Largest & Most Recent Marathon Study (2014–2017)20 проанализированы данные с 784 соревнований в 39 странах с участием 2 907 293 человек. Первое, что обращает на себя внимание, это то, как с возрастом резко снижается количество участников: если в возрастных группах 30–39 и 40–49 лет их примерно одинаково, 29 % и 31 % от общего числа участников соревнований, то на группы 50–59 и 60–69 лет приходится уже только по 16 и 4 % соответственно.
Резкое снижение числа участников в возрастных группах после 40 лет можно было бы списать на обстоятельства маркетингового характера. Как знать, быть может, бегать марафоны после 60 просто не модно? Данные не подтверждают это предположение: интерес к соревнованиям, наоборот, падает у юных участников и нарастает в группах пожилых спортсменов (на 3–5 % за три года исследования в возрастных группах 50–90 лет).
Среднее время пробега составляет 4 часа 46 минут и слабо зависит от возраста в диапазоне 20–49 лет, составляя 4 часа и 42–44 минуты. Уже в следующей возрастной группе, 50–59 лет, не только вдвое снижается количество участников, но и увеличивается среднее время пробега – до 4 часов 55 минут. С увеличением возраста отставание стремительно нарастает: когорты 60–69 и 70–79 финишируют в среднем еще на 23 и 42 минуты позже. И речь идет, я напомню, только о тех, кто закончил пробег, то есть крайне здоровых людях в каждой из возрастных групп. Попробуйте вообще пробежать марафон!
В той же мере с возрастом страдают и когнитивные способности. Причем негативные изменения начинаются задолго до развития нейродегенеративных заболеваний. Чтобы увидеть тренд, снова посмотрим на большие данные статистики шахматных турниров. Выясняется, что в среднем рейтинг спортсменов увеличивается21 с возрастом в детстве и достигает своего пика около 30 лет. Это выглядит логично и должно отражать, во-первых, увеличение вычислительных возможностей за счет роста объема мозга и, конечно же, накопления позитивного опыта. После 30 начинается неуклонное снижение рейтинга – так, что средний рейтинг 80-летнего спортсмена совпадает со средним рейтингом 16-летнего юноши. И это несмотря на десятки лет опыта игры!
Одновременно растет объем знаний, необходимый для успешной профессиональной деятельности. Это легко увидеть, если заметить, что диссертации защищаются все позже. Считается, что Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, когда ему было 23 года – для XVII века это был возраст пика научной формы. Но «простых проблем» больше не осталось. Наверное, поэтому в прошлом столетии возраст нобелевского открытия (не путать с возрастом получения самой премии, это обычно происходит гораздо позже) неуклонно повышался до тех пор, пока не достиг тех же самых 45–50 лет.
В подтверждение этого наблюдения заметим, что неуклонно растет количество соавторов наиболее значимых научных работ. Насекомые, например муравьи, в силу особенностей физиологии лишены возможности набирать массу тела и охотиться как крупный организм, а потому собираются в муравейники – суперорганизмы. Так же и современные ученые, ограниченные отведенным им временем жизни, работают в составе огромных коллабораций. Эта стратегия, в общем-то, успешна: наблюдения показывают, что исследователи, работающие в составе больших групп и публикующие свои работы вместе, чаще производят научные результаты высокой значимости22. Но при всей адекватности такого подхода он порождает другие проблемы. Как и в муравейнике, коллективная работа идет в ущерб поощрению индивидуальной научной деятельности, принижая в конечном итоге роль каждого отдельного ученого.
Старение незримо лишает человечество, даже если на некоторое время оставляет в живых после прохождения пика формы профессионалов высшей пробы. Следующему Альберту Эйнштейну или создателю стартапа стоимостью $1 трлн, возможно, не хватит всего 5 или 10 лет жизни в состоянии абсолютного здоровья для очередного революционного открытия или осуществления амбициозного бизнес-плана.
Не будем забывать про «слона в комнате» – появление все более разумных машин, уже сейчас способных конкурировать за ресурсы и инвестиции с человеком. Не преодолев своих физиологических ограничений, в первую очередь связанных с обучаемостью и долголетием, люди не смогут долго оставаться движущей силой, а значит, и основным бенефициаром технологического прогресса. Причем никакое механистическое увеличение численности населения, пусть даже до 1 трлн человек в космосе, как обещает нам один из самых богатых людей современности, основатель компании Amazon и космического стартапа Blue Origin, не сможет помочь решить эту проблему.
В следующих главах мы оторвемся от цивилизационных вызовов и вместо обсуждения вопросов «зачем?» и «почему?», перейдем обратно на уровень отдельного человека и попробуем ответить на вопрос «как?». Для этого мы посмотрим на проблему увеличения здоровой продолжительности жизни с точки зрения инженера. Но вначале попробуем разобраться, какие существуют, и существуют ли вообще, фундаментальные ограничения человеческого долголетия.
Что мы узнали?
● Даже если приходят сомнения, всегда помните, что мы живем в лучшее из времен.
● Прогресс – это эмерджентный процесс без плана и централизованной организации. Благосостояние людей больше не зависит от количества ресурсов или температуры воздуха за окном. Численность населения нашего вида на Земле уже более миллиона лет растет по гиперболическому закону, основываясь на «экономике знаний».
● Сергей Капица предсказал стабилизацию населения на нашей планете в результате демографического перехода – снижения рождаемости и увеличения продолжительности жизни. Этот прогноз сбывается на наших глазах.
● Новый мир рискует быть старым, зато умным: благодаря увеличению продолжительности жизни без болезней возможно достичь ранее недоступных профессиональных и культурных высот.
Естественный предел
Живи ярко, умри молодым?
Нил Армстронг, первый человек побывавший на Луне, смешил коллег-астронавтов своей теорией физзарядки: «В жизни каждому отведено определенное количество ударов сердца, а потому я не собираюсь тратить свои на физические упражнения». Как ни удивительно, этот, казалось бы, совершенно наивный аргумент универсален и довольно точен с точки зрения биологии.
Средняя частота сердечных сокращений (или, выражаясь более строго, частота сердечных сокращений в состоянии покоя, или просто пульс в покое) колоссально различается у различных видов теплокровных. У больших животных, таких как киты и слоны, сердце бьется очень медленно и пульс составляет от 4–8 (у ныряющего кита) до 30 ударов в минуту. Частоту сердечных сокращений у грызунов посчитать сложнее, но радиотелеметрия показывает 370, 470 и 550 ударов в минуту у крыс, хомяков и мышей соответственно. У самых маленьких млекопитающих – летучих мышей – пульс может доходить до 900 ударов в минуту. У птиц пульс в покое может быть еще выше: курам знатоки приписывают 280 ударов в минуту, колибри – 1300 ударов в минуту.
Если частоту сердечных сокращений можно установить более или менее надежно, продолжительность жизни того или иного животного известна лишь приблизительно. Точный ответ зависит от того, производятся измерения в лаборатории или в естественной среде обитания, от условий содержания. Некоторые животные, например киты, живут гораздо больше 100 лет, что делает контролируемое лабораторное измерение и вовсе невозможным.
Продолжительность жизни млекопитающих в зависимости от размера отличается примерно в 100 раз. Так, гренландский, или полярный, кит считается млекопитающим-рекордсменом и способен жить более 200 лет. Определить продолжительность жизни животных в дикой природе крайне трудно и приходится использовать самые изощренные методы. Так, например, ядерные испытания в атмосфере и под водой в 1950–1960-х годах и связанное с ними радиоактивное загрязнение океана позволили эффективно использовать радиоизотопный анализ.
В 2017 году группа морских биологов под руководством профессора Юлиуса Нильсена из Университета Копенгагена провела оценки возраста 28 пойманных гренландских акул23. Эти животные могут достигать в длину пяти метров, растут очень медленно (кстати, это практически универсальное свойство долгоживущих организмов) и достигают половой зрелости в возрасте примерно 150 лет. С 95 %-ной уверенностью можно сказать, что возраст самого молодого животного в исследовании был 270 лет, а самого старого – 520. Для сравнения: скромные по размеру лабораторные крысы могут жить 3–3,5 года, мыши – примерно 2–2,5 года, и это несмотря на отсутствие естественных врагов и регулярное питание.
Давно замечено, что животные с низким пульсом живут дольше. Еще более удивительно, что, несмотря на разницу в размере и продолжительности жизни, число ударов сердца за все время жизни мыши или крысы оказывается примерно одинаковым (!) и составляет приблизительно 700 млн сердечных сокращений. Таким образом, пульс в покое обратно пропорционален продолжительности жизни (Левайн, 199724). Перемножая продолжительность жизни на пульс в покое, получаем полное число сердечных сокращений в течение жизни, которое не зависит от размера животного. Для млекопитающих сердечный ресурс составляет примерно 1 млрд сердечных сокращений.
Соотношение между пульсом в покое и продолжительностью жизни не только забавный факт из области сравнительной биологии. По данным медицинских наблюдений, для человека увеличение частоты сердечных сокращений связано с повышенным уровнем молекулярных маркеров стресса и воспаления, концентрации опасных свободных радикалов, повышенным риском сердечно-сосудистых заболеваний, а также смерти от всех причин. Данные больших эпидемиологических исследований показывают, что увеличение пульса в покое на каждые 10 ударов в минуту свыше уровня 65, то есть примерно на 15 %, приводит к увеличению риска смерти на 10–20 %. Выглядит так, будто и на уровне отдельных людей действует универсальный закон: продолжительность жизни в единицах сердечных сокращений остается примерно неизменной.
Что же, не пора ли занести «миллиард сокращений сердца» в таблицу мировых констант? Предложение кажется абсурдным, но предельное число сердечных сокращений превратилось в культурный мем. Литература по здоровому образу жизни нередко содержит рекомендации по снижению пульса в покое. В дело идут кардиотренировки, здоровый сон, снижение калорийности рациона и уровня стресса. На первый взгляд может показаться, что в нашем распоряжении наконец появилась внятная и, главное, порождающая простые практические рекомендации теория старения: не истощай понапрасну ценный ресурс (в нашем случае – количество сердечных сокращений) – и проживешь дольше.
Но не все так просто. Например, на роль жизненно важного, а главное, истощаемого ресурса в разные времена претендовали сразу несколько маркеров. В древности всерьез старались не дышать лишний раз – йоги призывали измерять жизнь не в годах, а в числе вдохов и выдохов.
Новые времена подарили более сложные гипотезы. Старение, как теперь можно часто услышать, связано с пределом Хейфлика25 – ограничением на максимально возможное число делений клеток многоклеточного организма. Предполагается, что на молекулярном уровне продолжительность жизни предопределяет длина так называемых теломер – генетических последовательностей на концах хромосом, уменьшающихся при каждом делении клетки. Как только «наконечник» хромосомы укорачивается до полного исчезновения, деление клеток прекращается, а значит, становится невозможным и обновление тканей организма.
Прежде чем отнестись к таким объяснениям серьезно, заметим, что в наше время в развитом мире человек позволяет себе в среднем примерно 2,5 млрд сердечных сокращений за свою 70- или 80-летнюю жизнь. Это более чем в два раза больше, чем «предел». Что еще удивительнее, это исключение из универсального правила возникло только в последние 100 лет: в начале прошлого века средняя продолжительность жизни была ближе к 40 годам, что давало как раз примерно миллиард сердечных сокращений, в точности, как у мыши или у кита.
На самом деле почти двукратный рост продолжительности жизни человека за прошедшее столетие ставит крест на теориях старения, связанных с ограниченным ресурсом человеческого тела. И если скорость износа человеческого тела, а следовательно, и скорость сокращения теломер в принципе могла сильно измениться, пульс человека в покое едва ли уменьшился в два раза за последние 100 лет. А значит, «ограничение» человеческой жизни числом сердечных сокращений, а скорее всего, и любым другим «физиологическим пределом» окажется ложной закономерностью. Давайте посмотрим почему.
Что такое хорошее объяснение?
Прежде чем разбираться, почему число ударов сердца примерно одинаково для разных животных, а частый пульс предвещает более короткую жизнь, предлагаю отвлечься и обсудить, что в принципе не так с теорией ограниченного ресурса. Давайте немного поразмышляем о том, какие объяснения вообще являются хорошими или по крайней мере практически полезными.
Существуют десятки теорий старения. Было бы странно, если бы все они были правильными одновременно. Такая «инфляция» знаний разительно отличается от положения в точных науках. В физике элементарных частиц наиболее полная из существующих теорий называется скромно – Стандартная модель. Специалистам абсолютно точно известно, что Стандартная модель внутренне противоречива и не может служить для описания всех явлений в природе. И это несмотря на ошеломляющий успех теории: на момент написания книги не было известно ни одного эксперимента, для которого Стандартная модель давала бы предсказания, отличные от результатов измерений.
В физических науках эта, казалось бы, завидная ситуация получила название «кошмарный сценарий»: в результате эксперимента стоимостью более €10 млрд Большой адронный коллайдер в ЦЕРН «всего лишь» подтвердил существование бозона Хиггса, но не открыл ни одной новой частицы, не укладывающейся в Стандартную модель. Тем не менее Стандартная модель является хорошей теорией, в то время как многие теории старения – нет.
Часто приходится слышать, что задача науки – производить фальсифицируемые предположения относительно окружающих нас явлений. Должен сказать, что этого недостаточно. Древние люди в Месопотамии и Мезоамерике построили крайне эффективные численные системы для точнейшего предсказания солнечных и лунных затмений. Но фитиль научной революции удалось поджечь только после того, как орбиты планет и их спутников были рассчитаны при помощи законов Ньютона.
В замечательной книге «Начало бесконечности»26 известный физик и философ науки Дэвид Дойч предположил, что успех современной науки обусловлен способностью получать «хорошие объяснения» явлениям вокруг нас. Чтобы быть хорошим объяснением чего-либо, наука не должна сводиться лишь к описанию экспериментальных наблюдений. «Правильная» теория должна еще и обладать способностью «сжимать» экспериментальную информацию. В идеале теория должна быть применима для объяснения максимального разнообразия фактов, исходя из минимального количества хорошо сформулированных предположений. Законы Ньютона позволяют рассчитать движения всех небесных тел, и несколько уравнений с необходимыми пояснениями заменяют многолетние наблюдения за положениями планет и звезд.
Хорошая теория должна не только давать точные прогнозы, но и выявлять причинно-следственные связи между явлениями. У популярных теорий старения, например об ограниченном ресурсе сердечных сокращений, все хорошо, кроме того, что ни одна из них не является хорошим объяснением. Увидев, что удвоение продолжительности жизни в прошлом столетии опровергает теоретическое предсказание, мы получаем еще один пример бесполезности любой статистической корреляции без объяснения. Мы вернулись в начало пути: мы не знаем, почему это произошло, и не можем заменить теперь уже очевидно плохую теорию на новую, хорошую.
4-я часть отрывка. Организм как тепловая машина
Хорошее объяснение связи продолжительности жизни и количества сердечных сокращений удалось предложить Джеффри Весту. Вест сделал блестящую карьеру в теоретической физике, работая над развитием той самой стандартной модели и разрабатывая компьютерные алгоритмы для решения сложных теоретических вопросов в физике высоких энергий. Вместе с Джеймсом Брауном и Брайаном Энквистом, специалистами-биологами из Университета штата Нью-Мексико в Альбукерке, ученому удалось сформулировать универсальные теоретические принципы, определяющие строение, баланс энергии и законы роста живых организмов. Результаты этого довольно сложного технически, но по-настоящему фундаментального исследования были опубликованы в 1997 году в журнале Science27.
Физики – не лирики, а такой раздел физики, как термодинамика, без всяких сантиментов утверждает, что конечным результатом любого природного процесса является тепловая смерть. За громкой метафорой скрывается максимально неупорядоченное состояние покоя с температурой, равной температуре окружающей среды. Это утверждение в более строгой формулировке известно как второе начало термодинамики.
Тепловая смерть как следствие второго начала термодинамики угрожает лишь замкнутым системам. Выдающийся физик Ричард Фейнман одним из первых обратил внимание на то, что живые организмы до тех пор, пока имеют возможность обмениваться энергией с внешней средой, могут поддерживать свою жизнедеятельность неограниченно долго.
Жизнь – это очень энергозатратный процесс, поэтому в первую очередь любой живой организм должен извлекать энергию и расходовать большую часть своего энергетического баланса на поддержание своей целостности. Только по остаточному принципу можно шевелиться и думать.
От чего же зависит скорость метаболизма? Казалось бы, чем больше размер животного, тем больше энергии суммарно должно вырабатываться всеми клетками организма в единицу времени просто для того, чтобы оставаться в живых. На деле количество калорий увеличивается медленнее, чем прямо пропорционально массе животного.
На математическом языке такие пропорциональные, но нелинейные зависимости называются степенными (или аллометрическими – в прежние времена аллометрией называли отклонения зависимости от прямо пропорциональной). Например, кит весит в 100 млн раз больше, чем креветка. Скорость метаболизма у креветки меньше не в 100 млн, а «всего лишь» в 1 млн раз. Другими словами, скорость метаболизма растет пропорционально массе животного в степени ¾. Эта закономерность известна в биологической науке с 1930-х годов как закон Клайбера.
Пульс в покое тоже универсально снижается по мере роста массы тела животного. На этот раз 100 млн раз разницы в весе между китом и креветкой превращаются в отличающиеся «всего лишь» в 100 раз частоты сердечных сокращений. В этом случае пульс увеличивается обратно пропорционально весу животного в степени ¼.
За редкими исключениями продолжительность жизни, наоборот, увеличивается с размером животного пропорционально весу в степени ¼. Перемножая продолжительность жизни на пульс животного в покое, мы получаем полное число сердечных сокращений, которые не зависят от массы тела. И снова время жизни животного в единицах сердечных сокращений оказывается мировой (или фундаментальной биологической – на ваш вкус) константой и для креветки, и для мыши, и для кита.
Как ни удивительно, но вплоть до самого конца XX века не существовало никакого разумного – по крайней мере согласно стандартам, принятым в физических науках, – теоретического объяснения этому.
Можно ли теперь сказать, что предельное число сердечных сокращений или другие приметы ограниченного ресурса в жизни животных – это следствие аллометрических законов? Или аллометрические законы являются следствием существования предельного ресурса? Чтобы ответить на эти вопросы, нам потребуется хорошее объяснение аллометрическим законам. Оказывается, все степенные зависимости физиологических переменных от массы, в том числе и закон Клайбера, могут быть полностью объяснены, исходя из понятных физических принципов.
Американскому генералу Омару Брэдли приписывают саркастичное утверждение: «Дилетанты обсуждают тактику, а профессионалы – логистику». В определении связи параметров метаболизма и размера организма ключевую роль играют как раз параметры, связанные с логистикой, то есть фундаментальные физические и геометрические ограничения кровеносной системы. Не прекращающийся ни на секунду поток крови переносит питательные вещества и кислород – компоненты химического топлива, необходимые для выработки любых форм энергии. Кровь также непрерывно удаляет из организма продукты сгорания химического топлива (например, углекислый газ).
Кровеносная система состоит из бесчисленного числа сосудов всех размеров, начиная от большой аорты, ее ответвлений, ответвлений от ответвлений и т. д., вплоть до мельчайших капилляров. Ученые предположили, что по крайней мере у животных близких видов, таких как млекопитающие, параметры течения жидкости в самых маленьких сосудах, непосредственно снабжающих клетки организма кислородом и питательными веществами, зависят от свойств клеток, но не зависят от размера организма.
Логистика требует, чтобы каждая клетка организма имела достаточную возможность получать питательные вещества и избавляться от продуктов метаболизма. Это значит, что каждая клетка должна находиться в достаточной близости к капилляру. Кроме того, необходимость кровоснабжения не должна приводить к появлению незаполненных полостей в организме.
Естественный отбор тоже не прощает несовершенства: предполагается, что архитектура системы кровоснабжения должна быть такой, чтобы обеспечивать минимальное гидродинамическое сопротивление. Иными словами, энергозатраты на циркуляцию жидкости в организме должны быть минимальны. В среднем организмы с субоптимальными энергозатратами не успевали добежать до еды быстрее своих «лучше оптимизированных» собратьев и потому реже оставляли потомство.
Оказывается, что для выполнения всех перечисленных условий кровеносная система должна быть организована вполне определенным образом. Каждый большой сосуд разветвляется на определенное количество более мелких так, что размеры и длина новых сосудов на каждом уровне ветвления уменьшаются в одно и то же число раз. Такая архитектура часто встречается в природе и называется фракталом.
Эта структура является не только красивой, но и очень экономной. Во-первых, общее число ветвлений очень слабо зависит от размера животного: уже знакомый нам кит весит в 100 млн раз больше, чем креветка, в то время как число ветвлений в его кровеносной системе всего лишь на 70 % больше, чем у мельчайших ракообразных.
Во-вторых, сопротивление течения жидкости в системе сосудов минимально при условии равенства площади исходного и выходящих сосудов на каждом уровне ветвления. Это свойство сосудистой системы минимизирует «отдачу» – гидравлический удар в месте ветвления сосудов в ответ на каждый скачок давления вслед за ударом сердца и действительно хорошо выполняется, по крайней мере для ветвления больших сосудов. Отклонения от этой закономерности возникают в мельчайших сосудах и у самых мелких животных.
Как только геометрия кровеносной системы приведена в соответствие с требованиями оптимальности, в ход идут законы физики. Джеффри Вест с коллегами показал с помощью расчетов, что скорость метаболизма (понимаемое как среднее количество кислорода, прокачиваемое через все сосуды в единицу времени) растет медленнее, чем размер организма, пропорционально весу в степени ¾.
Отставание мощности от размера (аллометрическая степень ¾ вместо единицы) означает, что уровень метаболизма на единицу массы при этом даже снижается. Mожно считать, что по мере роста размеров системы нарастают конструктивные сложности или издержки, связанные с организацией управления, то есть обеспечения и взаимодействия между частями. Сложная система, такая как живой организм, не равняется сумме своих частей.
Закон Клайбера (наверное, правильнее называть его теперь законом Клайбера – Веста) описывает идеальные машины. Лучшие механизмы, созданные человеком до сих пор, далеки от совершенства живых систем, где отклонение от идеальной эффективности безжалостно наказывается невидимой рукой естественного отбора. Силовые машины (моторы, генераторы), по крайней мере пока, конструируются существенно не фрактальными, а потому мощность их растет пропорционально размеру. Большая машина – значит, хорошая. Мощность – это прекрасно, но ее избыток на единицу массы, согласно модели Веста, всегда приводит к росту потерь. Нам все еще есть чему научиться у природы.
Обратите внимание: энергетические возможности организма в модели Клайбера – Веста не зависят от того, живет он в Африке или плавает подо льдами, ест планктон или гоняется за антилопами. Универсальные законы тем и хороши, что сложные явления описываются одинаковыми закономерностями независимо от временных масштабов и тонких деталей внутреннего устройства. В конце статьи Джеффри Вест отмечает, что аллометрический закон Клайбера является, возможно, самой универсальной закономерностью, работающей «под капотом» у эволюции и незримо подпитывающей все то колоссальное биологическое разнообразие, которое мы видим за окном.
Блеск и нищета теорий ограниченного ресурса
Вернемся, однако, к проблемам старения. Теперь мы с вами знаем, сколько энергии в единицу времени доступно любому животному в зависимости от размера. Разобравшись с разделом «Доходы» в энергетическом балансе, давайте обсудим расходную часть. Следуя идеям Джеффри Веста, попробуем понять, как устроены законы развития и роста сложных систем, компаний или живых организмов. Оказывается, и тут все подчинено универсальным закономерностям!
На что же мы тратим свою энергию? Может показаться, что в первую очередь речь идет про утренние пробежки, работу (это то, чем мы сейчас заменили охоту или поиск еды) или поиск полового партнера. На самом деле все это вместе составляет малую часть энергетического баланса. Основные траты связаны с собственно нормальным существованием: необходимо поддерживать кровоток и дыхание, синтез нужного, деградацию и вывод ненужного, теплообмен – все то, что каждую минуту помогает избежать тепловой смерти.
Еще одной важнейшей функцией организма и важнейшей расходной частью энергетического баланса является поддержание целостности организма. Это энергия, которая тратится на исправление всевозможных регуляторных ошибок – не вовремя отданных или неадекватно услышанных команд и физических повреждений, скорость появления которых пропорциональна массе или размеру животного.
Процессы роста и поддержания работоспособности уже выросшего организма конкурируют за использование всей доступной вырабатываемой энергии. В начале жизни размер тела невелик относительно растущих возможностей по генерации энергии и избыток может быть использован для роста организма. В результате животное быстро увеличивается в размере.
С возрастом скорость роста метаболизма на единицу массы замедляется в силу того самого закона Клайбера – Веста, а расходы на поддержку и «ремонт» единицы массы организма остаются на определенном постоянном уровне. В результате избыток энергии, которую можно было бы потратить на рост, постепенно сходит на нет, и рост организма прекращается. В конечном итоге организм достигает своего взрослого размера, и размер животного начинает лишь случайно отклоняться от нормы в результате перерывов в питании или повреждений.
Характер функциональной зависимости массы от возраста оказывается универсальным для животных самого разного размера. В 1999 году в замечательной статье в журнале Nature28 Джеффри Вест и его коллеги показали, что универсальные законы роста позволяют описать одним и тем же уравнением зависимость роста от массы для креветок, окуня, курицы или коровы. Чаще, впрочем, самым интересным в статье оказывается не то, что в ней написано, а то, что должно было бы быть, но отсутствует. В публикации нет данных про человека, и мы скоро поймем почему.
Время, необходимое животному для набора взрослой массы, растет по мере увеличения размера животного пропорционально массе в степени ¼. Вот как аллометрический закон Клайбера порождает все остальные аллометрические законы: чтобы возраст зрелости увеличился в 10 раз, масса организма должна вырасти в 10 000 раз (!).
Очень советую прочитать историю об универсальных законах роста и устройства живых организмов и общественных структур из первых уст в книге Джеффри Веста «Масштаб»29.
Для нашего рассказа важно другое. Продолжительность жизни большинства животных растет по мере увеличения размера организма, причем время жизни пропорционально массе в той же самой степени ¼, что и в модели роста! Вест обращает внимание на это «совпадение» и предлагает считать, что не только время взросления, но и продолжительность жизни животных подчиняется тому же закону. Предполагается, что теперь у нас в руках хорошая теория продолжительности жизни.
Предложенное объяснение позволяет заново переосмыслить многие факты, связанные со старением человека и животных. Так, например, увеличение скорости метаболизма, согласно теории, должно приводить к сокращению продолжительности жизни. Скорость химических реакций очень сильно зависит от температуры и снижается на холоде. Вот почему холоднокровные животные так чувствительны к условиям внешней среды. Жизнь круглых червей в лабораторных условиях удлиняется аж на 10 дней (30 дней против 20), если понизить температуру с 20 до 15 ℃. И наоборот, жизнь червей сокращается примерно с 20 до 10 дней в среднем при увеличении температуры на те же 5 ℃ – с 20 до 25 ℃.
Так же логично, с точки зрения теории Веста, что увеличение стрессовой нагрузки отбирает ресурсы от роста в пользу регенерации, а потому неизбежно замедляет развитие. Можно, например, было бы ожидать, что стимуляция организма небольшим стрессом (диеты, контрастный душ или сауна) может увеличить продолжительность жизни. И наверняка любое такое воздействие должно иметь больший эффект в молодости, пока скорость роста велика, и скорее ничтожный в конце жизни организма. Все эти явления хорошо известны в биологии старения, и в последующих разделах мы увидим, как природа использует каждый из этих рецептов в очередной новой попытке создать долгоживущий организм.
Для человека теория Веста определяет возраст зрелости в 35 лет, что очень близко к средней продолжительности жизни за последние тысячи лет или характерному времени обновления популяции в теории Капицы. Перемножая время взросления на частоту сердечных сокращений в модели Веста, мы получаем константу. Теперь мы понимаем, что у млекопитающих это 1 млрд сердечных сокращений от первого вздоха до зрелости, но совсем не обязательно до смерти.
Не надо недооценивать наших предков: «смешные» по современным меркам аргументы о конечном числе вздохов и сердечных сокращений в течение жизни оказались совершенно верным эмпирическим наблюдениям. Или почти верным – не надо забывать, что наши предки жили во времена, когда смерть наступала зачастую даже раньше, чем зрелость и отличить старость от зрелости было крайне трудно!
Теория индивидуального развития (или, выражаясь языком биологии, онтогенеза) Веста позволяет поспекулировать, каким образом такая важнейшая величина, как скорость роста или время развития, может быть «закодирована» в геноме. Оказывается, нет необходимости создавать «часы смерти» – одну специальную систему из нескольких генов, непосредственно регулирующих старение или ожидаемую продолжительность жизни. Вместо этого подойдет любой ген, который влияет на настройки систем метаболизма, или любой другой ген, регулирующий работу любого компонента систем регенерации. Таких генов должно быть очень и очень много, и каждый из них в той или иной степени влияет еще и на развитие и старение организма как целого.
Вот, например, почему рост человека определяется не одним геном, а генетическими вариациями сотен из них. В последние годы удалось построить расчетные модели роста человека на основании генотипа, способные предсказать рост с точностью до 2 см. Мы вернемся к этому вопросу чуть позже, а пока заметим, что рост оказывается практически полностью генетически предопределенным, но нет особого гена, отвечающего за рост.
В следующей главе мы ответим на вопрос, почему и при каких условиях возраст зрелости и продолжительность жизни оказываются связаны между собой. Отметим еще раз, что фактически удвоение продолжительности жизни человека в последние 100 лет заставляет думать, что прямой связи между временем развития организма и продолжительностью жизни может и не быть. Зато подробное изучение таких исключительных ситуаций – животных с необычно большой продолжительностью жизни для своего размера – привело, пожалуй, к самому большому открытию в науках о старении в XXI веке, а именно к демонстрации существования пренебрежимого старения у млекопитающих.
Что мы узнали?
● Мать природа бесконечно креативна, но вынуждена соблюдать закон сохранения энергии (первое начало термодинамики). Джеффри Вест с коллегами показал, с помощью математических расчетов, что скорость метаболизма, время роста, размер и продолжительность жизни организма взаимозависимы и подчиняются универсальным законам.
● Чем больше энергии животное тратит на поддержание своей целостности (исправление ошибок на молекулярном уровне, борьба со стрессовыми факторами), тем дольше занимает развитие.
● Предположения, что длительность человеческой жизни зависит от количества вздохов, сердечных сокращений или длины теломер, не более чем ложная закономерность.
● Если предел и существует, то он точно за рамками привычных нам цифр.
Почему мы стареем?
Исходя из личного опыта, трудно найти в старении что-то позитивное. Однако тот факт, что продолжительность жизни регулируется одними и теми же молекулярными механизмами у таких, казалось бы, непохожих организмов, как растения, дрожжи (грибы), насекомые или круглые черви (предки членистоногих), говорит о том, что речь идет об очень древнем и чрезвычайно полезном эволюционном приспособлении. Давайте попробуем непредвзято разобраться, какие же эволюционные задачи могло решать старение.
Цепная реакция и конфликт цивилизаций
Экспоненциальные зависимости, такие как характерное Увеличение рисков болезни и смерти от всех причин с возрастом у человека, возникают не только в биологии старения. Вот почему в новой главе мы погрузимся в мир эпидемий, атомного взрыва и вирусной рекламы. Все эти явления и старение развиваются – во благо или во зло – по одним и тем же универсальным законам.
Название этой главы, на первый взгляд, отсылает к параграфу школьного учебника истории про конец Второй мировой войны. Я предлагаю отправиться еще дальше во времени.
На берегах Юкатанского пролива, недалеко от скрытого под водой кратера, оставшегося после столкновения планеты с фатальным для динозавров метеоритом, можно обнаружить следы еще одной катастрофы: развалины города индейцев майя Тулума. Их вид знаком многим по фильму Роберта Родригеса «Планета страха» как место убежища остатков человечества после очередного зомби-апокалипсиса.
7 мая 1518 года испанский конкистадор Хуан де Грихальва обнаружил на высоком берегу океана город, отметив, что он выглядит таким же большим, как и тогдашняя Севилья в Испании. Этот день стал началом конца города. Уже во время второго визита европейцев, не более чем через 70 лет, город был пуст. В наши дни Тулум позиционируется как туристический парк рядом с отличным пляжем, и местные жители охотно проводят экскурсии и рассказывают о прежних хозяевах города как о каких-то инопланетянах, утратив какую-либо связь с древним народом.
Сейчас мы не можем достоверно сказать, что именно случилось с жителями Тулума и других городов Нового Света. Мобильные лидары (лазерные локаторы) и новейшие алгоритмы в области обработки изображений, хоть и позволяют создавать синтетические карты местности очень высокого разрешения и «убирать» загораживающую поверхность земли растительность, не смогут поведать о мотивах жителей, решивших внезапно покинуть родные дома 500 лет назад. Теплый и влажный климат Мезоамерики не способствовал сохранению письменных свидетельств или человеческих останков. Как будто этого было мало, Святая инквизиция под руководством епископа Диего де Ланды уничтожила практически все тексты и религиозные изображения народа майя. В музеях находится всего три (!) полных текста (кодекса) и фрагмента.
Тем не менее правдоподобное объяснение того, почему жители были вынуждены оставить свои города и никогда туда больше не возвращаться, есть. В тех местах, где европейцы и индейцы какое-то время жили вместе, сохранились записи, сделанные испанскими чиновниками. Так, например, в 1545 году в древней столице – городе Мехико – началась эпидемия. У людей поднималась температура, возникали головные боли, из ушей и носа шла кровь, а через два-три дня наступала смерть. В течение следующих пяти лет умерло до 15 млн человек. Это 80 % тогдашней популяции. Эпидемия 1545 года разразилась через 25 лет после эпидемии оспы, которая унесла жизни от 5 до 8 млн человек. А следующая волна, в 1576–1578 годах, убила еще половину жителей.
Исследования останков жертв эпидемий на специально организованных в те годы кладбищах позволяет предположить, что микроорганизм, который вызвал смертельное заболевание, был разновидностью сальмонеллы. Сама болезнь, наверное, была формой паратифа – весьма распространенного в Средние века недуга, к которому у европейцев был иммунитет. Едва ли не большинство коренных жителей Америки вымерло в первые десятилетия после экспедиций Колумба, в большинстве случаев задолго до того, как вообще увидели первых европейцев воочию.
Катастрофа, постигшая жителей Нового Света, заставляет по-другому посмотреть и на наши реалии. Мы склонны считать, что колеса истории проворачиваются сильными личностями, которые становятся героями мемуарной литературы и удобными вехами на дороге от дикости к просвещению и технологической сингулярности. Не в меньшей степени наша история связана со столкновениями человека с новыми и новыми микроорганизмами. По мере расширения ареала обитания человечество пережило колоссальные эпидемии: оспа, чума или грипп «испанка» в свое время становились причиной тектонических общественных изменений и исторических «разрывов».
Наши порой слишком тесные отношения с микроорганизмами являются интереснейшей и до сих пор малоизученной частью истории цивилизации. Пожалуй, лучшей книгой-исследованием в этой области является «Ружья, микробы и сталь» лауреата Пулитцеровской премии Джареда Даймонда30. Автор задается вопросом: если Америка была заселена 14 000 лет назад (а возможно, и раньше), что огромный срок по историческим масштабам, тогда почему бактерии, привезенные европейцами, нанесли колоссальный урон мезоамериканцам, а не наоборот?
Почему, поинтересуемся и мы, люди живут на всех континентах уже десятки тысяч лет, а в Африке и порядка миллиона, а мы продолжаем слышать о новых и новых эпидемиях? Только в последнее столетие десятки миллионов людей по всему миру стали жертвами ВИЧ/СПИД, десятки тысяч умерли от вируса Эбола. В 2019 году с крайне драматическими последствиями сменил хозяина (возможно, не без помощи ученых) вирус COVID-19. Неужели миллиона лет проживания в одной местности недостаточно, чтобы столкнуться со всеми мыслимыми болезнями и выработать к ним иммунитет?
Для ответа на эти вопросы мы обратимся к простой математике. Чтобы не отвлекаться, попробуем избегать использования бесчеловечной терминологии и проанализируем более гуманную версию мысленного эксперимента. Мы проследим судьбу одного вируса, брошенного в образец клеточной культуры в лабораторном эксперименте.
Вирус живет какое-то время и, если позволяют обстоятельства, заражает какую-то из клеток хозяина. За все оставшееся время жизни зараженная клетка произведет определенное количество вирусных частиц, каждая из которых, в свою очередь, заразит еще больше клеток. Полное количество новых заражений в результате жизненного цикла одной вирусной частицы называется индексом репродукции, или коэффициентом размножения, и обозначается R0.
Если параметры эксперимента таковы, что коэффициент размножения больше единицы, то размножение вирусов будет продолжаться неограниченно, а количество вирусных частиц станет увеличиваться взрывным образом до тех пор, пока не произойдет полное исчерпание доступного для заражения материала – исходной клеточной культуры.
Именно это и происходит во время заражения вирусом гриппа. Вирус размножается в клетках эпителия легких. Коэффициент размножения в этой ситуации зависит от штамма вируса и равен примерно пяти. В этих условиях количество вновь производимых вирусных частиц, как и число зараженных клеток и маркеров воспаления в крови человека, нарастает в геометрической прогрессии. Болезнь заканчивается через несколько дней, в тот момент, когда в легких практически не остается доступных для заражения клеток. Вот почему в медицинской профессии распространена шутка: грипп проходит за неделю, если его не лечить, и за семь дней, если принимать лекарства. Если серьезно, то главную опасность несут или аутоиммунная реакция – цитокиновый шторм, или куда более вероятные вторичные инфекции, возникающие как раз потому, что вирус уничтожил клетки легочного эпителия, которые среди прочего должны защищать легкие пациента от патогенных микроорганизмов.
В другом предельном случае если коэффициент размножения меньше единицы, то никакое появление новой вирусной частицы не может привести к развитию заболевания. Даже если организм имеет контакт с вирусом, инфекция угасает после каждой попытки заражения.
На языке физических наук принято говорить, что в этом случае можно считать систему, состоящую из клеточной культуры и вирусных частиц, динамически устойчивой. В устойчивом режиме постоянный контакт с вирусом может приводить к появлению популяции людей или клеток, зараженных и, быть может, даже умирающих от болезни, но число таких людей или клеток не будет расти со временем.
Величина R0 называется коэффициентом размножения неслучайно. Впервые подобный параметр возник при расчетах цепной реакции в атомном реакторе и атомной бомбе. Там роль вирусов выполняют нейтроны, субатомные частицы, образующиеся при распаде нестабильных атомов урана или плутония. Поглотив нейтрон, тяжелое ядро распадается и испускает два-три новых нейтрона. Каждый живет всего несколько минут.
В зависимости от геометрии системы и наличия специальных материалов, замедляющих или поглощающих нейтроны, коэффициент размножения может быть больше единицы. В этом случае более одного нейтрона, испущенного в результате деления одного из ядер, вызовет деление следующего. Возникает неустойчивость, цепная ядерная реакция ускоряется, и, если она перейдет в неконтролируемую стадию, может произойти ядерный взрыв.
В случае если коэффициент размножения равен единице, количество делящихся ядер не растет и атомный реактор работает в устойчивом, или, как еще говорят, стационарном режиме.
На границе между устойчивым и неустойчивым режимами любое, даже очень небольшое, изменение параметров, определяющих коэффициент размножения, может привести к качественному преобразованию поведения системы. Разница может быть колоссальной и отличать атомный реактор, мирно вырабатывающий электроэнергию, от ядерного взрыва. Такие ситуации в точных науках называются точками бифуркаций или фазовыми переходами.
Вот почему возможность катастрофической эпидемии зависит не только от факта сосуществования в одном месте пространства и в один момент времени вируса и жертвы. Считается, что способность зараженного организма производить вирусные частицы не меняется во времени, но увеличение плотности населения может увеличить скорость, с которой один больной человек заражает других. Так, например, оспа или чума могли тысячелетиями ждать своего часа, заражая и убивая время от времени небольшое количество людей и не удостаиваясь упоминания в летописях и хрониках.
Увеличение плотности населения или интенсивности сообщений между центрами с большой численностью населения приводит к повышению коэффициента размножения в системе. Вот почему с ростом численности населения и улучшения путей сообщения в одной и той же местности все время «появляются» (иными словами, проходят через критическую точку) новые и новые болезни. Народы Евразии, континента, на котором быстрее росла плотность населения, первыми массово переболели, а оставшиеся в живых приобрели (ценой огромных жертв!) иммунитет и остались носителями болезней, с которыми коренные народы Америки еще не успели встретиться, а значит, и обзавестись защитой от них.
Врожденный иммунитет, лечение и вакцинация, а также меры по пресечению миграции носителей инфекции – все вместе снижают скорость размножения и, следовательно, коэффициент размножения, действуя аналогично стержням-поглотителям в атомном реакторе.
В устойчивом режиме количество ядерных реакций в единицу времени тем больше, чем ближе параметры реактора находятся к критической точке, то есть когда коэффициент размножения приближается к единице. В неустойчивом режиме скорость производства новых вирусных частиц (или нейтронов в процессе ядерной цепной реакции) нарастает в геометрической прогрессии, и потому практически не важно, сколько было внесено в систему изначально вирусных частиц или нейтронов – вся система будет разрушена.
Человечество не раз становилось жертвой своего успеха: усилия Юстиниана по восстановлению Римской империи в 530-х годах или создание монголами первой трансконтинентальной империи приводили к увеличению торговых связей. Раз за разом коэффициент размножения для очередного патогена превышал единицу и возникали катастрофические эпидемии. Как только интенсивность международной торговли шла на спад в результате эпидемий, численность населения уменьшалась или возникал устойчивый иммунитет, болезнь отступала.
Эпидемия COVID, начавшаяся в 2019 году, тоже вызвала беспрецедентные карантинные меры и, как может показаться, приостановила глобализацию. Одновременно инвестиции в биотехнологии не только не сократились, а сильно выросли. Человечество как суперорганизм умнее каждого из нас: эпидемия показывает, что дальнейший прогресс в медицинских науках и технологиях является необходимым условием для возникновения глобальной цивилизации.
Комментариев нет:
Отправить комментарий