萬(wàn)物的尺度

薛巍

美國(guó)物理學(xué)家杰弗里·韋斯特提出，標(biāo)度定律能夠解釋從植物到人類和城市等各種東西的發(fā)展過(guò)程。

非線性比例關(guān)系

我們一般都聽(tīng)說(shuō)過(guò)規(guī)模經(jīng)濟(jì)這一概念：經(jīng)濟(jì)的規(guī)模擴(kuò)大、產(chǎn)量增加后，產(chǎn)品的平均成本會(huì)降低。這是一個(gè)人類活動(dòng)領(lǐng)域的規(guī)律，也許可以用到自然界？美國(guó)理論物理學(xué)家杰弗里·韋斯特則是反著推，在動(dòng)物界，動(dòng)物的體型越大，它的效率越高，然后城市跟動(dòng)物類似，城市越大，效率越高。但城市的規(guī)模能不能無(wú)限擴(kuò)展下去？他認(rèn)為，維持城市規(guī)模擴(kuò)大的是技術(shù)創(chuàng)新的速度，隨著城市的增大，對(duì)創(chuàng)新速度的要求越來(lái)越高，最終可能難以為繼。

韋斯特在《標(biāo)度》一書中闡釋，標(biāo)度定律是決定有機(jī)體、城市和公司生與死的普遍定律。生物體幾乎所有的生理特征都服從這一定律，無(wú)論是基因組的長(zhǎng)度、主動(dòng)脈的長(zhǎng)度、樹的高度、大腦灰質(zhì)的數(shù)量、演化速度還是其壽命。按照這個(gè)定律，一種動(dòng)物如果它的大小是另一種動(dòng)物的兩倍，它包含的細(xì)胞也是后者的兩倍，但每天需要的食物只比后者多75%，而不是100%，也就是說(shuō)它的效率提高了25%。比如，一位體重120磅的女士每天不活動(dòng)、不工作的話，大約需要1300卡食物。她的牧羊犬，體重是她的一半，即60磅重，細(xì)胞數(shù)量也是她的一半，如果是線性減少的話，這只狗只需要650卡熱量的食物，但實(shí)際上她的狗每天大約需要880卡熱量的食物。這一規(guī)則說(shuō)明，個(gè)頭越大的動(dòng)物效率越高，因?yàn)樗枰С制浣M織所需的能量越少。

孩子服藥的劑量跟體重是什么比例關(guān)系呢？一些藥物的說(shuō)明書上推薦的劑量是線性減少的，比如嬰兒體重6磅的話，服用40毫克，嬰兒體重36磅，就是240毫克。但如果是三分之二非線性增長(zhǎng)的定律，6磅重的嬰兒服用24毫克的話，36磅重的嬰兒只要服用大約120毫克。

所有哺乳動(dòng)物一生中心跳的次數(shù)都是一樣的，大約15億次。鼩鼱的心跳大約是每分鐘1500次，能活大約兩年，而大象的心跳每分鐘只有大約30次，所以能活75年左右。只有人類是例外，現(xiàn)代人類平均心跳接近了25億次。

韋斯特保證，你告訴他一種動(dòng)物的體型，他就能推斷出它需要吃多少東西、心率是多少、多長(zhǎng)時(shí)間能長(zhǎng)大、能活多久、繁殖多少個(gè)后代。這就是規(guī)模效應(yīng)，城市也是如此，當(dāng)一個(gè)城市的大小增加一倍時(shí)，它需要的加油站、道路和電線只需增加85%，工資、GDP、專利申請(qǐng)會(huì)比預(yù)計(jì)的多增加15%，不過(guò)污染、盜竊、傳染病也會(huì)多增加15%。韋斯特說(shuō)：“在大城市，疾病傳播得更快，生意的生生死死更頻繁，貿(mào)易交易得更快，甚至人們走路的速度都變快了。在人口超過(guò)100萬(wàn)的城市，人們走路的平均速度是幾千人的城鎮(zhèn)的兩倍。”

韋斯特解釋了動(dòng)物為什么到了一定的地步之后就會(huì)停止生長(zhǎng)。所有的哺乳動(dòng)物和許多其他動(dòng)物都有著同樣的生長(zhǎng)曲線，生物學(xué)家稱之為有限生長(zhǎng)，以區(qū)別于魚類、植物、樹木的無(wú)限生長(zhǎng)，后一類會(huì)一直生長(zhǎng)到死亡時(shí)。但即使是無(wú)限生長(zhǎng)的物種，在達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的大小后就會(huì)死掉。有限生長(zhǎng)的物種到了一定階段即使繼續(xù)吃，其個(gè)體發(fā)育的生長(zhǎng)也會(huì)停止，是因?yàn)榇x能量的供應(yīng)要用于維持既有的細(xì)胞和創(chuàng)造新細(xì)胞。維持既有細(xì)胞所需的能量跟既有細(xì)胞的數(shù)量成正比，即隨著有機(jī)體的質(zhì)量而線性增長(zhǎng)，而供應(yīng)能量的代謝率是非線性的。假如一個(gè)有機(jī)體的大小增長(zhǎng)一倍，細(xì)胞也增長(zhǎng)一倍，維持生存需要的能量增長(zhǎng)系數(shù)是2，但代謝率的增長(zhǎng)系數(shù)只有1.682，這樣維持生存需要的能量的增長(zhǎng)速度大于能量供應(yīng)的增長(zhǎng)速度，導(dǎo)致增長(zhǎng)所需的能量減少，最后降為零，生長(zhǎng)停止。生物出生之后生長(zhǎng)速度快，這是因?yàn)槌錾髱缀跛心芰慷加糜谏L(zhǎng)，很少被用于維持既有細(xì)胞，而成熟之后，所有能量都被用于維持、修復(fù)和替代既有細(xì)胞。

生命的極限

為什么幾乎所有東西都會(huì)死掉？韋斯特說(shuō)，死亡在進(jìn)化的過(guò)程中扮演了一個(gè)核心的角色，因?yàn)檫@使得新的適應(yīng)、設(shè)計(jì)和創(chuàng)新得以出現(xiàn)和壯大。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，個(gè)體會(huì)死掉不僅是好事而且很關(guān)鍵，雖然它們本身不會(huì)因此而感到高興。這是意識(shí)的過(guò)程。我們都知道自己會(huì)死掉。其他有機(jī)體沒(méi)有背負(fù)這種有意識(shí)的知識(shí)。無(wú)論是細(xì)菌、螞蟻、杜鵑花還是三文魚，都不在意甚至不知道死亡；它們活著然后死掉，參與到把基因傳給后代的生存斗爭(zhēng)中，玩著適者生存的游戲。我們?nèi)祟愐惨粯印５沁^(guò)去幾千年間，我們形成了進(jìn)化過(guò)程中的意識(shí)和良心，開始了思考其意義的探險(xiǎn)，提出了道德、關(guān)心、理性、靈魂、精神、宇宙之神等概念。韋斯特說(shuō)，他16歲時(shí)去看了英格瑪·伯格曼的電影《第七封印》之后，意識(shí)到“生活中除了錢、性和足球之外還有更多東西”，開始對(duì)形而上學(xué)和哲學(xué)思想感興趣。

自然選擇只需要確保個(gè)體中的大多數(shù)能夠活到生育出足夠的后代、把它們進(jìn)化出的適應(yīng)能力最大化就行了。一旦實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，它們就完成了自己的演化義務(wù)，它們還能再活多久就不重要了。所以人類進(jìn)化到了能至少活40年，這樣可以生育十多個(gè)孩子，其中至少一半能夠活到成年。但為了確保有足夠的個(gè)體可以活到這個(gè)年紀(jì)，我們進(jìn)化到了有些過(guò)度的設(shè)計(jì)，所以很多人都能活得更長(zhǎng)。可以跟汽車比較一下。出于各種社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)和技術(shù)上的原因，汽車演化到了至少可以開10萬(wàn)英里的水平。根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中的波動(dòng)和保養(yǎng)、維修的水平，有些汽車能夠使用更長(zhǎng)時(shí)間。實(shí)際上，只要持續(xù)地保養(yǎng)、維修和更換零部件，汽車能使用相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間。人類如果吃得好、過(guò)得好也一樣，定期體檢、講衛(wèi)生、偶爾更換一下身體的部位。但我們不可能像保養(yǎng)汽車那樣，讓自己的身體無(wú)限地堅(jiān)持下去，因?yàn)槠囅鄬?duì)簡(jiǎn)單，而“我們的身體是高度復(fù)雜的適應(yīng)系統(tǒng)，尤其是，它不只是可替代的部分簡(jiǎn)單地相加”。

英國(guó)科學(xué)作家菲利普·鮑爾在《自然》雜志上肯定了韋斯特這種大一統(tǒng)思路的價(jià)值。他寫道：“柏拉圖和亞里士多德代表兩種類型的科學(xué)家：一種是看到事物之間的相似性、共同的模式和普遍性，另一種是看到差異、變化和特別之處。兩種觀點(diǎn)我們都需要。物理學(xué)強(qiáng)調(diào)前者，生物學(xué)強(qiáng)調(diào)后者。杰弗里·韋斯特采取的是柏拉圖式的觀點(diǎn)。他在《標(biāo)度》一書中解釋了許多復(fù)雜系統(tǒng)的大小和特性之間的關(guān)系，包括自然界的系統(tǒng)和人體系統(tǒng)。每一個(gè)系統(tǒng)都有一些可以根據(jù)其大小加以預(yù)測(cè)的特性：一頭大象就是一個(gè)增大的老鼠；紐約是一個(gè)增大的圣塔菲；沃爾瑪是雜貨店的擴(kuò)大版。如果你覺(jué)得這種規(guī)律性讓你感到詫異，你本質(zhì)上就是一位柏拉圖主義者。如果你對(duì)它不以為然，你就是一個(gè)亞里士多德主義者。書中許多內(nèi)容以前都被普及過(guò)，但是韋斯特揭示了這些規(guī)律背后的深層法則。它們是復(fù)雜系統(tǒng)不可避免的方面。你可以忽視它們，但逃離不了它們。”endprint