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越大越环保

2009-06-29 15:35 作者:袁越 2009年第21期
住在大城市里的人总喜欢抱怨市区的生活环境不如中小城市好,但如果从地球的角度考虑,仔细计算一下不同规模的城市对环境的影响,你会发现大城市反而是最环保的。

一群没有领导者的乌合之众,能否进化出一个复杂有效的组织结构?

住在大城市里的人总喜欢抱怨市区的生活环境不如中小城市好,但如果从地球的角度考虑,仔细计算一下不同规模的城市对环境的影响,你会发现大城市反而是最环保的。

有人曾经对世界上大多数城市所拥有的加油站的数量进行过统计,发现加油站总数的增长和人口总数的增长之间不是简单的线性关系,前者是后者的0.77次方。具体说,人口总数增加10倍,加油站总数并不会相应地增加10倍,而是只增加到10的0.77次方,也就是5.9倍。如果人口总数增加100倍,那么加油站总数就会增加到100的0.77次方,也就是34.7倍。

如果我们来计算一下平均多少人拥有一座加油站,并把它作为一个城市是否环保的评判标准,其结果就变得很有趣了。假定一座拥有1万人口的城市有10个加油站,平均每1000个人有一个,那么一座10万人口的城市会有59个加油站,平均每1700个人有一个。一座100万人口的城市会有347个加油站,平均2881人才会分到一个!

也就是说,城市越大越环保。

那么,这个奇特的规律是不是城市规划部门事先计算好的呢?恰恰相反。这些城市都是严格按照市场规律运作的,加油站的数量完全由投资方和本地居民说了算。一座100万人口的城市之所以只建了347个加油站,是因为大家都认为347个就足够了,没必要多建。

不仅是加油站的数量存在上述比例,其他如道路、水管、电线和电话线的总长度等等城市公共设施都存在类似比例,只不过具体数字不都是0.77,而是在0.7和0.9之间变化。但无论如何,这个系数都不会超过1。也就是说,城市规模越大,平均每个人耗费的资源也就越少。

当这项研究成果被公布后,很快就有人联想到瑞士生物学家马克斯·克雷伯(Max Kleiber)于20世纪30年代发现的一个定律,后人尊称为“克雷伯定律”(Kleiber's law)。克雷伯擅长研究动物的代谢,他用测量耗氧量的办法测量了很多动物的基础代谢率,发现其总量和动物的重量不成正比,前者是后者的3/4(0.75)次方。

所谓“基础代谢”指的是动物在不进食、不活动时的代谢总量,可以近似看成是动物维持生命所需消耗的最低能量。如果把代谢率比作加油站,体重比作人口总数,我们不难发现两者非常相似。也就是说,克雷伯定律预示着一个动物的重量越大,单位重量的耗能量也就越小。

曾经有人提出,动物的基础代谢大部分消耗在维持体温上,而热量主要是通过表皮散发出去的。动物的表面积和身高是2次方的关系,体积和身高则是3次方的关系,所以体积越大的动物,单位体积所对应的表面积也就越小,因此就越容易保温,消耗的能量自然也就越小了。但是,数学家告诉我们,如果真是这样,那么基础代谢和体重之间的那个系数就应该是2/3,而不是3/4。

还有人怀疑这是基因决定的,体积大的动物其体细胞的代谢速率天生就低。但是,当生物学家把小鼠和大象的细胞取出来单独放在培养箱中培养时,发现它们之间的代谢速率几乎没有差别。

1997年,美国圣塔菲学院(Santa Fe Institute)的理论物理学家吉奥福莱·维斯特(Geoffrey West)及其同事在《科学》杂志上发表了一篇论文,提出了一个理论认为,假如我们从能量分配的角度计算代谢速率,那么要想最大限度地提高分配效率和传递速度,3/4这个系数就是数学计算得出的最佳选择。

动物体内的能量分配是由血液循环系统来完成的,纵横交错的动脉、静脉和毛细血管看上去像极了城市里的各种道路,两者行使的功能也很类似,这就是两者为什么都不约而同地选择了近似于3/4这个数字作为系数的原因。

世界上不存在造物主,动物体内的循环系统不是被某个超自然力量设计出来的,而是进化的产物。自然选择最终的结果一定会是3/4,因为这样做能耗最小,最符合动物自身的利益。同样,世界上的大部分城市也没有一个总设计师,而是交由全体居民和基层单位共同管理。当他们想要最大限度地发挥每项公共设施的作用的时候,其结果总是恰好符合数学的要求,也就是3/4。

无论是城市还是动物,都可以被看做是一个没有领导者的自组织系统。对这类系统的研究是近来科学界的热点之一,因为它不但能解释生物进化的规律,还能从很多看似杂乱无章的系统中找出内在逻辑。拿环保来说,事实证明,人类社会之所以进化出城市,与城市的环保功能比农村强,有着很大的关系。只要市场给出正确信号(比如提高能源价格),那么民众就会自发地采取环保措施,其效果一点也不亚于政府的强硬政策,而后者往往会遇到来自民众的阻力,效果反而不见得好。

城市的环保问题只是自组织系统研究成果的一项应用,这项研究在社会经济学领域也曾经起到过很大的作用。去年诺贝尔经济学奖得主保罗·克鲁格曼就曾经研究过自组织系统,他说过这样一句话:“很多人抱怨经济学总是用过于简单化的公式来描述现实社会复杂的经济现象,但实际情况正相反,经济学的公式实在是太过复杂繁琐了,现实社会反倒是惊人地简单。”

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