Математика жизни и смерти. 7 математических принципов, формирующих нашу жизнь - [13]

Однако, как мы уже выяснили (вспомним бактерии стрептококка группы D, растущие в молочной бутылке в начале этой главы), экспоненциальный рост не может продолжаться вечно. Как правило, по мере роста численности населения ресурсы окружающей среды, которая его поддерживает, истощаются, а чистые темпы роста (разница между рождаемостью и смертностью) естественным образом снижаются. Считается, что окружающая среда обладает конечной несущей способностью для каждого конкретного вида – присущим ей максимальным пределом устойчивости популяции. Дарвин полагал, что ограничения, налагаемые природной средой, вызовут «борьбу за существование», поскольку отдельные особи «будут конкурировать за свое место в экономике природы». Простейшая математическая модель, позволяющая отразить последствия внутри– или межвидовой конкуренции за ограниченные ресурсы, называется моделью логистического роста.

На рис. 3 логистический рост поначалу выглядит экспоненциальным, поскольку население свободно растет пропорционально своим текущим размерам, без ограничений условиями окружающей среды. Однако по мере роста населения нехватка ресурсов приближает уровень смертности к уровню рождаемости. Чистый прирост населения в итоге сводится к нулю: новых рождений среди населения достаточно только для того, чтобы заменить умерших и не более, что означает, численность населения достигает плато своего предельного воспроизводства.

Рис. 3. Сначала кривая логистического роста увеличивается почти по экспоненте, но затем, по мере истощения ресурсов, рост замедляется, а население приближается к предельному размеру «К»

Шотландский ученый Андерсон Маккендрик (один из первых математических биологов, с которым мы познакомимся в главе 7 в контексте его работы по моделированию распространения инфекционных заболеваний) первым продемонстрировал, что в популяциях бактерий происходит логистический рост[34]. Последующие исследования подтвердили, что логистическая модель прекрасно описывает поведение популяции в новой среде на таких разнообразных примерах, как овцы [35], тюлени [36] и журавли [37].

Потенциальный предельный размер популяции многих видов животных остается примерно постоянной величиной, так как зависит от ресурсов в их среде обитания. Человек же оказался способен постоянно увеличивать пределы своей популяции благодаря множеству факторов, в числе которых – промышленная революция, механизация сельского хозяйства и Зеленая революция [38]. Хотя в настоящее время оценки пределов устойчивого народонаселения Земли различаются, многие исследования показывают, что эти пределы составляют от девяти до десяти миллиардов человек. Известный социобиолог Эдвард Озборн Уилсон считает, что биосфера Земли способна поддержать существование лишь жестко ограниченного количества населения [39]. В число сдерживающих факторов включают наличие пресной воды, ископаемого топлива и других невозобновляемых ресурсов, условия окружающей среды (прежде всего, изменение климата) и жизненное пространство. Чаще всего исследователи обращают внимание на проблему пропитания. По оценкам Уилсона, даже если бы все стали вегетарианцами, питаясь произведенной пищей напрямую, а не скармливая ее скоту (поскольку поедание животных является неэффективным способом преобразования энергии растений в продовольственную энергию), нынешних 1,4 миллиарда гектаров пахотных земель хватало бы для того, чтобы прокормить с них лишь десять миллиардов человек.

Если население Земли, сегодня насчитывающее около семи с половиной миллиардов человек [40], будет расти нынешними темпами в 1,1 % в год, то в течение 30 лет мы достигнем отметки в десять миллиардов. Мальтус еще в 1798 году предупреждал об опасностях перенаселенности: «Возможности [роста] населения настолько превосходят способность Земли прокормить его, что преждевременная смерть должна в той или иной форме посещать человеческий род». В контексте истории человечества мы уже прожили бóльшую часть того последнего дня, который нам остается, чтобы спасти озеро.

Однако есть поводы и для оптимизма. Несмотря на то, что численность человечества продолжает увеличиваться, эффективный контроль рождаемости и снижение младенческой смертности (приводящее к снижению темпов воспроизводства) означают, что мы делаем это медленнее, чем предыдущие поколения. Наши темпы роста достигли пика в конце 1960-х годов с показателем около 2 % в год, но, по прогнозам, к 2023 году они упадут ниже 1 % в год [41]. Для сравнения – если бы темпы роста оставались на уровне 1960-х годов, то численность населения удвоилась бы всего за 35 лет. Но отметки в 7,3 миллиарда человек (вдвое больше, чем в 1969 году, когда численность населения мира составляла 3,65 миллиарда человек) мы достигли лишь в 2016 году – почти 50 лет спустя. При показателе роста всего в 1 % в год можно ожидать, что время удвоения населения увеличится до 69,7 лет, что почти в два раза дольше периода удвоения, основанного на показателях 1969 года. Небольшое снижение темпов роста имеет огромное значение для экспоненциального роста. Похоже, что, замедляя рост человечества по мере приближения к предельным возможностям населенности нашей планеты, мы естественным путем выгадываем еще немного времени. Однако есть причины, по которым экспоненциальное поведение может подтолкнуть нас к мысли, что времени у нас остается меньше, чем кажется.