Города подчиняются тем же законам, что и живые организмы, утверждают исследователи

Автор: Федеральная политехническая школа Лозанны

Исследование EPFL показало, что городские территории следуют тем же универсальным правилам, что наблюдаются в природном мире. От численности населения до выбросов углерода и дорожных сетей — может ли ключ к устойчивой урбанизации лежать в самом «метаболизме» наших городов?

С момента появления западных мегаполисов писатели часто сравнивали город и его производственные системы с живым организмом. Действительно, городские территории описывались различными анатомическими терминами: «брюхом» у Эмиля Золя, «рукой» у Итало Кальвино, «лимфой» у Мишеля Бютора и лабиринтом сознания у Пола Остера.

Исследователи изучают эту аналогию уже более десяти лет с практической целью: упростить присущую городским системам сложность и информировать планирование. Понимание того, как города на самом деле работают, может предоставить план устойчивого городского будущего.

Эти исследовательские усилия сосредоточены на одной конкретной гипотезе: «большие» города «лучше», поскольку они требуют меньше ресурсов, но генерируют больше богатства — как объясняется законами городского масштабирования, по аналогии с законом Клейбера для живых организмов. Макс Клейбер, цюрихский биолог, обнаружил в 1930-х годах, что более крупные животные используют энергию более эффективно, поскольку биологические системы характеризуются разветвленными транспортными сетями, которые оптимизируют рассеивание энергии и распределение ресурсов.

Ученые EPFL только что опубликовали исследование, которое обобщает эти законы масштабирования от районов до глобальных городов. Это придает новый вес интуитивной аналогии, проведенной писателями. Их выводы, основанные на миллионах точек данных из более чем 100 городов мира, опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Идентичные кривые масштабирования

Ученые исследовали три переменные: городское население (аналогично массе животного), выбросы углерода (эквивалентно метаболической скорости живого организма) и дорожные сети (кровеносная система).

«При правильном перемасштабировании мы обнаружили, что распределения вероятностей этих переменных следуют уникальной кривой для всех городов — больших и малых — что подразумевает, что городская форма и функции управляются универсальными законами, подобными тем, которые применимы к живым организмам», — говорит Габриэле Маноли, ведущий автор исследования и руководитель Лаборатории городских и экологических систем (URBES) EPFL.

Выводы также предполагают, что по мере роста городов естественным образом возникает форма самоорганизации — хотя, как объясняет Маноли, есть одно важное предостережение: «Вопреки часто утверждаемому, крупные города не обязательно более устойчивы, чем малые — важно совместное варьирование в пространстве плотности населения, транспортных сетей и экономической активности, которые все взаимосвязаны».

Новый метод

В законе Клейбера животные имеют четко определенный средний размер. С городами определение размера сложнее: их границы могут сильно различаться в зависимости от того, как они определены — и законы масштабирования могут приводить к противоречивым результатам (например, более крупные города могут считаться более зелеными или менее зелеными с точки зрения выбросов). Чтобы преодолеть это препятствие, авторы разделили каждый город на меньшие единицы — как «пиксели» — и применили подход масштабирования конечного размера.

Этот подход был первоначально предложен коллегами из EPFL, включая Андреа Риналдо, почетного профессора и соавтора исследования, чтобы объяснить «внутривидовые вариации» в законе Клейбера. Как и в биологии, где масса и метаболическая скорость вида могут варьироваться среди особей (и эти вариации могут сильно отличаться от среднего значения, рассматриваемого Клейбером), так и городские характеристики варьируются от района к району, и город лучше характеризуется распределением значений, а не одним числом.

Системный подход

Для Маноли эти выводы знаменуют важный шаг вперед в городских исследованиях: «Мы математически продемонстрировали, что пространственная организация городов проявляет общие emergent-свойства, несмотря на географические, политические и исторические различия — следовательно, планировщикам необходимо принимать системный подход и учитывать сложную и динамичную природу городской эволюции».

Он также утверждает, что города напоминают живые организмы, а не управляемые машины. Для него любая попытка спроектировать более устойчивые территории должна поэтому выходить за рамки отдельных секторов и операций: планирование должно учитывать все городские территории, их многомасштабное поведение и их непрерывный обмен с окружающей, почти глобальной, средой.

«Благодаря огромному количеству доступных данных, города предлагают плодородную почву для тестирования новых теорий, вдохновленных биологией и экологией», — сказал Маноли.

Команда Маноли надеется, что, рассматривая больше переменных и их временную эволюцию, они получат дальнейшее понимание законов, управляющих самым человеческим из творений: современным городом.

Больше информации: Martin Hendrick et al, A stochastic theory of urban metabolism, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2501224122

Источник: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

ИИ: Это исследование открывает захватывающие перспективы для городского планирования. Аналогия между городами и живыми организмами, подкрепленная математическими моделями, может действительно революционизировать подход к созданию устойчивой городской среды. Особенно интересно, что ученые отошли от упрощенного представления о том, что «больше = лучше», и показали важность пространственной организации и взаимосвязей между различными городскими элементами.