Введение

Книга шотландца Д'Арси Вентворта Томпсона 1917 года «О росте и форме» – книга шотландского математического биолога Д'Арси Вентворта Томпсона (1860–1948). Книга насчитывает 793 страницы в первом издании 1917 года и 1116 страниц во втором издании 1942 года. В ней рассматривается множество тем, включая влияние масштаба на форму животных и растений, при котором более крупные организмы неизбежно имеют относительно более массивную форму; влияние поверхностного натяжения на формирование мыльных пленок и подобных структур, таких как клетки; логарифмическую спираль, наблюдаемую в раковинах моллюсков и рогах жвачных животных; расположение листьев и других частей растений (филлотаксис); а также собственный метод трансформаций Томпсона, демонстрирующий изменения формы черепов животных и других структур на картезианской сетке. Эта работа широко признана биологами, антропологами и архитекторами, однако часто ее не читают те, кто ее цитирует. Основная идея книги заключается в том, что биологи того времени чрезмерно акцентировали внимание на эволюции как на определяющем факторе формы и структуры живых организмов, недооценивая при этом роль физических законов и механики. В эпоху, когда витализм все еще рассматривался как биологическая теория, Томпсон выступал за структурный подход как альтернативу естественному отбору в определении формы видов, с минимальным намеком на витализм как на невидимую движущую силу. Ранее Томпсон критиковал дарвинизм в своей статье «Некоторые трудности дарвинизма». В книге «О росте и форме» он подробно объяснил, почему считает дарвинизм недостаточным объяснением происхождения новых видов. Он не отвергал естественный отбор, но рассматривал его как вторичный по отношению к физическим факторам, влияющим на биологическую форму. Используя множество примеров, Томпсон указал на корреляции между биологическими формами и механическими явлениями. Он показал сходство между формой медуз и формой капель жидкости, падающих в вязкую среду, а также между внутренними поддерживающими структурами в полых костях птиц и известными инженерными фермами. Он описал филлотаксис (числовые соотношения между спиральными структурами в растениях) и его связь с последовательностью Фибоначчи. Пожалуй, наиболее известной частью книги является глава 17 «Сравнение родственных форм», в которой Томпсон исследовал, в какой степени различия в формах родственных животных могут быть описаны математическими преобразованиями, вдохновленными работами немецкого гравера Альбрехта Дюрера (1471–1528). Книга носит описательный, а не экспериментальный характер: Томпсон не формулировал свои идеи в виде проверяемых гипотез. Он осознавал это, говоря, что «Этой моей книге мало что нужно в предисловии, ибо, по сути, она и есть «только предисловие» от начала до конца».

Издания

Первое издание появилось в 1917 году в одном томе, насчитывающем 793 страницы, и было опубликовано издательством Кембриджского университета. Второе издание, расширенное до 1116 страниц, вышло в двух томах в 1942 году. В предисловии к изданию 1942 года Томпсон писал, что написал "эту книгу в военное время, а ее переработка заняла меня во время другой войны. Она давала мне утешение и занимала меня, когда возраст не позволял мне служить. Мало осталось из друзей, которые помогали мне в ее написании". Издание в 346 страниц было сокращено Джоном Тайлером Боннером и широко издается под тем же названием. Книга, часто в сокращенном издании, была переиздана более 40 раз.

Содержание

Ниже приведено содержание глав первого издания. Все главы, кроме одиннадцатой, сохранили свои названия во втором издании, однако многие из них стали длиннее, что отражено в нумерации страниц, с которой начинается каждая глава. Сокращенное издание Боннера укоротило все главы и полностью исключило некоторые из них, что также указано в описании каждой главы ниже.

1. Введение

Томпсон называет прогресс химии в направлении цели, поставленной Кантом – создания математической науки, способной объяснять реакции посредством молекулярной механики, и отмечает, что зоология медленно прибегала к помощи математики. Он согласен с тем, что зоологи справедливо ищут объяснения в адаптациях животных, и напоминает читателям о родственном, но гораздо более древнем философском поиске телеологии – объяснении через аристотелевские конечные причины. Его анализ "роста и формы" призван показать, как эти явления можно объяснить, используя обычные физические законы.

2. О величине

Томпсон начинает с демонстрации того, что площадь поверхности и объем (или вес) животного увеличиваются пропорционально квадрату и кубу его длины соответственно, и выводит простые правила, определяющие изменения в строении тел при изменении размеров. Он показывает в нескольких коротких уравнениях, что скорость рыбы или корабля возрастает пропорционально квадратному корню его длины. Затем он выводит несколько более сложные законы масштабирования для птиц или самолетов в полете. Он показывает, что существование организма, в тысячи раз меньшего, чем бактерия, принципиально невозможно.

3. Скорость роста

Томпсон отмечает, что все изменения формы – это проявления роста. Он анализирует кривые роста человека, отмечая быстрый рост до рождения и вновь в подростковом возрасте, а затем кривые роста для других животных. У растений рост часто происходит импульсами, как у спирогиры, достигает пика при определенной температуре, и ниже этого значения примерно удваивается каждые 10 градусов Цельсия. Рост деревьев циклически меняется в зависимости от сезона (менее выражено у вечнозеленых), сохраняя летопись исторических климатов. Хвосты головастиков сначала быстро регенерируют, а затем замедляются экспоненциально.

4. О внутренней форме и строении клетки

(1-я с. 156 – 2-я с. 286 – Боннер удален) Томпсон утверждает о необходимости изучения клеток физическими методами, так как одна лишь морфология обладала небольшой объяснительной силой. Он отмечает, что в митозе делящиеся клетки выглядят как железные опилки между полюсами магнита, иными словами, как силовое поле.

5. Формы клеток

(1-я стр. 201 – 2-я стр. 346 – Боннер стр. 49) Он рассматривает такие силы, как поверхностное натяжение, действующие на клетки, и эксперименты Плато с мыльными пленками. Он иллюстрирует, как всплеск распадается на капли, и сравнивает это с формами зоофитов Кампанулярии (Гидрозоа). Он изучает формы, напоминающие колбы, одноклеточных организмов, таких как виды Vorticella, рассматривая телеологические и физические объяснения их минимальной площади поверхности; и формы висящих капель у некоторых Foraminifera, например, Lagena. Он утверждает, что форма клеток трипаносом также обусловлена поверхностным натяжением.

6. Примечание об адсорбции

Томпсон отмечает, что поверхностное натяжение в живых клетках снижается веществами, похожими на масла и мыла; там, где концентрации этих веществ локально различаются, изменяется форма клеток. У зеленой водоросли Pleurocarpus (Zygnematales) калий концентрируется вблизи точек роста клетки.

7. Формы тканей или клеточных агрегатов

(1-я с. 293 – 2-я с. 465 – Боннер с. 88) Томпсон отмечает, что в многоклеточных организмах клетки влияют друг на друга, формируя треугольники сил, определяющие их форму. Он анализирует паренхиму и клетки в яйце лягушки, рассматривая их как мыльные пленки, и изучает симметрию пузырьков, сходящихся в точках и по краям. Он сравнивает формы живых и ископаемых кораллов, таких как Cyathophyllum и Comoseris, а также шестиугольную структуру сот, с подобными структурами мыльных пузырей.

8. То же самое (продолжение)

Томпсон рассматривает законы, регулирующие форму клеток, по крайней мере, в простых случаях, таких как тонкие волоски (в толщину клетки) в ризоидах мхов. Он анализирует геометрию клеток в яйце лягушки при делении на 4, 8 и даже 64 клетки. Он показывает, что равномерный рост может приводить к неравномерным размерам клеток, и утверждает, что способ деления клеток определяется формой делящейся структуры (а не наоборот).

9. О конкретиях, спикулах и спикулярных скелетах

(1-я с. 411 2-я с. 645 Боннер с. 132) Томпсон рассматривает скелетные структуры диатомовых водорослей, радиолярий, фораминифер и губок, многие из которых содержат твердые спикулы геометрической формы. Он отмечает, что эти структуры формируются вне живых клеток, следовательно, в их образовании должны быть задействованы физические силы.

10. Примечание к геодезии

(1-я с. 488 – 2-я с. 741 – Боннер удален) Томпсон применяет использование геодезической линии, "кратчайшее расстояние между двумя точками на поверхности тела вращения", к спиральному утолщению клеточных стенок растений и другим случаям.

11. Логарифмическая спираль ['Одноугольная спираль' во 2-м издании.]

(1-я с. 493 – 2-я с. 748 – Боннер с. 172) Томпсон отмечает, что спирали широко распространены в природе – от рогов жвачных животных до раковин моллюсков; другие спирали можно встретить в расположении цветков подсолнечника. Он указывает на сходство математических закономерностей, лежащих в основе этих спиралей, но различие в биологических процессах. Он описывает спираль Архимеда, а затем переходит к логарифмической спирали, которая сохраняет свою форму при любом масштабировании: она равноугольная и постоянно самоподобна. Раковины столь разных моллюсков, как халиотис, тритон, теребра и наутилус (проиллюстрированы разрезанной пополам раковиной и рентгеновским снимком), обладают этим свойством; различные формы возникают при вращении кривых (или произвольных фигур), а также, при необходимости, при одновременном движении вдоль оси. Томпсон анализирует как живых моллюсков, так и ископаемые формы, такие как аммониты.

12. Спиральные оболочки форминифер

(1-я стр. 587 – 2-я стр. 850 – Боннер объединен с предыдущей главой) Томпсон анализирует разнообразные формы мелких спиральных раковин фораминифер, многие из которых логарифмические, а другие – неправильной формы, аналогично предыдущей главе.

13. Формы рогов, зубов и бивни: с примечанием к изгибу

(1-я с. 612 – 2-я с. 874 – Боннер с. 202) Томпсон рассматривает три типа рогов, встречающихся у четвероногих: кератиновый рог носорога; парные рога овец или коз; и костные ветвистые рога оленей. В примечании о торсии Томпсон упоминает подход Чарльза Дарвина к изучению вьющихся растений, которые часто спирально обвиваются вокруг опоры, отмечая, что Дарвин также заметил, что сами спиральные стебли подвержены скручиванию. Томпсон не согласен с телеологическим объяснением Дарвина, согласно которому скручивание делает стебли более жесткими, подобно скручиванию веревки; Томпсон полагает, что механическое прилипание вьющегося стебля к опоре создает систему сил, действующих как «пара» со смещением от центра стебля, что и вызывает его скручивание.

14. О листьях или филотаксисе

Томпсон анализирует филотаксис, расположение частей растения вокруг оси. Он отмечает, что такие части включают листья вокруг стебля, шишки, состоящие из чешуек, и цветки подсолнечника, образующие сложный узор из пересекающихся спиралей (парастихий). Он признает их красоту, но отвергает любые мистические представления, вместо этого отмечая, что числа, возникающие в результате таких спиральных расположений, образуют последовательность Фибоначчи, соотношения в которой составляют 1/2, 2/3, 3.5, стремящиеся к 0.61803 – золотому сечению, которое является…

15. О форме яиц и некоторых других полых структур

Яйца – это то, что Томпсон называет простыми телами вращения, варьирующимися от почти сферических яиц сов до более типичных яйцевидных яиц, таких как куриные, и до заметно заострённых яиц птиц, гнездящихся на скалах, например, гагарки. Он показывает, что форма яйца облегчает его продвижение по яйцеводу, и достаточно мягкого давления на задний конец, чтобы сдвинуть его вперёд. Аналогично, панцири морских ежей имеют каплевидную форму, как если бы это был гибкий мешок с жидкостью.

16. О форме и механической эффективности

(1-я стр. 670 – 2-я стр. 958 – Боннер стр. 221) Томпсон критикует рассуждения об адаптации посредством окраски у животных с целью крипсии, предупреждения и мимикрии (ссылаясь на книгу Э. Б. Пультона «Цвета животных» и более скептически на книгу Эбботта Тейера «Маскировочная окраска в животном мире»). Он считает, что механическая конструкция кости представляет собой гораздо более явный пример. Он сравнивает прочность кости и дерева со сталью и чугуном; иллюстрирует «губчатую» структуру кости человеческого бедра тонкими трабекулами, которые формируют «не что иное, как диаграмму линий напряжения в нагруженной конструкции», и сравнивает бедро с головкой строительного крана. Аналогично, он сравнивает консольный позвоночник четвероногого или динозавра с ферменной конструкцией железнодорожного моста Форт.

17. О теории преобразований, или сравнение связанных форм

(1-я с. 719 – 2-я с. 1026 – Боннер с. 268) Вдохновленный работами Альбрехта Дюрера, Томпсон исследует, каким образом формы организмов и их частей – будь то листья, кости стопы, человеческие лица или формы тела копепод, крабов или рыб – могут быть объяснены геометрическими преобразованиями. Например:

Он преобразует форму панциря краба Гериона в панцирь краба Користеса посредством простого сдвига, а также в панцири Скирамафии, Параломиса, Лупы и Хорина (Pisinae) путем растяжения верхней или нижней части сетки в стороны. Тот же процесс позволяет преобразовать Crocodilus porosus в Crocodilus americanus и Notosuchus terrestris; установить связь между тазовыми костями ископаемых рептилий и птиц, таких как Археоптерикс и Апаторнис; черепами различных ископаемых лошадей, и даже черепами лошади и кролика. Человеческий череп растягивается до формы черепа шимпанзе и бабуина, а также, "с использованием различных линий деформации" (стр. 773), до формы черепа собаки.

Эпилог

(1-я стр. 778 – 2-я стр. 1093 – Боннер стр. 326)

В кратком эпилоге Томпсон пишет, что достигнет своей цели, "если я смогу показать [морфологу], что определенный математический аспект морфологии дополняет его описательную работу и полезен, даже необходим для надлежащего изучения и понимания Формы". Более поэтично он пишет: "Ибо гармония мира проявляется в Форме и Числе, а сердце, душа и вся поэзия естественной философии воплощены в понятии математической красоты", и цитирует Исаию 40:12 об измерении вод, небес и пыли земной. Он заканчивает абзацем, восхваляющим французского энтомолога Жана Анри Фабра, который, "обладая той же кровью и сущностью, что и Платон и Пифагор, увидел в Числе 'la clef de voute' [ключ к своду (вселенной)] и нашел в нем 'le comment et le pourquoi des choses' [как и почему вещей]".

Современный

"Дж. П. МакМ[уррич]", рецензируя книгу в журнале Science в 1917 году, писал, что "книга является одним из наиболее убедительных свидетельств в поддержку механистического взгляда на жизнь, которое было представлено на сегодняшний день", противопоставляя его "витализму". Рецензента заинтересовало "обсуждение физических факторов, определяющих размер организмов, особенно интересным представляется рассмотрение условий, которые могут определять минимальный размер". Дж. В. Бьюкенен, рецензируя второе издание в журнале Physiological Zoology в 1943 году, описал её как "впечатляющее расширение его более ранней попытки сформулировать геометрию роста и формы" и "прекрасно написанную", но предупредил, что "чтение будет нелегким" и что "здесь собран и усвоен огромный объем литературы". Бьюкенен резюмирует книгу и отмечает, что Глава 17 "кажется рецензенту содержащей суть долгого и в целом неспешного исследования. Глава посвящена сравнению родственных форм, в основном методом координат. Таким образом, выявляются фундаментальные различия между этими формами", и Бьюкенен заключает, что значительные "пробелы" указывают на то, что бесконечная серия непрерывных вариаций Дарвина не подтверждается. Однако у него есть некоторые замечания: Томпсону следовало упомянуть о влиянии гормонов на рост; и о связи между молекулярной конфигурацией и формой; генетика упоминается лишь вкратце, а экспериментальная эмбриология и регенерация [несмотря на анализ Томпсоном последнего] остаются без внимания. Используемая математика состоит из статистики и геометрии, в то время как термодинамика "в значительной степени отсутствует". Эдмунд Майер, рецензируя второе издание в The Anatomical Record в 1943 году, отметил, что "объем книги и общий подход к рассматриваемым проблемам остались неизменными, но были внесены значительные дополнения и большие части были переработаны". Он был впечатлен тем, насколько Томпсон следил за развитием многих наук, хотя он счел упоминания о квантовой теории и принципе неопределенности Гейзенберга неразумными. Джордж К. Уильямс, рецензируя издание 1942 года и сокращенное издание Боннера для Quarterly Review of Biology (редактором которого он являлся), пишет, что книга является "работой, широко восхваляемой, но редко используемой. Она не содержит ни оригинальных идей, которые легли в основу последующих достижений, ни поучительных заблуждений, которые стимулировали плодотворную критику. Этот кажущийся парадокс блестяще обсуждается П. Б. Медаваром [в] "Плутоновой республике". Затем Уильямс пытается дать "грубое упрощение" оценке Медавара: