دنیا زیادی بزرگ شده است

ملانی موزس*: امروزه منابع مصرفی انسان بیش از نیمی از کل منابعی است که تاکنون توسط همه تولیدکنندگان کنونی و پیشین زمین تولید شده است. توانایی ما در انجام این کار، و توزیع منابع در کل کره زمین، آن هم در مقیاسی که هیچ شبکه غیر انسانی قادر به انجام آن نبوده است، تا حدی از شبکه‌های زیرساختی که ما را به دیگران و محیط زیست متصل می‌کنند، نشات می‌گیرد.

شبکه‌های توزیع مهندسی مانند شبکه‌های توزیع برق، خطوط لوله نفت، راه‌آهن، فرودگاه‌ها، خطوط و جاده‌های تجاری و شبکه‌های بانکی و شبکه‌های ارتباطی که برای هماهنگی‌های این شبکه‌ها لازم است، مسیرهایی را ایجاد می‌کنند که از طریق آنها افراد، بیماری‌ها، منابع و افکار در کل زمین پراکنده می‌شوند. آنها تعیین می‌کنند که با چه کسانی ملاقات کنیم، به چه جاهایی مسافرت کنیم و حتی این که چقدر مصرف کنیم.

بسیاری از مشکلات بزرگ جهانی از جریان داشتن همه چیز در این شبکه‌ها ناشی می‌شوند. شبکه‌های ارتباطی هوایی، جاده‌ای و ریلی با ایجاد فرصت جابجایی میلیون‌ها نفر از افراد مبتلا به ویروس‌ها، به طور گسترده‌ای احتمال بروز بیماری‌های همه‌گیر را افزایش می‌دهند. خطوط دریایی، منابع انرژی را از چند منطقه محدود نفت‌خیز به مصرف‌کنندگان در جاهای دور منتقل می‌کنند و با کمک به مصرف‌کنندگان سوخت‌های فسیلی، تغییرات فاجعه‌بار آب‌وهوایی را شدت می‌بخشند. حتی شبکه‌های نامحسوس‌تر نیز تاثیرات وحشتناکی بر انسانیت دارند: تقریبا همه اقتصاددانان از پیش‌بینی سرعت و شدت بحران اقتصادی کنونی ناتوان مانده‌اند و علت آن هم تا اندازه‌ای این است که طبیعت شبکه‌هایی را که بحران از طریق آنها گسترش یافت، درک نکردند.

برای مدیریت تاثیر انسان بر محیط‌زیست و درک گستره فعالیت‌های ما در جهانی که هر روز بیش از روز پیش در هم تنیده می‌شود، ما به هم‌زمان دید کلی و درک جزئیات از شبکه‌هایی نیاز داریم که خودمان ایجاد کردیم. دیدگاه‌های نظری بیان‌کننده ساختار و دینامیک شبکه‌ها، نحوه تغییر شبکه‌ها در حالی که رشد می‌کنند و این‌که چگونه شبکه‌ها عملکرد اجزای خود را محدود می‌کنند، این تصویر بزرگ‌تر را شکل می‌دهند.

مشکل اندازه
در دهه گذشته، نظریه شبکه مختلط، ویژگی‌های ساختاری شبکه‌ها را توضیح می‌داد. برای مثال، این نشان می‌دهد که در تمام شبکه‌های اجتماعی، خیلی از افراد ارتباطات کم و محدودی داشتند؛ در حالی‌که تعداد کمی از افراد دارای ارتباطات خیلی گسترده‌ای هستند. ارتباطات هم‌چنین خوشه‌ای نیز هستند: برای مثال، ما تمایل داریم که آشنایان خیلی از دوستان و همکارانمان را بشناسیم، ولی کمتر احتمال دارد که افرادی با تخصص‌های دیگر و یا گروه‌های اجتماعی متفاوت را بشناسیم. درک ماهیت زیربنای شبکه‌ها قطعا خواهد توانست به کاهش سرعت همه‌گیری بیماری‌ها کمک کند، یا سرعت سرمایه‌گذاری را در یک شبکه اقتصادی بیشتر کند. ولی کمک چندانی به دانستن این‌که چگونه منابع فیزیکی از طریق شبکه‌ها منتقل می‌شوند، نمی‌کند.

نظریه دگرگونی زیست‌بوم‌ها، MTE، راهی برای درک دینامیک جریان در شبکه‌ها پیشنهاد می‌کند. زیربنای ریاضی ام.تی.ای یک دهه قبل و توسط گروهی از زیست‌شناسان و فیزیک‌دانان پایه‌ریزی شد. آنها قصد داشتند توضیح دهند که چرا خیلی از ویژگی‌های گیاهان و حیوانات به طرز عجیبی به وزن آنها وابسته است. این نظریه ادعا می‌کند که بیشتر تاریخ زندگی یک حیوان (مانند این‌که چقدر عمر می‌کند، چقدر تولید مثل می کند و چگونه می‌خورد) با ویژگی‌های دینامیکی و هندسی شبکه قلبی و عروقی که متابولیسم بدن او را کنترل می‌کند، توضیح داده می‌شود.

با توجه به این نظریه، هر چه حیوان بزرگ‌تر باشد، شبکه قلبی عروقی (شبکه شریان‌ها و مویرگ‌های حامل خون) زمان بیشتری را برای انتقال منابع به سلول‌ها لازم خواهد داشت. این زمان انتقال که نسبت متابولیک حیوان را تعیین می‌کند، با توان یک چهارم وزن حیوان رابطه دارد. از این رو، چون شبکه چرخش خون فیل با سرعت کمتری از یک موش عمل می‌کند و کارایی کمتری نیز دارد، سرعت رشد آن نیز کمتر خواهد بود و ضربان قلبی کمتر، نرخ تولید مثل کمتر و طول عمر بیشتری خواهد داشت.

زیست‌شناسان با این‌که دقیقا چقدر متابولیسم حیوانات بزرگ‌تر کمتر است، موافق نیستند و این که توضیحات بر مبنای شبکه انتقال خون در مورد نسبت بین متابولیسم و وزن بدن دقیقا درست باشد را قبول ندارند. ولی مفهوم پایه‌ای این نظریه که بیان می‌دارد هر چه شبکه‌ها بزرگ‌تر می‌شوند، از کارایی‌شان کاسته می‌شود؛ خیلی عمیق است. در حقیقت، ام.تی.ای بینشی به دست می‌دهد که می‌تواند نحوه درک، پیش‌بینی و مدیریت سیستم‌های بزگ شبکه‌ای را زیرورو کند.

ام.تی.ای هم‌چنین پیشنهاد می‌کند که سیستم‌های بزرگ‌تر، پردازش انرژی را به نسبت موجودات کوچک‌تر، آرام‌تر انجام دهند. این بیان می‌دارد که نرخ پردازش انرژی در یک سیستم، خیلی از رفتارهای آن را سبب می‌شو و این، فارغ از این است که سیستم، یک جاندار، جامعه یا فناوری باشد.

یک روند متعارف
اِعمال ام.تی.ای به سیستم‌های اجتماعی انسانی، فهم نزول شناخته‌شده ولی درک‌نشده نرخ باروری را که با توسعه اقتصادی اتفاق می‌افتد، ممکن می‌سازد. هم‌چنان که سیستم‌ها انرژی بیشتری مصرف می‌کنند، افراد ثروتمندتر می‌شوند ولی بچه‌های کمتری نیز خواهند داشت. منبع اصلی انرژی امروز، سوخت‌های فسیلی است. یک انسان متوسط تنها صد وات برای غذا خوردن انرژی مصرف می‌کند که با پیش‌بینی‌ها در مورد اندازه بدن مطابقت دارد؛ ولی در امریکای شمالی هر انسان ده هزار وات دیگر نیز از نفت، گاز، ذغال‌سنگ و انرژی‌های نو مصرف می‌کند که همه آنها از طریق شبکه‌های زیرساختی توسعه‌یافته گران‌قیمت به او می‌رسند.

کاهش نرخ زادوولد با افزایش رشد اقتصادی، نظریه‌های طول عمر انسان را به مدت چندین دهه سر در گم کرده است: این‌که مردمی که بیشترین میزان منابع را در اختیار دارند، از کمترین میزان زاد و ولد برخوردارند؛ در تناقض آشکار با پیش‌بینی‌های داروین است؛ مخصوصا از آنجا که افزایش تناسب ناشی از کاهش مرگ و میر هنگام زایمان خیلی کمتر از آن است که بتواند کاهش نرخ تولد را جبران کند. ولی ام.تی.ای نشان می‌دهد که این الگو غیرعادی نیست. در حقیقت، در میان کشورهای معاصر، میزان کاهش نرخ زاد و ولد با افزایش مصرف انرژی، نسبت مستقیم دارد با کاهش نرخ زاد و ولد با افزایش متابولیسم در دیگر پستانداران. مردم امریکای شمالی به اندازه یک جانور 30 هزار کیلوگرمی انرژی مصرف می‌کنند، درحالی‌که نرخ زاد و ولد آنها به نسبت چنین جانوری خیلی کمتر است.

آیا الگوی مشترکی که بین انسان‌ها و دیگر پستانداران مشترک است، به دلیل مشترکی اشاره دارد؟ در پستانداران، مقدار هزینه به ازای هر تولد با اندازه پستاندار نسبت مستقیم دارد، ولی همان‌گونه که در بالا اشاره شد، نسبت انرژی در دسترس برای ازدیاد نسل با افزایش ابعاد جاندار کاهش می‌یابد. از این رو، یک فیل برای جمع‌آوری منابع مورد نیاز برای تولید مثل، در مقایسه با موش به زمان خیلی بیشتری نیاز دارد (تناسب با توان 0.25 را فراموش کردید؟). به شیوه مشابه، انسان‌ها نیز به مصرف کسر ثابتی از منابع در دسترس برای هر تولد نیاز دارند، ولی در جوامع ثروتمندتر، زمان بیشتری را برای رسیدن به این نسبت صرف می‌کنند. با توجه به این فرضیه، وقتی زیرساخت‌های ما رشد می‌کنند، ما از آنها چیزهای بیشتری بدست می‌آوریم، ولی به همان نسبت نیز باید سرمایه‌گذاری بیشتری برای آن انجام دهیم که خود، سبب کاهش انرژی و توانایی برای سرمایه‌گذاری در نسل بعدی می‌شود.

توضیحات جایگزین برای مرحله گذار جمعیت نفوس شامل سنت‌های فرهنگی می‌شوند که به زنان اجازه می‌دهند به نسبت آن‌چه که به لحاظ زیستی قادر به انجامش هستند، فرزندان کمتری داشته باشند؛ مانند پیشگیری از حاملگی یا ازدواج دیرهنگام. ولی این ساز و کارها هنوز نمی‌توانند این علت را توضیح دهند که چرا زنان، انتخاب می‌کنند که زایمان و بچه‌دار شدن را به تاخیر بیاندازند.

نظریه دیگری، که بر پایه «سرمایه بدنی» بنا شده، پیشنهاد می‌کند که وقتی جوامع ثروتمندتر می‌شوند، سرمایه‌گذاری‌های آموزشی بیشتری به ازای هر بچه انجام می‌شوند تا آنها را در بازارهای کار رقابتی‌تر کنند. این نظریه تا حد زیادی با نظریه‌ای که در بالا گفته شد، سازگاری دارد. جالب این جاست که سال‌هایی که صرف آموزش می‌شوند، با نرخ زاد و ولد در کشورهای مختلف نسبت عکس دارد.

در مواجهه با تغییرات آب‌وهوایی، نسبت بین کاهش نرخ زاد و ولد در جوامع ثروتمند و افزایش شدید مصرف انرژی در آنها هشداردهنده است. حتی کنترل دولتی جمعیت و کاهش اجباری نرخ زاد و ولد در کشور چین که به 70درصد کاهش در نرخ زاد و ولد در سه دهه اخیر شده است، نیز با یک افزایش انرژی شدید به نسبت جمعیت کشور همراه بود. اگر چنین رابطه‌ای ادامه یابد، 90 میلیارد نفری که پیش‌بینی شده در سال 2050 در زمین زندگی کنند، با رشد صفر درصدی افزایش جمعیت مواجه خواهند بود. و اگر هر فرد به میزانی تقریبا مساوی با یک اروپایی متوسط امروزی انرژی مصرف کند، این سبب خواهد شد که مصرف انرژی انسان‌ها به میزان ده برابر مقدار کنونی افزایش یابد.

بحران اقتصادی اخیر نه تنها شکنندگی شبکه‌های اقتصادی، که تاثیر وحشتناکی را که در هم شکستن آنها می‌تواند به‌دنبال داشته باشد نیز نشان می‌دهد. شبکه‌های انتقال سرعت، بحران را افزایش می‌دهند و شبکه‌های توزیع، انرژی لازم را برای تغییر آب‌وهوای زمین به ما می‌رسانند. هنوز پیشرفت‌های فناوری به متصل کردن تعداد بیشتری از جمعیت زمین به یکدیگر ادامه می‌دهند. علاوه بر این، دستیابی به رشد اقتصادی بیشتر، به خصوص در کشورهای در حال توسعه، احتمالا نیاز به انرژی بیشتر و در نتیجه شبکه‌های گسترده‌تر خواهد داشت.

کارایی
پیام‌های مهم متعددی از کارهای اولیه روی شبکه‌های مهندسی انسانی در حال ظاهر شدن هستند. جوامع بشری، سیستم‌های پیچیده‌ای هستند که با مصرف انرژی پا برجا می‌مانند، ولی مصرف انرژی را به سادگی و با کاهش نیازهای افراد نمی‌توان کاهش داد. مصرف هر فرد و احتمالا نرخ باروری، در سطوح بالاتر تحت تاثیر ساختارها قرار دارد. یافتن ارتباط عملکرد افراد با مشکلات جهانی ایجاب می‌کند که آن افراد را به چشم نقطه‌های اتصال در شبکه‌ها ببینیم که در آنها رفتار یکی بر کل جامعه تاثیر می‌گذارد و در آن، عملکرد کلی جامعه عملکرد هر یک از اجزا را محدود می‌کند.

یک پیام کلیدی دیگر این است که شبکه‌های متمرکز که در آنها منابع از نقطه مرکزی به اهداف پراکنده جریان دارند، هنگامی که مواد را در مسیرهای طولانی‌تر منتقل می‌کنند، انرژی را با کارایی کمتری تحویل می‌دهند. تولید جهانی مواد غذایی از در قرن بیستم شش برابر شده که هزینه آن، 80 برابر شدن سرمایه‌گذاری انرژی روی کشاورزی بوده است. این نسبت وحشتناک که از سرمایه‌گذاری روی انرژی مصرف‌شده برای باروری، درو کردن و انتقال مواد غذایی ناشی می‌شود، نشان می‌دهد که انرژی مصرف‌شده برای تولید غذا بسیار بیشتر از انرژی بدست‌آمده از خوردن غذا است.

ضروری است که طراحی‌های بهتری انجام دهیم تا مطمئن شویم که شبکه‌ها، فناوری‌ها و اقتصاد حمل‌ونقل در آینده، عایدی خیلی بهتری در سرمایه‌گذاری‌های انرژی خواهند داشت، حتی اگر گسترده‌تر شوند و به افراد بیشتری غذا برسانند. منابع باقی‌مانده نفت زمین در مناطق محدودی جمع شده‌اند که از اکثر مصرف‌کنندگان بسیار دور هستند. ولی می‌توان زیرساختی کاراتر و غیر متمرکزتر ساخت تا انرژی بدست‌آمده از بادها، خورشید و امواج جزر و مدی را به مصرف‌کنندگان تحویل دهد.

هم‌اکنون، روش‌هایی برای طراحی زیرساخت‌های کاراتر در حال ظهور است. به تازگی نشان داده شده که بعضی از شبکه‌های دست‌کم نیمه متمرکز، مانند شبکه‌های کامپیوتری و شبکه‌های راه‌های زیر زمینی مترو در شهرها (که تقریبا نیمی از جمعیت زمین اکنون در آنها ساکن هستند)، می‌توانند با کارایی خیلی بیشتری از شبکه‌های کاملا متمرکز، اندازه خود را افزایش دهند. برای مثال، مدل‌ها نشان می‌دهد که می‌توان ترافیک و در نتیجه مصرف نفت را با گسترده‌تر شدن شهرها کاهش داد؛ به‌شرطی که مراکز چند کاربره تجاری و باز تولید، در نزدیکی مناطق مسکونی ساخته شوند.

علاوه بر این، لوئیس بتانکورت و همکارانش به تازگی نشان داده‌اند که فاکتورهای مشخصی مانند نوآوری و تولید ثروت، با افزایش جمعیت شهر به طور تصاعدی افزایش می‌یابند. در این مثال، هر چه که جمعیت یک شهر بیشتر باشد، سودی که هر فرد از توانایی برای ارتباط با دیگران بدست می‌آورد، بیشتر خواهد شد.

در دهه‌های روبرو، ما نیاز داریم که بفهمیم شبکه‌های اجتماعی و زیرساختی، چگونه عملکرد افراد را محدود می‌کنند؛ و شهرها و جوامع را به گونه‌ای بنا نهیم که با افزایش نوآوری‌ها و برقراری ارتباطات، انتقال و فواصل مسافرت‌ها را کاهش دهد. با انجام این کارها، ما شانس بهتری برای پاسخ‌گویی به نیازهای اجتماعات بشری بزرگ، پرمصرف و رو به رشد نسل‌های آینده و بدون کاهش منابع در دسترس خواهیم داشت.

* عضو هیات علمی دانشکده کامپیوتر دانشگاه نیومکزیکو، آلبوکرک

نیچر، شماره 7230 - ترجمه: مجید جویا