Современные города моделируются как «суперклетки», а не как многоклеточные организмы.

Современныегородамоделируютсякаксуперклеткианекакмногоклеточныеорганизмы

[58]

ВСТУПЛЕНИЕ

Важнейшей особенностью индустриальных городов (городско-сельские комплексы) является появление многих индустриальных функциональные компоненты, такие как заводы, банки и очистные сооружения. Эти компоненты выполняют процессы города, предоставляя людям товары (например, промышленные товары, продукты питания, воду, материалы) и услуги (финансовое регулирование, политический контроль и смягчение последствий загрязнения окружающей среды)

Напротив, в доиндустриальных городах были только непромышленные мастерские ручной работы и традиционные объекты обслуживания, такие как рестораны и отели. Первое поколение фабрик появилось в начале 2014 после промышленной революции, ознаменовавшей создание промышленных городов. В настоящее время масса неживого материала, созданного людьми, превышает всю живую биомассу на этой планете.

[4] Эта масса принесла большую пользу человеческому обществу, одновременно концентрируя загрязняющие вещества и деградируя землю.

[1, 5, 6]

К счастью, промышленно развитые функциональные компоненты городов улучшились, став умнее.

[7]

Улучшения включают оптимизацию функциональной структуры, то есть количества компонентов и их пространственных отношений;

[8, 9]

улучшение обменных процессов, которые потоки и преобразование энергии,

[10] вода, [11]

еда,

[12]

строительные материалы и отходы; [13]

, а также уменьшение воздействия на окружающую среду. 04525 [14]

Несмотря на многие достижения в области науки, планирования, проектирования и управления городами 54 [2, 15] и признание того, что промышленно развитые города должны повышать устойчивость, предоставляя достаточное количество товаров и услуг, сводя к минимуму экологические проблемы,

[16] наиболее градостроительная по-прежнему основывается на методе проб и ошибок. Это делает очевидной необходимость укрепления теоретической базы науки и техники в промышленно развитых городах.

Признавая, что города общие черты (такие как метаболизм) с живыми системами, исследователи предложили гипотезу «суперорганизма».

[5, 15] В этой гипотезе водно-болотные угодья сравниваются с почками города, зеленые насаждения – с легкими города, а улицы – с его кровеносными сосудами. . Эта модель суперорганизма помещает города в иерархию живых систем (Рисунок S1 ) и послужил источником вдохновения для таких дисциплин, как промышленная экология и городской метаболизм.

[1719]

Например, потребление электроэнергии в зависимости от городской массы следует функции степенного закона

Y = aX

β , в котором показатель аллометрического масштабирования 0042 β примерно 5/6.

[20] Это похоже на сублинейное масштабирование ( β ∼ 3/4) энергетического обмена многоклеточных организмов (особенно животных) на их биомассу.

[15]

Однако модель суперорганизма – несовершенная аналогия, потому что большинство характеристик многоклеточных организмов и городов несопоставимы. С точки зрения морфологии и структуры, например, многоклеточный организм имеет только несколько органов, и количество органов часто фиксировано, в то время как город может иметь много функциональных компонентов одного и того же типа. [3] Другой структурный Разница в том, что города могут оптимизировать пространственное распределение функциональных компонентов, чтобы улучшить возможность предоставления товаров и услуг, 60 [21] , но органы не могут изменить положение в многоклеточных организмах. С точки зрения жизнеспособности скорость ходьбы людей в зависимости от размера города сверхлинейна ( β > 1), в то время как частота сердечных сокращений млекопитающих в ответ на размер тела сублинейна (0043 β <1).

[22] Эти несоответствия говорят об отсутствии общих принципов между городами и многоклеточными организмы. Между тем инженеры и менеджеры также утверждали, что подобные аналогии с многоклеточными организмами дают ограниченное понимание для городского планирования и управления

[23, 24] , что указывает на необходимость построения более точной и надежной модели.

Мы тут проанализируйте типичные характеристики промышленно развитых городов и обнаружите, что замкнутые промышленные системы, покрытые искусственными пленками, такими как стекло, пластик, цемент и другие материалы, являются важнейшими функциональными единицами. Мы раскрываем взаимосвязь между промышленно развитыми городами и несколькими уровнями живых систем, включая многоклеточные организмы, органы, отдельные эукариотические клетки и их органеллы, в иерархической живой системе (Рисунок [20] S1 ). Затем мы предлагаем концептуальную модель, которая определяет общие черты городов и живых систем и обеспечивает мост для междисциплинарных исследований в области экологии, биологии и планирования. Наконец, мы предлагаем бионический подход к улучшению благосостояния людей, снижению загрязнения окружающей среды и высвобождению большего количества земель для устойчивого развития городов. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Кластерный анализ

Сбор количественных и качественных признаков

Мы выбрали общие черты шести типов живых систем, включая промышленные города, замкнутые промышленные системы, многоклеточные организмы, органы, эукариотические клетки и органеллы. Согласно системной науке, мы определили черты, связанные с морфологией, структурой, процессом и функцией городов и замкнутых систем, а также других живых систем (Таблица S1 Таблица S2 ). количественные признаки и восемь качественных признаков. Что касается количественных признаков, некоторые признаки могут быть описаны с конкретным числовым значением, а некоторые значения выражены в порядке величины; другие черты – это показатель степени ( β ) степенной закон, выражающий количество компонентов или органелл или скорость метаболизма в зависимости от размера системы. Для качественных признаков мы присвоили значения атрибутов (подробности см. В Таблице 0060 S2 ).

Кластеризация

Мы использовали иерархический кластерный анализ с методом полной связи на основе Расстояние Гауэра для определения родства между живыми системами.

[25]

Оценка экосистемных услуг

Фреймворки

Экосистема se Услуги включают в себя снабженческие, регулирующие и культурные услуги. Следует отметить, что расчет экосистемных услуг естественных экосистем представляет собой сумму всех трех услуг (обеспечивающих, регулирующих и культурных). Однако экосистемные услуги искусственных экосистем разделяются на целевые услуги и сопутствующие услуги отдельно. Например, целевые услуги сельскохозяйственных угодий, теплиц и молочных откормочных площадок относятся к более крупной группе производства продуктов питания, что эквивалентно некоторым обеспечивающим услугам естественных экосистем; Целевыми услугами очистных сооружений и построенных водно-болотных угодий является удаление загрязняющих веществ из сточных вод, что эквивалентно регулирующим услугам естественных водно-болотных угодий. В дополнение к целевым услугам расчет сопутствующих услуг одинаков, независимо от того, являются ли они провизорными, регулирующими или культурными. В этом документе сопутствующие услуги делятся на услуги (положительные) и медуслуги (отрицательные) в соответствии с рекомендациями, приведенными в справке

Данные, используемые при построении модели

Данные по экосистемным услугам были собраны из литературы. Подробнее см. Дополнительную информацию. 86

Расчеты

Экосистемные услуги для естественных экосистем были рассчитаны по методу [27]. Услуги обеспечения ( ES п , долл. США га

– 1 год

– 1

) теплиц или открытых сельскохозяйственных угодий предназначены для выращивания овощей, общая стоимость которых измеряется выходной стоимостью.

[28] Обеспечение s услуги ( ES п ) молочных откормочных площадок – это экономическая выгода от поставок молока на единицу площади фермы.

[28] Службы декомпозиции ( ES d , долл. США га

– 1 год

– 1

) очистных сооружений и построенных водно-болотных угодий рассчитываются как ES d знак равно W × П w / A, где W (тонна в год 54 – 1

) – это количество отходов, обработанных на очистных сооружениях или построенных заболоченных территориях, П w ( Тонна долларов США

– 1 ) цена за единицу переработанные отходы и А (га ) – это территория города, покрытая очистными сооружениями или построенными водно-болотными угодьями. Услуги обеспечения (0040 ES п ) магазина быстрого питания, такого как Kentucky Fried Chicken, рассчитывается путем деления общая выручка компании (все магазины) за год, разделенная на общее количество этих магазинов в стране. ES п рассчитывается как ES п знак равно Р k / N k / A, где Р k – общая операционная выручка всех магазинов компании за 1 год (долл. США в год

– 1 ); N k – общее количество магазинов, принадлежащих компании, A – средняя площадь магазина быстрого питания (га). Регулирующие услуги ( ES р , долл. США га

– 1 год

– 1

) банка проявляются в управлении финансовым капиталом и рассчитываются путем деления общей выручки компании (всех банков) за год на общее количество банков одной компании в стране. ES р рассчитывается как, ES р знак равно Р b / N b / А, где Р b – общая выручка компании за 1 год (в долларах США за год

– 1 ); N b – общее количество банков, принадлежащих одной компании, 0039 A – средняя площадь банка (га). Услуги обеспечения ( ES п тепловая электростанция предназначена для выработки электроэнергии, общая стоимость которой измеряется по отпускной стоимости электроэнергии. ES п рассчитывается как, ES 0041п знак равно Q × П e / A, где Q – общая выработка электроэнергии тепловой электростанцией (кВтч в год

– 1

); П e – цена электроэнергии внутри сети (долл. США за кВтч

– 1 ), A – площадь ТЭЦ (га). Эффект масштабирования

Мы выбрали теплицы для представления закрытых промышленных систем для услуг по производству продуктов питания и очистные сооружения для представления закрытых промышленных систем разложения в городах, чтобы рассчитать эффект масштабирования. . Эффекты масштабирования – это функции степенного закона ( Y = aX

β ) между количеством тип закрытых промышленных систем ( Y ) в ответ населения (ИКС) в городе. Метод следует за ref [5].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Замкнутые экосистемы возникли в ландшафте промышленных городов

идентифицированные объекты – это промышленные системы, встроенные в матрицу экосистем. Помимо замкнутых неэкосистем (таких как фабрики, возникшие три столетия назад), примечательным моментом является недавнее появление замкнутых экосистем (Рисунок [3] 1A, B ). И замкнутые экосистемы, и неэкосистемы являются промышленными системами, и их общими чертами являются внешние покрытия и внутренние промышленные объекты (машины и аппараты). Замкнутые экосистемы уникальны, потому что они зависят от биологических процессов, но поддерживаются промышленными объектами. Например, теплицы увеличивают производство растений, животноводческие площадки улучшают производство животных, а очистные сооружения концентрируют деятельность микроорганизмов (Рисунок [29] S2 ; Таблица S1 ). Напротив, фабрики, рестораны или банки не имеют никаких биологических компонентов, кроме людей, которые там работают. Неэкосистемные компоненты также могут предоставлять «экосистемные услуги», такие как культурные услуги, предоставляемые музеями и театрами. [64]

image

Некоторые горячие точки производства товаров и услуг в промышленных городах. (A) Из пригорода, пригородные и городские районы, естественные экосистемы, открытые искусственные экосистемы, замкнутые экосистемы (теплицы, молочные откормочные площадки, очистные сооружения) и замкнутые неэкосистемы (фабрики и другие функциональные компоненты) в ландшафте. (B) Эволюция от естественных экосистем к замкнутым промышленным системам. (C) Товары или услуги (в среднем по сайтам во всем мире, Рисунок [37] S4 ), число под каждой полосой соответствует типам экосистемы на рисунке

1A image

Внешняя мембрана значительно увеличивает эффективность и производительность закрытых промышленных систем (Рисунок

), которые дают на 2–5 порядков больше товаров и услуг на земельную площадь, чем открытые сельскохозяйственные угодья, и стали горячими точками продуктивности в городах. Во всем мире появилось множество замкнутых экосистем, выполняющих функции, включая производство продуктов питания (например, овощей, мяса, молока и яиц), разложение (например, очистка сточных вод, удаление отходов) и другие услуги (Рисунок [13] S3 ; Таблица S1 ). В некоторых регионах они предоставляют товары и услуги, которые не могут быть предоставлены открытыми экосистемами. Например, теплицы могут выращивать свежие овощи в очень холодных регионах (например, в высокогорных районах Тибета, Китай), а открытые сельскохозяйственные угодья – нет.
Сходства между промышленным городом и эукариотической клеткой

Индустриальные города имеют характеристики, аналогичные живым системам, но они менее похожи на многоклеточные организмы, чем предполагает гипотеза сверхорганизма. Возникает вопрос – на какую живую систему в модели биологической иерархии наиболее похожи промышленно развитые города? Мы проанализировали 23 черты живые системы и города (см. Таблицу S2 ) для определения родства между живыми системами с помощью кластерного анализа с методом полного связывания на основе расстояния Гауэра. Результаты кластеризации показывают, что промышленно развитые города больше похожи на эукариотические клетки, чем на многоклеточные организмы (Рисунок

2A в иерархии живых систем (рисунок
2B ). Хотя промышленно развитые города (16

5 м) намного больше по размеру, чем эукариотические клетки (0016

– 5

м) многие черты, такие как пространственная функциональная структура, метаболизм и регуляция, очень похожи (Таблица S2 ). [64]

image

Отношения систем в иерархии живых систем. (A) Дерево кластеризации шести уровней систем в пространстве и времени на основе 0022 черты (см. Таблицу S2 ). (B) Структурная композиция эукариотической клетки и промышленно развитого города, состоящая из городского центра (красный) и сельских районов с преобладанием людей (оранжевый). Штрих-пунктирная линия обозначает административную границу image

В эукариотической клетке тысячи органелл вокруг ядра клетки. Органеллы каждого типа пространственно распределены от центра (ядра) до края (клеточной мембраны) в эукариотической клетке (Рисунок [26] 3A ). Например, митохондрии в эукариотической клетке сконцентрированы около ядра, в то время как лизосомы расположены дальше, и многие органеллы часто перемещаются (рисунок 3B, C ). Подобно эукариотическим клеткам, существует большое количество замкнутых систем вокруг и внутри городского центра в промышленно развитых городах (Рисунок [28] 3D ) . Замкнутые неэкосистемы, такие как банки, рестораны и отели, сосредоточены в центре города, а предприятия расположены на окраине города. Замкнутые экосистемы, такие как теплицы и очистные сооружения, расположены за пределами городской окраины, а молочные фермы – в пригородных зонах (Рисунок [23, 24] 3E ). Многие исследования сосредоточены на двумерной структуре городов,

[5, 30] , но некоторые утверждают, что живые клетки являются трехмерными объектами и не имеют сильного сходства с городами. Фактически, промышленно развитые города становятся все более сферическими за счет расширения как надземных, так и подземных

[9, 31] и развивается в третье пространственное измерение. [64] image image

Морфология и субструктура промышленных городов и эукариотических клеток. (A) Животная клетка с ядром, органеллами и цитоплазмой. (B) Распределение некоторых органелл по градиентам краев ядра в растительной клетке. (C) Движение хлоропластов под синим светом (CK – нормальное состояние). (D) Район Большого Шанхая с центром города и замкнутыми экосистемами в качестве городских компонентов, встроенных в естественные экосистемы и открытый ландшафт искусственных экосистем. (E) Плотность замкнутых экосистем вдоль градиента между городом и деревней в Шанхае в 7438. (F) Схема распределения молочных откормочных площадок в Шанхае из 2016 к 04525. (G) Количество органелл (хлоропластов и митохондрий) в ответ на объем клеток (эффект масштаба, Y = aX

β ). (H) Количество теплиц в зависимости от численности населения в городах Китая. (I) Количество очистных сооружений в зависимости от численности населения в городах. Для источника данных см. Дополнительную информацию в Интернете image image

Закрытые экосистемы и закрытые не -экосистемы часто перемещаются по разным причинам (Рисунок

3F ). Они перемещаются напрямую, например, передвижные рестораны и железнодорожные теплицы,

[32] или косвенно, например, завод демонтируется в одном месте и реконструируется в другом. Например, поскольку 2017 Молочные фермы в районе Большого Шанхая много раз перемещались из городской окраины в пригородные районы, потому что они наносят большой вред экосистемам. Перемещение замкнутых систем в города отражает изменение относительной стоимости чистых товаров и услуг замкнутых систем и изменение стоимости аренды земли в связи с развитием городов. 0049

Из перспективы Из физики эффект аллометрического масштаба компонентов в зависимости от размера системы является общим принципом как для городов, так и для эукариотических клеток. Количество хлоропластов и митохондрий в зависимости от размера (объема) клетки сублинейно, с β = 0. 0054 для хлоропластов и β = 0. 58 для митохондрий в наших собранных данных (Рисунок [28] 3G ). Подобные эффекты аллометрической шкалы также обнаруживаются во многих промышленно развитых городах: количество автозаправочных станций в зависимости от размера города (населения) составляет β = 0. 0100 в Китае (рисунок 3H и 0. 0090 в Соединенных Штатах Америки;

[15] количество очистных сооружений в ответ на население города β = 0. 99 в среднем по Китаю, США Состояние Америки, Франция и зародыш любой (Рисунок 3I ). Напротив, организм обычно имеет заранее определенное количество органов, что указывает на отсутствие такого масштабного эффекта в ответ на увеличение размера тела.

Метаболический поток и сетевые характеристики промышленных городов также аналогичны характеристикам эукариотических клеток. В эукариотических клетках органеллы являются горячими точками метаболизма; [33] Точно так же замкнутые системы являются горячими точками биогеохимического метаболизма в городах. Потоки азота, проходящие через замкнутые системы, в среднем на три порядка выше, чем в открытых системах (Рисунок S5a-c ). Кроме того, соотношение между рангом путей азота (P) и потоками азота (F) в метаболических сетях городов следует степенному закону 0056 F ∼ P

β

и β = -3,5, что указывает на то, что потоки азота в Шанхае централизованы в нескольких горячих точках, и что все они являются замкнутыми системами (рисунок S5d ). Потоки азота в городах имеют более резкое сокращение (показатель степени | β |> 3), чем пищевые сети в естественной экосистеме (| β | <2; рисунок [15] S5d ). Это показывает, что, хотя потоки азота (фиксация азота, минерализация азота) в естественных экосистемах сильно концентрируются в корневых клубеньках, трупах животных и разложении фекалий,

[34]

в городах концентрация потоков азота намного выше, чем в экосистемах. image Сходство закрытых промышленных систем и органелл

Кластерный анализ также демонстрирует другую близкую аналогичную пару (рисунок 2А ): замкнутые системы аналогичны органеллам. Важнейшей особенностью этой пары являются ограждающие конструкции. Многие органеллы, такие как хлоропласты и митохондрии, имеют внешние мембраны для поддержания их физического и химического гомеостаза; аналогично закрытые системы оснащены внешними мембранами (Рисунок 4A-C ) для обеспечения стабильности внутренних физико-химических условий (Таблица S3 ). Например, колебания температуры воздуха внутри теплиц, вертикальных ферм и молочных откормочных площадок намного меньше, чем колебания окружающей среды (Рисунок 4D-G ). Благодаря внешним мембранам молочные откормочные площадки могут сохранять прохладу или теплее и производить молоко в экстремальных климатических зонах, таких как субтропические регионы и районы с умеренно холодным климатом, которые ранее были недостижимы. Кроме того, внешние мембраны уменьшают утечку загрязняющих веществ во многом таким же образом, как мембраны органелл играют роль в снижении высвобождения «промежуточных продуктов» (таких как кетоны, ионы металлов) в цитоплазму. Что еще более важно, мембраны органелл имеют множество мелких «объектов»

[35] , такие как каналы, ионные насосы, гликопротеины, АТФаза и рецепторы , чтобы регулировать физические и химические условия. Точно так же внешние мембраны закрытых промышленных систем все чаще оснащаются небольшими устройствами, такими как датчики, мониторы, кондиционеры, солнечные батареи, вентиляторы и т. Д. (Рисунок [1719] 4A-C ) для улучшения условий содержания растений, животных и микроорганизмов. Само собой разумеется, что разработка этих мелкомасштабных структур должна значительно улучшить функции закрытых систем. [64]

Гомеостаз температуры воздуха в закрытых промышленных системах. (AC) Три типа промышленных замкнутых экосистем: теплица (A), вертикальные фермы (B) и молочные откормочные площадки (C). (DG) Колебания внутренней и внешней температуры воздуха замкнутых экосистем, включая теплицы в Де Билт, Нидерланды (D), вертикальные фермы (фабрики растений) в Анси, Южный Китай (E), молочные откормочные площадки в Оттаве, Канада (F) и молочный откормочный парк в Шанхае, Юго-Восточный Китай (G) image

внутренние структуры замкнутых систем также приобрели тонкие структуры, подобные органеллам. Например, вертикальная ферма использует многослойный посев для централизации выращивания с 0026 к 167 и использует технологии и автоматизацию для достижения высоких урожаев в течение года.

[12, 36] Точно так же хлоропласт имеет многослойную тилакоидную структуру, которая улучшает эффективность фотосинтеза. 59 [12, 36] Подобно тонкой структуре, образованной внутренней мембраной митохондрии,

[37] в коровнике много стойла, что позволяет эффективно использовать пространство и избегать скопления людей за счет разработки конфигурации желоба, которая дает каждой корове равные шансы на получение корма: эти меры повышают эффективность использования корма и продуктивность молочного скота (Рисунок [16] S3 ). Тем не менее, человеческий дизайн таких тонких структур находится в зачаточном состоянии по сравнению с органеллами, что открывает захватывающие возможности для дальнейшего развития.

Еще одно сходство между замкнутые системы и органеллы заключаются в их информационных системах. Замкнутые неэкосистемы (фабрики) имеют только системы культурной информации человека, такие как технологии, управление и стандарты. Однако замкнутые экосистемы имеют двойные информационные системы, то есть культурную информацию человека и биологическую генетическую информацию. Например, промышленные молочные откормочные площадки имеют системы биологической информации, включая возраст, пол и генетическую структуру популяций крупного рогатого скота.

[38] информация, собранная в замкнутых экосистемах и неэкосистемах, обеспечивает их самоорганизацию, включая технологические инновации и обновления, аналогично полуавтономной генетической ДНК митохондрий и хлоропластов.

[39] Для информации о человеке недавно появилась новая область, «культуромика», как аналогия геномным исследованиям в биологии. [40] 260 Было обнаружено, что изменение частоты слов в истории также подчиняется правилам, аналогичным правилам биологической генетики. Например, процесс присвоения имени новорожденному подобен процессу бесконечной репликации аллелей случайного генетического дрейфа;

[43] на эволюцию английской грамматики влияет случайный сдвиг и выбор,

[43]

и эволюционный скорость языка может быть предсказана популяционно-генетическими моделями.

[45] Конечно, эволюция человека информация о культуре – будь то на уровне города или на уровне замкнутой системы – имеет свои уникальные характеристики и требует дополнительных ональные исследования. Концептуальная модель сверхъячейкового города

Результаты нашего анализа побудили нас разработать новую гипотезу: промышленно развитый город аналогичен эукариотической клетке по компонентному составу, пространственной структуре. , и обменные процессы. Отныне мы предлагаем концептуальную модель сверхъячейкового города, в которой промышленно развитый город представляет собой «эукариотический город» или «эукаргород», городская территория – «городское ядро», замкнутая система – «органара», а сельские экосистемы и открытые сельскохозяйственные угодья. это «ситиплазма» (Рисунок 5 ). Термин «органара» аналогичен «органеллам» в этимологии с суффиксом «44 – эль »означает малый (через французский, от латинского« Элла“), пока “ – ара »означает большой (от греческого -ar / -ara / -aros). Процессы в модели суперклеточного города имитируют биологические процессы эукариотических клеток. Органары обеспечивают основные товары, такие как производство продуктов питания, соответствующих «синтезу» в органеллах, и они предоставляют такие услуги, как вывоз мусора (соответствующий «разложению» органелл), соответствующий «разложению» лизосомами и каталазами в эукариотических клетках. Появление органелл привело к превращению традиционных городов в эукариотические города, так же как органеллы существенно трансформировали прокариотические клетки в эукариотические клетки. «Городское ядро» регулирует весь город и объединяет городские и сельские районы, а также количество органов и их пространственное распределение с помощью политики, науки, технологий, культуры, рынков и финансов. Cityplasm предоставляет регулирующие и вспомогательные услуги, такие как m неизменное качество воздуха, круговорот воды, почва и биоразнообразие. Eukarcities и Organaras также имеют много «серых» инфраструктур (таких как цемент, металл, стекло и синтетические пластмассовые полимеры) (Таблица S3 ), которые не являются живыми материалами так же, как у эукариотических клеток есть неживые материалы, такие как кальцинированные микротрубочки, внутренние материалы некоторых вакуолей и вакуоли,

[45] , а также коллаген. Это говорит о том, что неживые компоненты в живой системе являются общей чертой. [64]

Модель суперячейкового города. Эукаргород с процессами, в которых доминирует городская плазма (слева, природные экосистемы без промышленных горячих точек, экосистемная петля) и процессами, в которых доминируют органары (справа, петля на основе органары). Толщина линии указывает на интенсивность экосистемных услуг; Взаимодействие между органарами и городской плазмой в основном происходит за счет изменения землепользования, природного капитала, производства и обработки отходов. Правый полукруг, в котором доминируют органары, играет все более важную роль в эукарцитах

основные процессы эукарсити соединяют цикл на основе экосистемы с циклом на основе органары (Рисунок 5 ). Потоки искусственных товаров, услуг и культурной информации, основанные на органарах, намного больше, чем на городской плазме. Органары часто взаимодействуют с ядром города, предоставляя товары и услуги людям и получая отзывы от людей. Органары также обмениваются товарами и услугами, а также информацией с другими органарами. Эукаргород взаимодействует с другими эукарсити и также ограничивается системами верхнего организационного уровня (такими как провинция / штат и нация). Ограничения включают политику, культуру, экономические и экологические стандарты, предложенные центральными правительствами провинций или стран. Модель суперячейкового города информирует о новом подходе к управлению

Новые принципы, раскрытые в модели суперячейкового города, также требуются новые правила для адаптации к этим новым системам, от управления экосистемами до управления органами. В свете модели «сверхъячейкового города» новый подход к управлению в основном включает в себя три аспекта: 0054 (1) Улучшение органелл в соответствии с оптимизированными принципами органелл с точки зрения структуры и функции.

[37]

Во-первых, ожидается, что более плотно закрытые экосистемы повысят эффективность и уменьшат влияние климата, а также уменьшат утечку загрязняющих веществ. Например, воздушные фильтры, установленные на стенах животноводческих ферм, могут предотвратить проникновение вирусов.

[47] Конечно, закрытые экосистемы также могут нести риски, например способствовать распространению болезней и концентрировать загрязнение почвы в результате использования удобрений и пестицидов.

[47]

Более того, дальнейшее развитие мембранных структур путем обучения на мембранах органелл, которые имеют сложные структуры и важные функции

30 также можно было предусмотреть. Например, датчики температуры воздуха, мониторы и кондиционеры на наружных мембранах теплицы повышают эффективность производства овощей. Внутренние структуры также должны быть усовершенствованы путем обучения на органеллах, таких как митохондрии и хлоропласты, в которых внутренняя мембрана разделена на отдельные области, чтобы образовать отдельные функциональные домены.

[48]

Вдохновленные этими чертами, органары также могут быть разделены внутренними мембранами на специализированные субъединицы для повышения эффективности, такие как многоуровневые вертикальные фермы.

[12, 36] Внешние мембраны и внутренние структуры органары являются предварительными, и можно ожидать, что увеличение структурного сходства между органарами и органеллами будет значительно улучшить органическое предложение товаров и услуг.

(2) Оптимизация количества органар в соответствии с эффектами масштаба в ответ на размер населения в городах для рациональных затрат и выгод,

[37, 38]

, что аналогично количеству органелл, выделенных в эукариотических клетках.

[5] В рамках этого более крупного процесса оптимизация пространственного рисунка органелл путем обучения на органеллах может повысить урожайность и снизить загрязнение. Например, интенсивная индустриализация молочных откормочных площадок увеличивает интенсивность загрязнения на единицу площади земли и увеличивает экологический риск.

[52]

Создание искусственных водно-болотных угодий вблизи молочных откормочных площадок может перерабатывать и улавливать отходы питательных веществ и значительно уменьшать загрязнение.

[28]

Путем анализа принципов оптимизации Органелл в эукариотических клетках и путем диагностики существующих проблем функциональная и пространственная структура города может быть улучшена, чтобы уменьшить загрязнение и оптимизировать пространственное распределение и функциональность городов будущего.

(3) Повышение эффективности и надежности снабжения за счет регулирования метаболических сетей органар в соответствии с высокой метаболической эффективностью и устойчивостью эукариотических клеток.

[53]

Принцип бионических подходов обычно превосходит методы «проб и ошибок» 53 [54] , потому что они руководствуются естественным отбором и могут сократить время испытаний при одновременном повышении эффективности.

Был много доказательств, подтверждающих полезность модели суперячейкового города в городском проектировании и управлении. Один успешный случай произошел на озере Тайху на юго-востоке Китая, где в прошлом 36 лет качество воды ухудшалось, а затем восстанавливалось в результате увеличения количества органар ( Фигура 6A-C ). Озеро полагалось на свои обширные заболоченные земли для очистки сточных вод более 77409 годы. После 2016 s, однако, промышленные отходы и ферти Процесс очистки превысил очистные возможности природной экосистемы, и качество воды быстро ухудшилось. В городе Уси, который черпает питьевую воду из Тайху, произошло известное событие, связанное с перебоями в водоснабжении 04525, когда вода стала непитьевой. С момента экономического подъема (Рисунок 6D ) количество очистных сооружений во всех городах вокруг озера Тайху увеличилось с 5 в 2014 к 969 в 04525 (Фигура 6E ), и качество воды улучшилось, хотя население продолжало расти (Рисунок 6F ). Этот случай ясно показывает, что оптимизация количества органических веществ разложения была чрезвычайно эффективной стратегией уменьшения загрязнения окружающей среды в промышленно развитых городах. Вместе с промышленными неэкосистемами индустриализация экосистем увеличивает предложение товаров и услуг и снижает экологический след на единицу продукции.

[54]

В Китае площадь теплиц увеличивается, а площадь открытых сельскохозяйственных угодий сокращается (Рисунок [5, 15] 6G ). Промышленные откормочные площадки молочного животноводства увеличиваются, а площади пастбищ сокращаются (Рисунок 6H ). Напротив, леса и водно-болотные угодья постоянно восстанавливаются по мере экономического развития (Рисунок 6I ). Эти примеры показывают, что информация, предоставляемая моделью суперячейкового города, может определять устойчивое развитие промышленно развитых городов. [64]

Исторические тенденции в количестве органары и городской плазмы в Китае со времен 2014 с до 7438 s. (AC) Качество воды в озере Тайху, юго-восток Китая, в 04525, 04525 а также 7837, соответственно. (DF) Историческое изменение социально-экологического состояния в районе озера Тайху, включая ВВП на душу населения (D), годовой прирост станций очистки сточных вод (WTP) (E) и численность населения (F). (G) Уменьшение открытых площадей сельскохозяйственных угодий и увеличение теплиц. (H) Резкое сокращение площади устойчивых пастбищ и увеличение промышленных молочных откормочных площадок. (I) Синергия между экономическим развитием и восстановлением лесов / естественных водно-болотных угодий

Несмотря на возрастающую роль органар, ситиплазма имеет решающее значение для поддержания баланса потоков энергии, материалов, биологической продуктивности и разложения отходов. На качество городской плазмы, такое как качество воздуха, водоемов, почвы и здоровье экосистемы, в основном влияют органические вещества. Например, рестораны и молочные откормочные площадки сбрасывают сточные воды, вызывая загрязнение воды.

[29]

Теперь люди часто наблюдают за городской плазмой, и собранные данные передаются обратно в citynucleus, который затем модифицирует институты и политика для оптимизации города через регулирование органов как единиц. Значительные площади пастбищ и сельхозугодий могут быть преобразованы в органары во многих городах по мере роста населения и сокращения площади и роста стоимости. Однако значительная часть земель останется под открытым небом и под пастбища, так же как большая часть пространства в большинстве эукариотических клеток по-прежнему является цитоплазмой. [55] Cityplasm продолжит предоставлять ключевые экосистемные услуги и некоторые товары в будущих евкарсити. Например, открытые сельскохозяйственные угодья, пастбища и леса будут продолжать обеспечивать зерно, волокно и сырье;

[57]

океан, лес и водно-болотные угодья обеспечивают чистый воздух, воду, биоразнообразие и т.д. устойчивость города. Более того, идея о том, что «города могут спасти планету», получила недавнее благо

[58, 59]

и это может быть реализовано через сотрудничество всех городов мира. Теоретическое значение модели суперячейкового города

image Заполнение пробела в модельной иерархии живых систем путем добавления новых живых систем

Иерархическая модель живой системы была построена от биомакромолекулярного масштаба до всего земного шара, но оставила значительный разрыв на несколько порядков величины между экосистемами (∼ 0016 3

м размером) и биосферу (∼ 0016

8

м).

[60] Гипотеза сверхорганизма

[61]

поместил «городские системы» в иерархическую модель в точке, которая заполнила пробел между экосистемами и биосферой (Рисунок S6 ). Однако устойчивое развитие требует объединения городских и сельских районов,

[58, 59] , а для связанной системы город-село (город) в среднем ∼ 0016

5 m размером и образует арифметическую последовательность, 16

3 м, 0016

5 м и 15

8 м, между экосистемами и глобальным масштабом (Рисунок S6 ). Основываясь на доказательствах, которые мы представили здесь, мы предполагаем, что модель суперклеточного города должна заменить модель суперорганизма. Появление органелл формирует основу для эукариот, так же как органеллы являются основой эукариотических клеток, показывая, что общие черты между городами и клетками могут увеличиваться и уменьшаться в иерархии живых систем (Рисунок [11] S6 ). Мы также предполагаем, что вслед за происхождением жизни возникла эукариотическая жизнь 96 [15, 17]

и появление людей, появление эукарсити является последним эволюционным событием.

Распространение теории эндосимбиоза с эукариотических клеток на городской уровень

Модель суперклеточного города расширяет теорию эндосимбиоза от эукариотические клетки до городского уровня. Согласно теории эндосимбиоза, эукариотические клетки были «большими пустыми клетками», которые приняли прокариотические клетки, такие как цианобактерии и спирохеты, чтобы сформировать симбиотическое слияние

[15, 17] Есть свидетельства того, что некоторые органеллы сохранили свои собственные гены, которые могут самовоспроизводиться и взаимодействовать с генами. в ядре для достижения полуавтономного регулирования.

[40] Например, хлоропласты и митохондрии – помимо того, что они контролируются ядерным гены – также имеют свою собственную ДНК.

[62] Вдохновленные теорией эндосимбиоза, мы выдвигаем гипотезу, что происхождение эукарсити является симбиотическим слиянием органар. (замкнутые экосистемы и замкнутые неэкосистемы) с доиндустриальными традиционными городами. Подобно органеллам, некоторые органары также являются полуавтономными в том смысле, что в дополнение к тому, что они контролируются городским ядром, они также имеют свою собственную «генетическую информацию» для размножения и работы [63] Например, информационные системы очистных сооружений включают библиотеки, лаборатории и офисы, которые содержат файлы технологий, записей и управления (Рисунок 0047 S3 ). Культурная информация интерпретируется, копируется, передается и модифицируется и постоянно развивается.

[58] Внутренняя структура становится сложной, и некоторые органары начинают проявлять многокомпонентный характер в своей структуре: например, в теплицах пчелы живут в симбиозе с зерновыми культурами. Таким образом, модель суперклеточного города использует теорию эндосимбиоза для объяснения эволюции промышленно развитого города, а также обеспечивает теоретическую основу для исследований, проектирования и управления городами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этой статье мы предусмотрели функциональных исполнителей экосистемных процессов (таких как производство и разложение) в качестве организмов и исполнителей процессов эукарсити в качестве органических организмов. Промышленно развитые города используют органары в качестве операционных единиц и могут оптимизировать городские структуры, процессы и функции, обучаясь у эукариотических клеток чертам и принципам, которые были оптимизированы в ходе эволюции в течение миллиардов лет. Быстро урбанизирующийся мир может предоставить множество эмпирических данных для таких исследований.

Супер-сотовый город Модель обеспечивает прочную основу в принципе и в методологии для нахождения общих черт между живыми системами и двумя уровнями квазивоживых систем (эукарсити и органары). Мы представляем нашу модель как важный теоретический шаг, связывающий города и ячейки и способствующий новому поколению знаний. Углубленные исследования этой концептуальной модели, такие как дальнейшие теоретические и математические модели, ставят интересные задачи. 0130

Модель суперячейкового города поощряет трансдисциплинарные исследования и мотивирует ориентированное на действия, ориентированное на проблемы городское исследование университетской учебной программы с участием городов и ячеек. По аналогии с цитологическими исследованиями планирование и управление городами может установить набор жизненных принципов, основанных на структуре и процессах эукариотических клеток, и соединить несколько дисциплин, включая науку, инженерию, политику и культуру. последовательным образом для содействия углубленным исследованиям и практикам.

Анализ в этой статье это лишь верхушка айсберга, и наша цель здесь – представить методологию анализа важной особенности меняющегося мира. В настоящее время все больше и больше мест во всем мире принимают города в качестве единиц управления. Мы предполагаем, что модель суперячейкового города не только способствует развитию каждого города, но также способствует устойчивому глобальному развитию, направляя все города к поддержке модели, оптимизированной для людей и благоприятной для окружающей среды.

БЛАГОДАРНОСТИ

. Работа выполнена при финансовой поддержке Национального научного фонда Китая (грант № [16]. ,

и SUTD-ZJU IDEA Seed (грант № .SUTD-ZJU (SD)

). Мы благодарим XZ Liu, RH Xu, WJ Han, LF Shang, SN He, B. Luo, GY Luo, LS Lin, X. Wang, Q. Wang, YY Duan, WL Gu и Y. Chen, S. Liu за сбор данных и проверка рукописей; Y. Geng, SD Niu за их комментарии.

  • КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

    Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

  • ЗАЯВЛЕНИЕ О НАЛИЧИИ ДАННЫХ

    Все данные включены в рукописи и в дополнительной информации онлайн. [64]