Μπορεί ένα ζωντανό πλάσμα να είναι τόσο μεγάλο όσο ένας γαλαξίας;

Το μέγεθος των πραγμάτων στο σύμπαν μας εκτείνεται σε όλη τη διαδρομή από τη μικροσκοπική κλίμακα των 10 μέτρων που χαρακτηρίζει τις αλληλεπιδράσεις των κουάρκ, μέχρι τον κοσμικό ορίζοντα που απέχει 10 μέτρα. Σε αυτές τις 45 πιθανές τάξεις μεγέθους, η ζωή, από όσο γνωρίζουμε, περιορίζεται σε μια σχετικά μικρή αγκύλη λίγο πάνω από εννέα τάξεις μεγέθους, περίπου στη μέση του παγκόσμιου εύρους:Τα βακτήρια και οι ιοί μπορούν να μετρήσουν λιγότερο από ένα μικρόν , ή 10 μέτρα, και το ύψος των μεγαλύτερων δέντρων φτάνει περίπου τα 100 μέτρα. Ο μύκητας του μελιού που ζει κάτω από τα Blue Mountains στο Όρεγκον, και είναι αναμφισβήτητα ένας μόνο ζωντανός οργανισμός, έχει διάμετρο περίπου 4 χιλιόμετρα. Όταν πρόκειται για γνωστή αισθανόμενη ζωή, το εύρος της κλίμακας είναι ακόμη μικρότερο, σε περίπου τρεις τάξεις μεγέθους.

Θα μπορούσαν τα πράγματα να είναι διαφορετικά;

Η πρόοδος στη θεωρία του υπολογισμού υποδηλώνει ότι η αίσθηση και η ευφυΐα πιθανότατα απαιτούν τετράδισεκα πρωτόγονων στοιχείων «κυκλώματος». Δεδομένου ότι ο εγκέφαλός μας αποτελείται από νευρώνες, οι οποίοι είναι στην ουσία εξειδικευμένοι συνεργάσιμοι μονοκύτταροι οργανισμοί, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι οι βιολογικοί υπολογιστές πρέπει να έχουν το φυσικό μέγεθος του εγκεφάλου μας για να επιδεικνύουν τις δυνατότητες που έχουμε.

Μπορούμε να φανταστούμε να κατασκευάζουμε νευρώνες μικρότερους από τους δικούς μας, σε τεχνητά ευφυή συστήματα. Τα στοιχεία του ηλεκτρονικού κυκλώματος, για παράδειγμα, είναι πλέον σημαντικά μικρότερα από τους νευρώνες. Αλλά είναι επίσης πιο απλοί στη συμπεριφορά τους και απαιτούν μια υπερκατασκευή στήριξης (ενέργεια, ψύξη, ενδοεπικοινωνία) που καταλαμβάνει σημαντικό όγκο. Είναι πιθανό ότι οι πρώτες αληθινές τεχνητές νοημοσύνη θα καταλαμβάνουν όγκους που δεν είναι τόσο διαφορετικοί από το μέγεθος του σώματός μας, παρά το γεγονός ότι βασίζονται σε θεμελιωδώς διαφορετικά υλικά και αρχιτεκτονικές, κάτι που υποδηλώνει και πάλι ότι υπάρχει κάτι ιδιαίτερο στην κλίμακα του μετρητή.

Τι γίνεται με το υπερμέγεθος άκρο του φάσματος; Ο William S. Burroughs, στο μυθιστόρημά του Το εισιτήριο που έσκασε , φαντάστηκε ότι κάτω από μια πλανητική επιφάνεια, βρίσκεται «μια τεράστια συνείδηση ​​ορυκτών σχεδόν μηδενική σκέψη σε αργούς σχηματισμούς κρυστάλλων». Ο αστρονόμος Fred Hoyle έγραψε δραματικά και πειστικά για ένα ευαίσθητο υπερ-ευφυές «Μαύρο σύννεφο», συγκρίσιμο με την απόσταση Γης-Ήλιου. Η ιδέα του προήγγειλε την έννοια των σφαιρών Dyson, τεράστιες δομές που περιβάλλουν πλήρως ένα αστέρι και συλλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειάς του. Υποστηρίζεται επίσης από υπολογισμούς που εκτελούμε ο συνάδελφός μου Fred Adams και εγώ, οι οποίοι δείχνουν ότι οι πιο αποτελεσματικές δομές επεξεργασίας πληροφοριών στον σημερινό γαλαξία μπορεί να καταλυθούν μέσα στους θυελλώδεις ανέμους που εκτοξεύονται από ετοιμοθάνατους κόκκινους γίγαντες αστέρες. Για μερικές δεκάδες χιλιάδες χρόνια, οι κόκκινοι γίγαντες που καλύπτονται από σκόνη παρέχουν αρκετή ενέργεια, αρκετά μεγάλη κλίση εντροπίας και αρκετή πρώτη ύλη για να υπολογίσουν δυνητικά τις βιόσφαιρες ενός δισεκατομμυρίου πλανητών που μοιάζουν με τη Γη.

Πόσο μεγάλες θα μπορούσαν να γίνουν μορφές ζωής σαν κι αυτές; Οι ενδιαφέρουσες σκέψεις απαιτούν όχι μόνο πολύπλοκο εγκέφαλο, αλλά και επαρκή χρόνο για τη διατύπωση. Η ταχύτητα των νευρωνικών μεταδόσεων είναι περίπου 300 χιλιόμετρα την ώρα, υπονοώντας ότι ο χρόνος διέλευσης σήματος στον ανθρώπινο εγκέφαλο είναι περίπου 1 χιλιοστό του δευτερολέπτου. Μια ανθρώπινη ζωή, λοιπόν, περιλαμβάνει 2 τρισεκατομμύρια χρόνους διέλευσης μηνυμάτων (και κάθε χρόνος διέλευσης ενισχύεται αποτελεσματικά από πλούσια, μαζικά παραλληλισμένη υπολογιστική δόμηση). Αν τόσο ο εγκέφαλός μας όσο και οι νευρώνες μας ήταν 10 φορές μεγαλύτεροι και η διάρκεια ζωής και οι ταχύτητες νευρικής σηματοδότησης παρέμεναν αμετάβλητες, θα είχαμε 10 φορές λιγότερες σκέψεις κατά τη διάρκεια της ζωής μας.

Εάν ο εγκέφαλός μας μεγάλωνε πάρα πολύ για να πούμε, το μέγεθος του ηλιακού μας συστήματος και είχε σηματοδότηση ταχύτητας φωτός, ο ίδιος αριθμός διασταυρώσεων μηνυμάτων θα απαιτούσε περισσότερα από ολόκληρη την τρέχουσα ηλικία του σύμπαντος, χωρίς να αφήνει χρόνο για να λειτουργήσει η εξέλιξη. σειρά μαθημάτων. Αν ένας εγκέφαλος ήταν τόσο μεγάλος όσο ο γαλαξίας μας, το πρόβλημα θα γινόταν ακόμη πιο σοβαρό. Από τη στιγμή του σχηματισμού του, υπήρχε χρόνος για μόλις 10.000 περίπου μηνύματα να ταξιδέψουν από τη μια πλευρά του γαλαξία μας στην άλλη. Μπορούμε, λοιπόν, να υποστηρίξουμε ότι είναι δύσκολο να φανταστούμε οντότητες που μοιάζουν με ζωή με πολυπλοκότητα να συναγωνίζονται τον ανθρώπινο εγκέφαλο και να καταλαμβάνουν κλίμακες μεγαλύτερες από την κλίμακα του αστρικού μεγέθους. Εάν υπήρχαν, δεν θα είχαν ακόμη αρκετό χρόνο για να κάνουν οτιδήποτε.

Είναι αξιοσημείωτο ότι οι περιορισμοί του περιβάλλοντος στα φυσικά σώματα περιορίζουν επίσης τη ζωή να είναι περίπου το ίδιο μέγεθος που απαιτεί η νοημοσύνη. Το ύψος των ψηλότερων κόκκινων ξύλων περιορίζεται από την αδυναμία τους να αντλήσουν νερό πάνω από 100 μέτρα στον ουρανό, ένα όριο που τίθεται από τον συνδυασμό της δύναμης της βαρύτητας στη Γη (η οποία τραβά το νερό προς τα κάτω) και της διαπνοής, της πρόσφυσης του νερού και επιφανειακή τάση στο ξυλόφυλλο του φυτού (που το ωθεί προς τα πάνω). Αν υποθέσουμε ότι η δύναμη της βαρύτητας και οι ατμοσφαιρικές πιέσεις των περισσότερων κατοικήσιμων πλανητών θα είναι εντός ενός συντελεστή 10 της Γης, θα μείνουμε εντός δύο τάξεων μεγέθους του ίδιου μέγιστου ορίου.

Αν υποθέσουμε επίσης ότι η περισσότερη ζωή θα συνδέεται με έναν πλανήτη, φεγγάρι ή αστεροειδή, τότε η βαρύτητα θέτει επίσης μια φυσική κλίμακα. Καθώς ο πλανήτης μεγαλώνει και η βαρύτητά του δυναμώνει, η δύναμη στα οστά (ή ό,τι άλλο μπορεί να είναι το αντίστοιχο) κάποιου υποθετικού ζώου αυξάνεται – κάτι που υποστήριξε ήδη από τα τέλη του 1600, ο Christiaan Huygens. Αυτό το ζώο θα πρέπει επομένως να αυξήσει τη διατομή των οστών του για να χειριστεί τη μεγαλύτερη δύναμη, η οποία αυξάνεται όσο το τετράγωνο του μεγέθους του ζώου. Αυτές οι προσπάθειες bodybuilding, ωστόσο, θα ήταν τελικά αυτοκαταστροφικές επειδή η μάζα αυξάνεται καθώς το μέγεθος του σώματος μειώνεται σε κύβους. Γενικά, η μέγιστη μάζα των κινητών χερσαίων οργανισμών μειώνεται χονδρικά γραμμικά με την αυξανόμενη δύναμη της βαρύτητας. Αντίθετα, ένας πλανήτης με 10 φορές μικρότερη βαρύτητα από τη Γη θα μπορούσε δυνητικά να έχει ζώα που είναι 10 φορές μεγαλύτερα.

Αλλά υπάρχει ένα όριο στο πόσο μικρός μπορεί να γίνει ένας πλανήτης - εάν είναι πολύ μικρός (μικρότερος από περίπου το ένα δέκατο της μάζας της Γης), δεν θα είναι σε θέση να προσελκύσει βαρυτικά και να διατηρήσει την ατμόσφαιρά του. Περιοριζόμαστε και πάλι σε έναν παράγοντα 10 περίπου από τα μεγέθη που βλέπουμε στη Γη.

Η ζωή πρέπει επίσης να δροσιστεί. Οι σχεδιαστές τσιπ υπολογιστών αντιμετωπίζουν συνεχώς τις προκλήσεις που είναι εγγενείς στην αφαίρεση της θερμότητας που παράγεται από τους υπολογισμούς. Τα ζωντανά όντα έχουν το ίδιο πρόβλημα:τα μεγάλα ζώα έχουν υψηλή αναλογία όγκου προς την επιφάνεια, ή «δέρμα». Δεδομένου ότι το δέρμα είναι αυτό που είναι υπεύθυνο για την ψύξη του ζώου και οι όγκοι είναι εκεί όπου παράγεται όλη η θερμότητα, τα μεγάλα ζώα είναι λιγότερο αποτελεσματικά στην ψύξη τους. Όπως επισημάνθηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1930 από τον Max Kleiber, ο μεταβολικός ρυθμός ανά κιλό ζώων της Γης μειώνεται ανάλογα με τη μάζα του ζώου που ανυψώνεται στην ισχύ του 0,25. Πράγματι, αν αυτός ο ρυθμός θέρμανσης δεν μειωνόταν, τα μεγάλα ζώα θα μαγείρευαν κυριολεκτικά μόνα τους (όπως πρόσφατα και ζωντανά απεικόνισε ο Aatish Batia και ο Robert Krulwich). Υποθέτοντας ότι ο ελάχιστος παρατηρούμενος μεταβολικός ρυθμός ολόκληρου του σώματος του ενός τρισεκατομμυρίου βατ ανά νανογραμμάριο είναι απαραίτητος για να λειτουργήσει ένα θηλαστικό, φτάνουμε σε ένα μέγιστο θερμικά περιορισμένο μέγεθος οργανισμού λίγο περισσότερο από 1 εκατομμύριο κιλά ή κάπως μεγαλύτερο από μια μπλε φάλαινα. Το ζώο ρεκόρ όλων των εποχών της Γης όσον αφορά το μέγεθος.

Θα μπορούσε κανείς, καταρχήν, να φανταστεί «πλάσματα» που είναι πολύ μεγαλύτερα. Αν βασιστούμε στην αρχή του Landauer που περιγράφει την ελάχιστη ενέργεια για τον υπολογισμό, και αν υποθέσουμε ότι οι ενεργειακοί πόροι ενός υπερμεγέθους, εξαιρετικά νωθρού, πολυκύτταρου οργανισμού είναι αφιερωμένοι μόνο στην αργή αναπαραγωγή των κυττάρων του, διαπιστώνουμε ότι τα προβλήματα μηχανικής υποστήριξη της μεταφοράς θερμότητας ως τον απόλυτο περιοριστικό παράγοντα για την ανάπτυξη. Σε αυτές τις κλίμακες, ωστόσο, δεν είναι ξεκάθαρο τι θα έκανε ένα τέτοιο πλάσμα ή πώς θα μπορούσε να είχε εξελιχθεί.

Η κλασική ταινία μικρού μήκους των Charles and Ray Eames Powers of Ten δημιουργήθηκε πριν από σχεδόν τέσσερις δεκαετίες, αλλά η επιρροή του ήταν βαθιά. Μπορεί να συνδεθεί, για παράδειγμα, με την άνοδο της εκτίμησης τάξης μεγέθους ως τυπική πτυχή του επιστημονικού προγράμματος σπουδών και αποτελεί την άμεση έμπνευση για το σχεδιασμό εφαρμογών χαρτογράφησης λογισμικού όπως το Google Earth.

Ο αντίκτυπος του Powers of Ten ενισχύεται από την εκπληκτική συμμετρία μεταξύ της αφήγησης της σάρωσης προς τα μέσα (στην οποία ο θεατής κατεβαίνει προς τα μέσα σε κλίμακα από ένα πικνίκ στην όχθη της λίμνης του Σικάγο στην υποπυρηνική κλίμακα) και του τόξου της σάρωσης προς τα έξω (στην οποία η θέα τραβάει όλο και περισσότερο γρήγορα μακριά για να βάλει τη Γη και το περιεχόμενό της στη μεγάλη κλίμακα του Κόσμου).

Ήμασταν απλώς τυχεροί, ως αισθανόμενα όντα, που μπορέσαμε να σαρωθούμε και προς τις δύο κατευθύνσεις και να εξετάσουμε τις κλίμακες του σύμπαντος τόσο μεγάλες όσο και μικρές; Μάλλον όχι.

Ο Gregory Laughlin είναι καθηγητής αστρονομίας και αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ. Είναι συν-συγγραφέας του Οι Πέντε Εποχές του Σύμπαντος—Μέσα στη Φυσική της Αιωνιότητας, και γράφει blog στο oklo.org.

Αναφορές

1. Koch, G.W., Sillett, S.C., Jennings, G.M., &Davis, S.D. Τα όρια στο ύψος του δέντρου. Φύση 428 , 851-854 (2004).

2. Kleiber, M. Μέγεθος σώματος και μεταβολισμός. Hilgardia:A Journal of Agricultural Science 6 , 315-353 (1932).

3. West, G.B., Woodruff, W.H., &Brown, J.H. Αλλομετρική κλιμάκωση του μεταβολικού ρυθμού από μόρια και μιτοχόνδρια σε κύτταρα και θηλαστικά. Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών 99 , 2473-2478 (2002).

Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στο τεύχος "Προσαρμογή" τον Μάρτιο του 2016.