Почему жизнь ограничена такими размерами, которые мы встречаем на Земле
Размер объектов нашей Вселенной разнится от крохотной шкалы в 10-19 м, на которой взаимодействуют кварки, до космического горизонта, расположенного в 1026 метрах от нас. В этих допустимых 45 порядках величины известная нам жизнь ограничена относительно небольшим промежутком, всего в 9 порядков, расположенным примерно в середине вселенского: бактерии и вирусы бывают меньше микрона, 10-6 метров, а высота крупнейших деревьев достигает порядка 100 м. Опята, или армиллярии [американцы называют их медовыми грибами – прим. перев.], живущие у подножия Голубых гор в Орегоне, вероятно, являются единым организмом, простирающимся на 4 километра в поперечнике. У известной разумной жизни шкала ещё меньше, в районе трёх порядков величины.
А может ли быть по-другому?
Прогресс вычислительной теории говорит о том, что сознанию и интеллекту требуются квадриллионы примитивных элементов-«контуров». Поскольку наш состоит из нейронов, которые сами по себе, по сути, являются специализированными кооперативными одноклеточными организмами, можно заключить, что биологическому компьютеру нужно иметь размер, сравнимый с , чтобы демонстрировать имеющиеся у нас возможности.
Можно предположить возможность создания нейронов меньших по размеру, чем наши, для систем искусственного интеллекта. Элементы электрических схем сейчас уже гораздо меньше нейронов. Но и поведение у них проще, кроме того, они требуют поддерживающую их сверхструктуру (подвод энергии, охлаждение, сообщение), занимающую много места. Скорее всего, первые интеллектуальные системы по размеру будут сравнимы с нашими телами, несмотря на то, что основаны они будут на фундаментально отличающихся материалах и архитектурах. Это тоже говорит о том, что в метровой шкале есть что-то особенное.
Что насчёт конца шкалы с гигантскими размерами? Уильям Берроуз в своём романе «Билет, который лопнул», представил, что под поверхностью планеты находится «огромное неорганическое сознание близ абсолютного нуля мыслящее в неторопливых отложениях кристалла». Астроном Фред Гойл драматически и убедительно писал о разумном и сверхинтеллектуальном «Чёрном облаке», по размеру сравнимом с расстоянием от Земли до Солнца. Его идея предшествовала сферам Дайсона, массивным структурам, полностью окружающим звезду и забирающим большую часть её энергии. Её поддерживают и вычисления, которые проводим мы с моим коллегой Фредом Адамсом. У нас получается, что наиболее эффективные структуры для обработки информации в сегодняшних галактиках могут находиться в закопчённых ветрах, поднимаемых умирающими красными гигантами. За десятки тысяч лет окружённые пылью красные гиганты дают необходимое количество энергии, достаточно большой градиент энтропии и достаточно сырого материала, чтобы в потенциале превзойти по расчётной мощности биосферы миллиарда планет земного типа.
Насколько большими могут быть такие формы жизни? Интересным мыслям требуется не только сложный , но и достаточное время для формулирования. Скорость передачи информации в нейронах составляет 300 км в час, то есть сигнал пересекает человека примерно за 1 мс. Получается, что в жизни человека умещается 2 триллиона таких переходов (и каждый из них усиливается благодаря богатой и чрезвычайно параллелизированной структуре). Если бы наш и наши нейроны были бы в 10 раз больше, а время жизни и скорость сигналов не менялись, у нас было бы в 10 раз меньше мыслей за всю нашу жизнь.
Если бы наш вырос до размеров Солнечной системы, а сигналы передавались бы в нём со скоростью света, то для передачи аналогичного количества сообщений потребовался бы весь текущий возраст Вселенной, что не оставило бы времени для эволюции. Если бы был размером с нашу галактику, проблема стала бы ещё более острой. С момента её формирования хватило бы времени только на 10000 сообщений, пересекающих её из конца в конец. Поэтому довольно сложно представить жизненные формы со сложностью, сравнимой с человеческой, занимающие масштабы, сильно превышающие размер звезды. Если бы они существовали, у них ни на что не хватило бы времени.
Интересно, что ограничения окружающей среды, применяемые к физическим телам, также ограничивают жизнь тем размером, который необходим для появления интеллекта. Высота самых высоких секвой ограничена их неспособностью поднимать воду выше, чем на 100 метров вверх – это ограничение является комбинацией силы гравитации на Земле (тянущей воду вниз), и испарением, смачиванием и поверхностным натяжением в ксилеме (тянущей её вверх). Если предположить, что гравитация и атмосферное давление на других планетах не будет отличаться от Земного более, чем в 10 раз, то мы получим те же самые ограничения, отличающиеся не более, чем на пару порядков.
Если мы также предположим, что большая часть жизни привязана к планетам, лунам или астероидам, тогда гравитация тоже задаёт естественный масштаб. С увеличением планеты и усилением её гравитации, увеличивается сила, действующая на кости (или их эквивалент) гипотетических животных – об этом писал ещё в XVII веке Христиан Гюйгенс. Животному бы потребовалось увеличить сечение костей, чтобы выдерживать такую силу, а она увеличивается как квадрат размера животного. Однако же эти эффекты быстро сходят на нет, поскольку масса тела увеличивается, как куб размера. В среднем, максимальная масса подвижных наземных организмов уменьшается примерно линейно с увеличением силы гравитации. Соответственно, на планете с гравитацией в 10 раз меньше, чем на Земле, могли бы жить животные в 10 раз больше.
Но существуют минимальные размеры и для планет – если она будет меньше (меньше, чем одна десятая масса Земли), она не сможет удерживать атмосферу. Опять мы ограничены множителем в 10 по отношению к тем размерам, что мы видим на Земле.
Жизнь также нужно охлаждать. Разработчики компьютерных чипов постоянно сталкиваются с трудностями удаления тепла, порождаемого вычислениями. У живых существ та же проблема: у больших животных высоко отношение объёма к площади поверхности, или к коже. Поскольку за охлаждение животного отвечает кожа, а тепло порождается объёмом, крупные животные менее эффективно охлаждаются. Как впервые подсчитал в 1930-х годах Макс Клейбер, скорость метаболизма на килограмм у земных животных уменьшается пропорционально массе животного в степени 0,25. И действительно, если бы скорость нагрева не уменьшалась, крупные животные бы просто сварились. Если предположить, что для нормального функционирования млекопитающего минимальная скорость метаболизма должна быть одной триллионной ватта на нанограмм, мы придём к максимальному размеру организмов порядка миллиона килограмм – что менее чем в 10 раз больше массы голубого кита, вероятно, самого крупного из когда-либо живших на Земле организмов.
Можно, в принципе, представить животных крупнее размером. Опираясь на принцип Ландауэра, описывающий минимально необходимое для вычислений количество энергии, и предположив, что энергетические ресурсы сверхмассивного вялого многоклеточного организма тратятся только на медленное воспроизводство его клеток, мы обнаружим, что проблемы его механической поддержки обгоняют проблемы отвода тепла и служат главным ограничительным фактором для роста. Но на таких масштабах становится непонятным, чем бы такое существо занималось или как бы оно появилось в результате эволюции.
Классический фильм «Степени десяти» сняли четыре десятилетия назад, но его влияние весьма глубоко. Его можно связать, к примеру, с тем, что порядковые оценки прочно вошли в научный обиход, и он послужил вдохновением для создания картографических ПО, вроде Google Earth.
Влияние фильма усиливается удивительной симметрией в рассказе, действующей между погружением в микромир (в котором наблюдатель погружается внутрь с масштаба пикника на берегу Чикагского озера в субядерный масштаб) и движением в макромир (в котором мы улетаем прочь от Земли и её содержимого в гигантские масштабы космоса).
Случайно ли повезло ли нам, разумным существам, обладать возможностью двигаться в обоих направлениях и изучать крупные и мелкие масштабы Вселенной? Вероятно, нет.
Грегори Лафлин – профессор астрономии и астрофизики в Калифорнийском университете в Санта-Круз. Соавтор книги "Пять эпох Вселенной – внутри физики бесконечности", ведёт блог на сайте oklo.org.
Автор: Вячеслав Голованов
