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 мозг состоит из нейронов, которые сами по себе, по сути, являются специализированными кооперативными одноклеточными организмами, можно заключить, что биологическому компьютеру нужно иметь размер, сравнимый с мозгом, 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 Хойл 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 мозг, но и достаточное время для формулирования. Скорость передачи информации в нейронах составляет 300 км в час, то есть сигнал пересекает мозг 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 мозг 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 мозг 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 мозг 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 субъядерный 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.
Комментарии (62)
ariklus
22.09.2017 11:04Случайно ли повезло ли нам, разумным существам, обладать возможностью двигаться в обоих направлениях и изучать крупные и мелкие масштабы Вселенной? Вероятно, нет.
То есть «поскольку разумные сущеста сложны и потому не могут быть одного порядка с элементарным частицами, а скорость света/хим. реакций накладывает ограничения на размер мозга, то есть объекты как на много порядков меньше, так и на много порядков больше разумных существ»?
mistik_max
22.09.2017 11:28-6Интереснейшая публикация, подчеркивающая гениальное утверждение Эйнштейна — «Все относительно»
LeonidZ
24.09.2017 02:09+1Эйнштейн никогда не произносил фразу «всё относительно» (и «всё в мире относительно» тоже). Эта фраза появилась в философии до него, и он наоборот неоднократно пытался разъяснить, что речь о физике, а не о философии, и его теории относительности не имеют к этой фразе никакого отношения.
mistik_max
24.09.2017 06:48-1К этой фразе, как раз имеет большое отношение весь наш мир и все наши представления о нем. И кому, как не Эйнштейну нужно было это доказывать?
LeonidZ
24.09.2017 12:14Один из пруфов с очень подробным объяснением: www.youtube.com/watch?v=t0p9t7T87WM&t=135
knstqq
22.09.2017 12:10+2скорость метаболизма на килограмм у земных животных уменьшается пропорционально массе животного в степени 0,25
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
Это только если нет принудительного охлаждения через решётчатые структуры. Если животное — монолитный шар или имеет форму близкую к земным — то оценка справедлива.
Но что насчёт решётчатых созданий? А создания с принудительным жидкостным омыванием внутренних органов через трубопроводы, океанской водой? А не менее замечательные твари, что жрут как не в себя, чтобы поддерживать постоянную температуру ядра 38 градусов цельсия при температуре среды 7 Кельвинов? А ведь скорость теплоотдачи растёт пропорционально квадрату разности температур!
Шире нужно смотреть на мир вокруг:)sfumkrrr
22.09.2017 12:57+2A что за замечательные твари, живущие при температуре 7 Кельвинов? Хотелось бы подробнее почитать про них.
donvictorio
24.09.2017 12:42Сетевое существо. mash 3d. узлы — отдельные индивидуальные интеллекты, которые синхронизируются по световому-гравитационному каналу.
постойте-ка… звёзды??? Галактики??
Бессмысленно гонять сырую мысль-«сигнал» с одного конца галактики в другой. Это неэффективно. Проще слать жирные пачки информации. Вероятно, что в шуме света звёзд вполне себе можно уловить сверхширокополосный сигнал, который мы всё равно никогда не расшифруем, потому что не осознАем его.
kozyabka
22.09.2017 12:37С этим трэком эффект от просмотра глубже)
Fedarod
22.09.2017 12:57Да, интересно, я в свое время задумался, читая Кастанеду, почему Мир Теней был таким маленьким. Мир Теней представлял собой скопление муравейников размером с луну, причем муравейники были неподвижными мыслящими существами, а муравьи — подвижными лазутчиками в другие миры. Кастанеду вытаскивали из этого мира его соратники в своих физических телах, и они не почувствовали дискомфорта от сильной гравитации. Поскольку Мир Теней предполагал интеллектуальное господство во вселенной, я думал, он будет побольше, а оно вон оно как!
Insane11
22.09.2017 13:03+7С. Лем «Магелланово облако», 1954-1960
— Предположим, что какая-то метагалактика встала на путь
последовательного усложнения своей структуры, выражающегося в том, что
отдельные звезды начинают соответствовать нервным клеткам мозга. Через
определенное время эта метагалактика, объединяющая несколько миллиардов
галактик, становится как бы единым «мозгом» шарообразной формы, диаметром,
скажем — мы люди смелые, — миллиарда в четыре световых лет…
— Ужасная фантазия… — прошептала сидевшая недалеко от меня Калларла.
— Какой это был бы гениальный урод из пылающей материи…
— Ты ошибаешься, моя дорогая, — очень спокойно возразил Гообар. — Я
боюсь, что это был бы — по крайней мере, по нашим критериям — кретин из
кретинов. — Он достал карманный анализатор и, произведя небольшой подсчет,
продолжал: — В таком «мозгу» галактики соответствовали бы нервным ядрам, а
световые лучи — нервным импульсам. Чтобы представить мысленно самое
простое понятие, например «я существую», понадобилось бы около 10^19, то
есть свыше ста триллионов лет… Я полагаю, что такое замедленное мышление
трудно назвать гениальным.
Urub
23.09.2017 15:51хм, а мы разве лучше?
мне необходимы десятки лет, чтобы немного осознать свое «я»
но осознать вселенную (хотя бы до луны), мне наверно и жизни не хватить (
speakingfish
22.09.2017 14:35+1А как же Пандо?
Пандо считается единым живым организмом на основании идентичных генетических маркеров и общей корневой системы. Клональная колония охватывает площадь равную 43 гектарам, вес растения оценивается в 6000 тонн, что делает его самым тяжёлым известным организмом. Возраст зарождения оценивается в 80 тысяч лет.
Есть и другие Клональные растения.KinsleR
22.09.2017 15:07+1они ж клоны сами себе, не единичное
Zenitchik
22.09.2017 15:41+1Корневая система же общая. При таком раскладе становится трудно определить, одно это растение или несколько.
KinsleR
22.09.2017 15:45+1у нас как бы и определения жизни то нет, не то что клон не клон эти растения. Статья основанная целиком на предположениях. Это как строить график кривой по одной единственной точке. Если посмотреть на нашей планете — вариабельность живых организмов огромна, а уж что там скрывает космос… даже основываясь на одинаковых физических законах…
Zenitchik
22.09.2017 15:48+1вариабельность живых организмов огромна
Смотря что считать различиями. Скажем, биохимически наша жизнь весьма однообразна. Только бактерии с археями радуют возможностями метаболизма.
у нас как бы и определения жизни то нет,
С точки зрения таксономии следовало бы считать, что современная земная жизнь — это LUCA и все его/её потомки. Для инопланетной жизни или жизни времён LUCA — нужно отдельное определение. И это правильно. Любая жизнь, не родственная земной, не ближе к нам, чем минералы.KinsleR
22.09.2017 15:50я уверен что у папортника или гриба — биохимия очень отлична от моей. тут же вообще живые существа, не обязательно животные. Или вон мшанка какая она кто?
Zenitchik
22.09.2017 15:52+2я уверен что у папортника или гриба — биохимия очень отлична от моей
Да с чего Вы это взяли? У всех эвкариот ±лапоть одно и то же. Если что-то разное — так это из-за внутриклеточных симбионтов (которые у эвкариот тоже не шибко разнообразные). Бактерии только отличаются разнообразием способов питания.KinsleR
22.09.2017 15:57-1Не суть, пока мы не найдем жизнь где-то еще кроме одной планеты, ничего не известно, кроме грубых прикидок.
Квантовый компьютер на двумерной поверхности нейтронной звезды? Плазменные амебы, живые воздушные шары на холодных юпитерах, не обязательно ж белком ограничиватьсяZenitchik
22.09.2017 16:14+2Ну я и говорю: для других жизней нужны другие определения. Жизни разного происхождения не обязаны подходить под какое бы то ни было общее определение, уже в силу разности происхождения.
KinsleR
22.09.2017 16:21Ответ на вопрос в заголовке статьи — может быть может, смотря что считать жизнью :)
Zenitchik
22.09.2017 16:34+1Строго говоря, у нас нет никакого основания использовать общее название для группы объектов, включающей земную жизнь и жизнь иного происхождения, но не включающей минералы. Поэтому и определение для такой группы не требуется.
speakingfish
22.09.2017 16:16+1Вне зависимости от количества стволов, растение считается одним, если имеет общий корень.
А самый большой по площади единичный живой организм — грибница тёмного опёнка в Орегоне. Она имеет площадь 8.9 km2. ВикипедияZenitchik
22.09.2017 16:35+2Гриб, строго говоря, не растение и не имеет корня. Тем не менее, грибницу, наверно, можно считать одним организмом.
Spaceoddity
22.09.2017 17:53Ну тогда уж а как же «Большой Барьерный риф»?
speakingfish
23.09.2017 13:16+1Кораллы — колониальные организмы. Единичные особи коралла имеют очень малый размер. Даже гигантские свободноплавающие Сифонофоры являются колониальными организмами, а не единичными экземплярами.
Zenitchik
24.09.2017 00:35+1В случае с сифонофорами, учитывая, что у них общее пищеварение, это вопрос терминологии.
Zombieff
22.09.2017 15:11+14Если предположить, что для нормального функционирования млекопитающего минимальная скорость метаболизма должна быть одной триллионной ватта на нанограмм
А если использовать нормальные единицы, то это 1 ватт на килограмм.
zaq1xsw2cde3vfr4
22.09.2017 17:47-2Статья от «мыслителя» с образом мышления «этого не может быть, потому, что не может быть никогда».
Во-первых давайте определимся что называть живым существом.
Во-вторых даже Земля изучена человечеством ОЧЕНЬ слабо + немалую часть составляют теории, которые то отвергаются, то дополняются и т.д., а Земля это настолько супер-гипер-мега малюпусенькая часть вселенной, что нужно быть полным дебилом, чтоб сделать вывод, что на Земле присутствует ВСЁ что возможно во вселенной.
tangro
22.09.2017 18:50+2
DaneSoul
22.09.2017 19:45+1Можно посмотреть на вопрос шире: обязательно ли всем частям организма быть тесно друг с другом сцепленными, если между ними идет постоянный обмен информацией и сообща они представляют собой нечто значительно большее чем по отдельности?
Что если, например, все человечество целиком считать единым организмом?
Exchan-ge
23.09.2017 00:02«Если бы наш мозг 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 мозг 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»
По этой логике микромир просто заполнен живыми существами и сверхцивилизациями.
(Квантовая запутанность и проч, да :)
bro-dev
23.09.2017 03:58Смотря что считать живим организмом, нужно дать определение, просто можно и сейчас скакать что Земля это 1 организм такой.
i360u
23.09.2017 06:01+1Рассуждения строящиеся исключительно на "предположим" и "сложно представить". Ок. Человеку очень многое, реально существующее "сложно представить", а его "предположим" — основано на экстраполяции его субъективного опыта, ничтожного в масштабах вселенной. Мы — рабы того, что делает возможным наше-же мышление — классификации всего сущего на уровне объектов и сред.
El_bruja_de_la_tristefigu
23.09.2017 15:50+1Действительно, статья несколько ограничена узким определением живого. Зачем искать возможность существования огромного существа, сопоставимого со сложностью с человеком, когда есть куда более простые способы организации жизни?
firk
23.09.2017 15:51С 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.
Большие масштабы расстояний — большие масштабы времени. Всяким мошкам-однодневкам скорость людской жизни тоже покажется невообразимо медленной. Пусть такому существу нужен будет миллиард лет, чтобы сформироваться, а потом ещё 100 миллиардов лет оно будет жить — это не такая уж и проблема для него.
KivApple
24.09.2017 03:10+2Тут как минимум есть ограничение в одну сторону — вселенная зародилась конечное количество лет назад. Так что текущий уровень развития этих гипотетических существ очень ограничен. А в случае верности гипотезы о тепловой смерти вселенной, они могут и не успеть ничего толком осмыслить. К тому же, они должны появиться эволюционным путём, а при таком длинном жизненном цикле эволюция будет очень-очень медленной.
arheops
24.09.2017 02:53-1Все предположения довольно странные.
Возможны организмы, которые НЕ используют кости для поддержания веса — медузы например(или их аналоги в плотной атмосфере планет 10G+).
Возможны организмы, имеющие сквозной канал через все тело — те же черви, который может быть использован для охлаждения тела в водной среде. Да даже осьминог с его реактивным передвижением вполне способен использовать воду как охладитель. Кровеносная система млекопитающих вобщемто этим и занята(через легкие, у тех же кошек).
Рассуждения о существах размером с галактику — вообще беспредметные на нашем уровне развития, возможно такое существо имея размеры с планету научилося делать микро-гравитационные или другие всплески(например чревоточины нужной направлености) для общения с другими своими частями сравнимого размера, вычислительная мощность такого существа вполне может превосходить мощность нашей цивилизации(причем за всю теоретическую возможную историю).
Alv
24.09.2017 14:24-2Складывается впечатление, что предполагается, что мозг размером с галактиу должен выглядеть и быть организован как человеческий мозг (ну или мозг земного млекопитающего). А по факту, мы ведь даже о человеческом мозге не знаем, как именно передаётся информация, действует ли аналоговый принцип или цифровой. Вполне вероятно, наш мозг кодирует информацию не самым оптимальным способом, и мы ведь фактически зависим от биохимических процессов, которые тоже где-то могут тормозить мыслительный процесс.
И даже при этом наш мозг во многом использует распределённые вычисления, когда разные части мозга обрабатывают до какой-то степени информацию, и передают её уже в полуготовом виде дальше. Для мозга размером с галактику это тем более может быть справделиво.
И мозг размером с галактику, возможно, вполне может себе позволить сохранять больше информации, не пережимать её, как делает человеческий. И так далее. Не обязательно же просто растягивать все нервные клетки в 1000 раз и считать, что получится.
NobodyIsHere
Что значит последняя фраза?
EndUser
="не случайно"