Может ли живое существо быть размером с галактику?

Почему жизнь ограничена теми размерами, которые мы наблюдаем на Земле.

Размеры вещей в нашей вселенной находятся в диапазоне от 10-19 метра (характеристика кварковых взаимодействий) до космических горизонтов на удалении порядка 1026 степени метра. В рамках этих 45 порядковых величин жизнь, насколько нам известно, ограничена довольно небольшим диапазоном, немного превышающим девять порядковых величин и находящимся, примерно, в середине вселенской шкалы. Бактерии и вирусы по своей величине могут быть менее микрона (10-6 метра), тогда как размер самых высоких деревьев составляет приблизительно 100 метров. Гриб под названием опенок (honey fungus), растущий у подножья Голубых гор в штате Орегон, может доходить в длину до 4 километров, и это, как принято считать, единственное живое существо подобного размера. Что касается известной нам сознательной жизни, то ее диапазон будет еще меньше — примерно три порядка величин.

Но может ли ситуация быть иной?

Прогресс в теории вычислений предполагает, что и наука, и интеллект нуждаются в квадриллионах примитивных «схемных» элементов. С учетом того, что наш мозг состоит из нейронов, которые сами, по сути, являются специализированными объединенными одноклеточными организмами, мы можем сделать вывод о том, что биологические компьютеры по своим физическим размерам должны примерно соответствовать нашему мозгу для того, чтобы демонстрировать имеющиеся в нашем распоряжении возможности.

Мы можем себе представить создание нейронов в системах искусственного интеллекта, которые будут меньше по размеру, чем наши. Электронные элементы схемы, к примеру, сегодня существенно меньше наших нейронов. Но они также проще в своем поведении и требуют наличия суперструктуры поддержки (энергия, охлаждение, многосторонняя связь), которая занимает значительный объем. Вполне вероятно, что первый настоящий искусственный интеллект будет занимать такой объем, который не будет особенно отличаться от размеров нашего тела, хотя он и будет основан на фундаментально иных материалах и архитектурах, и это в очередной раз будет свидетельствовать о том, что есть нечто особенное относительно шкалы измерений.

А что можно сказать о том конце спектра, где располагаются суперразмеры? Уильям Берроуз (William S. Burroughs) в своем романе «Билет, который лопнул» (The Ticket That Exploded) представил себе, что под планетарной поверхностью находится «обширное минеральное сознание на уровне абсолютного нуля мышления в медленных формациях кристаллов». Астроном Фред Хойл (Fred Hoyle) весьма эмоционально и убедительно рассказал о научном гипер-интеллекте «Черное облако» (Black Cloud), сравнимым по величине с расстоянием от Земли до Солнца. Его идея является предвестницей концепции сфер Дайсона (Dyson), то есть масштабных структур, которые полностью окружают звезду и захватывают большую часть ее энергии. Эта теория поддерживается также вычислениями, которыми занимается мой коллега Фред Адамс (Fred Adams) и которые свидетельствуют о том, что наиболее эффективные структуры в современной галактике, занимающиеся обработкой информации, возможно, катализуются внутри темных ветров, образуемых умирающими звездами — красными гигантами. Эти красные гиганты производят энергию, достаточную для нескольких тысяч лет, что является достаточным количеством энтропийного градиента, а также достаточное количество исходного материала для потенциального полного расчета биосфер миллиардов похожих на Землю планет.

А какими могут быть, в таком случае, формы жизни? Интересные мысли требуют не только сложного мозга, но еще и достаточного количества времени для их формулирования. Скорость передачи информации в нервных клетках составляет примерно 300 километров в час, и это означает, что время прохождения сигнала в человеческом мозге составляет примерно 1 миллисекунду. В таком случае на человеческую жизнь приходится 2 триллиона единиц прохождений сообщений (и каждое прохождение, на самом деле, усиливается многократно запараллелельной вычислительной структурой). Если бы наш мозг и наши нейроны были в 10 раз больше, а продолжительность нашей жизни и скорость передачи сигналов в нейронах остались бы неизменными, то нам потребовалось бы в 10 раз меньше мыслей в течение всей нашей жизни.

КОЕсли бы наш мозг неимоверно увеличился в размерах и был бы по своему размеру сопоставим с нашей солнечной системой, а также обладал бы возможностью посылать сигналы со скоростью света, то на передачу такого же количество сообщений потребовалось бы все время существования вселенной, и тогда не осталось бы времени для того, чтобы эволюция могла бы совершить свою работу. Если бы наш мозг был размером с нашу галактику, то проблема стала бы еще более сложной. С момента ее формирования времени хватило бы лишь на передачу приблизительно 10 тысяч сообщений, которые смогли бы проделать путь от одного края галактики до другого. Поэтому трудно представить себе живые существа, сравнимые по сложности с человеческим мозгом, которые по своему размеру были бы сопоставимы со звездами. Если бы они существовали, то у них бы не было достаточного количества времени для того, чтобы, на самом деле, что-то сделать.

Удивительно то, что ограничивающее влияние среды на физические тела также заставляют жизнь быть примерно такого же размера, как того требует ее разум. Высота самого высокого красного дерева ограничивается его неспособностью закачивать воду вверх на высоту свыше 100 метров, и этот предел является комбинацией гравитационных сил Земли (которые притягивают воду к земле), а также транспирации, поглощения воды и поверхностного напряжения в ксилеме нашей планеты (которая поднимает ее вверх). Если мы предположим, что гравитационная сила и атмосферное давление большинства потенциально обитаемых планет будут находиться в пределах фактора 10 по отношению к земным условиям, то мы получим всего пару порядка величин такого же максимального ограничения.

Если мы также предположим, что большинство видов жизни будет связано с какой-то планетой, Луной или астероидом, то в таком случае гравитация также создаст естественную шкалу. Если планета становится больше, а ее гравитация более мощной, то нагрузка на кости (или на любой другой эквивалентный вариант) гипотетического животного увеличится — некоторые ученые говорили об этом еще в 17-ом веке, в том числе Христиан Гюйгенс. Такое животное вынуждено будет увеличить поперечное сечение своих костей для того, чтобы выдерживать большую силу, которая увеличивается на квадратный корень размера этого животного. Подобного рода усилия, направленные на формирование тела, в конечном итоге, закончатся неудачей, поскольку масса увеличивается на порядок увеличения тела в кубе. В целом, максимальная масса способного передвигаться земного организма будет уменьшаться почти линеарно в соответствии с увеличением силы гравитации. И, наоборот, планета, на которой гравитационные силы будут в 10 раз меньше, чем на Земле, потенциально может иметь животных, которые будут в 10 раз больше.

Однако существует предел того, насколько маленькой может быть планета — если она будет незначительной по размеру (примерно меньше одной десятой массы земли), то она не будет обладать достаточной силой для того, чтобы удержать свою атмосферу. Вновь мы ограничены рамками примерно коэффициента 10, который мы наблюдаем на Земле. Жизни, кроме того, требуется охлаждение. Создатели компьютерных чипов постоянно сталкиваются с вызовом, связанным с необходимостью отводить тепло, возникающее в результате проведения вычислительных процессов. Живые существа имеют ту же самую проблему: большие животные имеют высокий коэффициент объема по отношению к внешней поверхности, то есть к «коже». Поскольку именно кожа несет ответственность за охлаждение животного, а его размеры зависят от количества производимого тепла, большие животные обладают меньшей способностью охлаждения самих себя.

В 1930-х годах Макс Клейбер (Max Kleiber) впервые обратил внимание на то, что величина метаболизма сокращается пропорционально массе животного на коэффициент 0,25. И, действительно, если бы этот температурный режим не увеличивался, то крупные животные, в буквальном смысле слова, сварили бы себя (недавно это весьма ярко продемонстрировали Аатиш Батиа (Aatish Batia) и Роберт Крулвич (Robert Krulwich). Если мы предположим, что минимально необходимая для функционирования млекопитающего наблюдаемая величина метаболизма всего тела равняется одной триллионной ватта на нанограмм, то мы получим предельно ограниченный в температурном отношении организм размером свыше 1 миллиона килограммов, что больше синего кита — абсолютного рекордсмена среди животных на Земле с точки зрения размера.

© Norman Kuring, NASA/GSFC/Suomi NPPФотография планеты Земля

В принципе, можно себе представить «существо» намного большее по размеру. Если мы будем основываться на принципе Ландауэра, описывающем минимальное количество энергии, необходимого для вычислений, и если мы допустим, что энергетические источники сверхмассивного, сверхинертного многоклеточного организма занимаются только медленным воспроизводством клеток, то мы обнаружим, что проблемы механической поддержки превосходят по своему воздействию отвод тепла как конечный ограничительный фактор роста. Однако при таких величинах остается неясным, что будет делать подобное создание и как оно сможет развиваться.

Классический короткометражный фильм Чарльза и Реи Имз (Charles and Ray Eames) «Коэффициент десять» (Powers of Ten) был создан, примерно, сорок лет назад, однако его воздействие продолжает оставаться весьма значительным. Оно может быть связано, например, с возникновением оценок порядковых величин в качестве центрального аспекта научной программы, и, кроме того, этот фильм является прямым вдохновителем создания таких картографических программ как Google Earth.

Воздействие книги «Коэффициент десять» увеличивается за счет поразительной симметрии между нарративом направленного внутрь движения (в котором зритель опускается внутрь по шкале, начиная от пикника в Чикаго на берегу озера до уровня меньше ядра), и дуги направленного вовне движения (в котором изображение пульсирует с возрастающей скоростью, ставя Землю и ее содержание в рамки большой шкалы космоса).

Нам как разумным существам просто повезло, и мы получили способность двигаться в обоих направлениях, исследуя масштабы вселенной — как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения? Вероятно, это не так.

Грегори Лафлин — профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Крузе. Он также является соавтором книги «Пять возрастов вселенной — в глубинах физики вечности» (The Five Ages of the Universe—Inside the Physics of Eternity).