生物体型能像银河那么大吗?

2016-05-28 Laughlin 利维坦
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利维坦按:仔细想想蜜环菌实在吓人,这种真菌个体就像神经网络一样在地下四处延伸……这还和那些类似白蚁建造的巨大巢穴似的“超有机体”不一样,俄勒冈州的那个蜜环菌就如同人的大脑,但足足覆盖了直径四公里的范围!


这篇文章虽然不长,但回味无穷,尤其是对于我们的大脑如果变为太阳系那么大的假想分析,实在精妙。不过,别说增大到太阳系那么大了,如果按照神经传输的速度计算(每小时300千米,类似一辆GT-R的速度?),“我们的大脑和神经元都增大到现在的10倍,并保持寿命和神经信号传导速度不变,那么我们的一生的思维总量就会减少十分之九”……



文/Gregory Laughlin

译/千尔玉(在水译方)

校对/果然多多、凤梨

原文/nautil.us


为什么生命体的尺寸仅限于我们在地球上所看到的大小?


宇宙中一切事物都有大小,小至从10的负19次方米的夸克作用,大到10的26次方米之外的宇宙界限。据我们目前所知,在这45个可能的数量级中,生命体的尺度只局限在约9个数量级的较小范围内,大概居于宇宙各事物尺度的中间段:细菌和病毒还不到1微米(即10的负6次方米),最高的树却高达100米。如果把美国俄勒冈州蓝山林区的蜜环菌(The honey fungus)群落视作一个生物活体,它可以覆盖绵延4公里以上的地区。就我们所知的有感知能力的生命而言,其尺度范围甚至更小,大约有三个数量级。


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一个蜜环菌孢子(或菌丝片段)在适宜的条件下,在土壤中萌发,形成菌丝,菌索向四周延伸,经过长年累月的积累所覆盖的地区面积,质量大小指的是对蜜环菌地下部分的估测。


会有例外吗?


计算理论的发展表明,要拥有感知能力与智能可能需要数以万亿计的“电路”基元。我们的大脑由神经元构成,而神经元在本质上就是分工明确协同工作的单细胞生物体。因此我们可以得出结论,生物计算机要想展现出人类具有的能力,它应该与人脑差不多大。


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北美红杉。约束:与加州红杉国家公园的巨型红杉树一样,北美红杉的高度是引力与蒸腾作用、水吸附力、植物木质部的表面张力相平衡的结果。图源:lucky-photographer/iStock


想象一下在人工智能系统里建立比我们的神经元还要小的元件。例如,如今电路元件就远远小于神经元。但它们的行为方式也更简单,且需要上层结构的支持(能量、冷却、交际),而这种上层结构体型庞大。因此,虽然人工智能产物由完全不同于人体的材料和结构构成,第一个真正的人工智能产物可能与我们身体的大小相差无几,这再次表明“米”级体型有一些特别之处。


如果我们的大脑和神经元都增大到现在的10倍,那么我们的一生的思维总量将会减少十分之九。


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威廉·S·巴勒斯(1914-1997)和他的小说《爆炸的车票》


生物体型是否有上限呢?威廉·S·巴勒斯在他的小说《爆炸的车票》(The Ticket That Exploded)中有这样的想象,在一种星球地底有“一种接近绝对零度的巨大矿物意识,在晶体缓慢形成的过程中进行思考”。天文学家弗雷德·霍伊尔曾经栩栩如生地描述过一种有意识的超级智能“黑云”,其体型与地球和太阳之间的距离近似。他的这一想法是“戴森球”(Dyson sphere)概念的灵感来源,戴森球是一个包裹住恒星从而获取其大部分能量的巨大结构。这一点也得到了我(本文作者)和我的同事弗雷德·亚当斯的证实。我们通过计算证明,在当今的银河系中,由垂死红巨星(是恒星的一种衰变状态,根据恒星质量的不同,存在期只有数百万年不等。质量通常约为0.5至8个太阳质量,质量更大的称为红超巨星,质量再大的为红特超巨星)释放的黑风会催生出最有效的信息处理结构。在几万年的过程中,包裹着尘埃的红巨星提供足够的能量、熵梯度和原材料,极可能超过十亿个类似地球的行星生物圈所需。


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戴森球是弗里曼·戴森假想出的包围母恒星的巨大球形结构,它可以捕获大部分或者全部的恒星能量输出。戴森认为戴森球是长期生存技术文明对于能量需求增长的必然需求,并认为寻找其存在的证据可以引导发现的先进和智慧的外星生命。图为戴森球的一种变体。这种大规模人造物会大幅度改变恒星的光谱。


这样的生命形式可以有多大?有趣的想法不仅需要复杂的大脑,还要有足够的时间来表达。神经传输的速度大约为每小时300千米,说明信号在人脑里的传导时间约为1毫秒。人类的一生要发生2万亿次信息传导(并且每一次都会被丰富且大规模平行的计算结构有效放大)。如果我们的大脑和神经元都增大到现在的10倍,并保持寿命和神经信号传导速度不变,那么我们的一生的思维总量就会减少十分之九。


如果我们的大脑变得像太阳系一样大,神经信号以光速传递,那么同样多的信息穿越所需要的时间会超过整个宇宙现在的年龄,则根本没有时间完成进化。如果我们的大脑有银河系那么大,问题会更严重。太阳系从其形成开始,所拥有的时间只够一万条信息从银河一端传到另一端。因此,可以说很难想象任何像人脑一样复杂的生命体能大于恒星量级。即使它们存在,也没有足够的时间做什么。


值得注意的是,环境对实体的限制也将生命体型局限在和智能生物差不多大小的尺寸内。由于不能将根部的水分送到100米以上的高空,北美红杉的高度受到限制,这种上限是地球引力(将水分往地面方向吸引)和蒸腾作用、吸附力、植物木质部的表面张力(将水分往上送)共同作用的结果。如果我们假设大部分宜居星球的引力和大气压在地球的10倍以内,那么宇宙中生物体型就会有几个数量级的相同上限。


如果我们假定大部分生命只与行星,卫星或小行星有关,那么引力会为它们设置一个自然大小。星体越大,引力越强,施加在动物骨骼(或其他类似构造)力量就会增加——早在17世纪末克里斯蒂安·惠更斯就提出过这种说法。因此动物必须增加它骨骼的横截面来承受更大的力量,而这种力量与动物体型的平方成正比。因为体型增长体重就会增加,所以动物这种尝试改变身体的努力最后往往适得其反。一般来说,陆生动物的体重上限会随引力的增强而呈线性下降。反之,如果一个行星的引力只有地球的十分之一,那么这个星球上的动物可能比地球上的大10倍。


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推测:荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯在1722年的刊物中推测行星的大小是怎样影响其表面生物大小的。图源:谷歌图书搜索


但是,行星的大小也有下限——如果行星太小(小于地球质量的十分之一),就不能依靠引力吸引大气。这样宇宙生物体型又被限制在地球生命的10倍左右。


生物体还需要散热。计算机芯片的设计者一直要面临计算过程中散热的挑战。生物也有同样的问题:大型动物的体积和表面积(也就是“皮肤”)的比率很高。由于皮肤是用来散热的,而身体是热量的来源,所以大型动物在散热方面效率较低。早在20世纪30年代,马克思·克莱伯就指出,地球上动物体重每上升0.25次幂,每千克的代谢速率会成比例下降。事实上,如果这种产热速率不降低,大型动物真的会把自己热死(阿提西·巴蒂亚和罗伯特·克鲁维奇生动演示了这一点)。假定哺乳动物生存需要的最小全身代谢速率是每毫微克一万亿分之一瓦特,因受散热限制,生物的体重上限是100多万公斤,大于地球有史以来最大的动物——蓝鲸。


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蓝鲸


理论上来说,人们可以想象更大的动物。我们可以根据兰道尔最小计算能量的原理,假定一个超大的、超级迟钝的多细胞生物只将能源用于缓慢地复制细胞,这时我们发现机械支持问题胜过热传导,成为限制生物生长的最终因素。尚不清楚这种量级的动物会做什么或如何进化。


查尔斯和蕾·伊姆斯夫妇(Charles and Ray Eames)的经典短片《十的次方》(Powers of Ten)大约拍摄于40年前,但是其影响非常深远。例如,量级估算作为科学课程一个标准方面,就与这部短片相关。并且这则视频也是谷歌地球等地图应用软件设计的直接灵感来源:



直观感受一下我们人类自己的渺小和伟大……


《十的次方》最大的影响在于叙述微观世界(在这一世界,镜头从芝加哥湖边的野餐降低到亚核数量级)和宏观世界(在这一世界,镜头不断拉远,从地球迅速拉到宇宙的巨大量级)时惊人的对称。


作为一种有感知力的存在,我们能够同时看见并验证宇宙宏观微观两个量级,仅仅是因为运气吗?


应该不是。


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关于作者:


格雷戈里·劳克林(Gregory Laughlin)是美国加州大学圣克鲁斯分校的天文与天体物理学教授。他与别人合著了《宇宙的五个时代——关于“永恒”的物理学》(The Five Ages of the Universe—Inside the Physics of Eternity),并在oklo.org上发表。






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利维坦”(微信号liweitan2014),神经基础研究、脑科学、哲学……乱七八糟的什么都有。反清新,反心灵鸡汤,反一般二逼文艺,反基础,反本质。


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