Kann ein Lebewesen die Größe einer Galaxie haben?

Warum ist das Leben auf die Dimensionen beschränkt, denen wir auf der Erde begegnen?

Die Größe der Objekte unseres Universums variiert von einem winzigen Maßstab von 10 bis ¹⁹ m, auf dem Quarks interagieren, bis zum kosmischen Horizont, der sich 10 bis ²⁶ Meter von uns entfernt befindet. In diesen zulässigen 45 Größenordnungen ist das uns bekannte Leben durch ein relativ kleines Intervall von nur 9 Ordnungen begrenzt, das sich ungefähr in der Mitte des Universums befindet: Bakterien und Viren sind kleiner als ein Mikrometer, 10 bis ⁶ Meter, und die Höhe der größten Bäume erreicht etwa 100 m. Honig-Agaris oder Armillaria [Amerikaner nennen sie Honigpilze - ca. trans.], die am Fuße der Blue Mountains in Oregon leben, sind wahrscheinlich ein einziger Organismus, der sich über 4 Kilometer erstreckt. Das bekannte intelligente Leben hat einen kleineren Maßstab im Bereich von drei Größenordnungen.

Aber könnte es anders sein?

Der Fortschritt der Computertheorie legt nahe, dass Bewusstsein und Intellekt Billiarden primitiver Elemente erfordern - „Konturen“. Da unser Gehirn aus Neuronen besteht, die an sich spezialisierte kooperative einzellige Organismen sind, können wir daraus schließen, dass ein biologischer Computer in seiner Größe mit dem Gehirn vergleichbar sein muss, um unsere Fähigkeiten zu demonstrieren.



Wir können die Möglichkeit annehmen, für künstliche Intelligenzsysteme kleinere Neuronen als unsere zu erzeugen. Elemente elektrischer Schaltkreise sind jetzt viel kleiner als Neuronen. Ihr Verhalten ist jedoch einfacher, außerdem benötigen sie einen sie unterstützenden Aufbau (Energieversorgung, Kühlung, Kommunikation), der viel Platz einnimmt. Höchstwahrscheinlich werden die ersten intelligenten Systeme in ihrer Größe mit unseren Körpern vergleichbar sein, obwohl sie auf grundlegend unterschiedlichen Materialien und Architekturen basieren werden. Dies deutet auch darauf hin, dass die Messskala etwas Besonderes enthält.

Was ist mit dem Ende der gigantischen Skala? William Burroughs stellte sich in seinem Roman The Ticket That Burst vor, dass unter der Oberfläche des Planeten "ein riesiges anorganisches Bewusstsein nahe dem absoluten Null-Denken in gemächlichen Ablagerungen eines Kristalls" ist. Der Astronom Fred Hoyle schrieb dramatisch und überzeugend über die intelligente und superintelligente "Schwarze Wolke", deren Größe mit der Entfernung von der Erde zur Sonne vergleichbar ist. Seine Idee ging Dysons Sphären voraus, massiven Strukturen, die den Stern vollständig umgeben und ihm den größten Teil seiner Energie entziehen. Dies wird durch die Berechnungen gestützt, die mein Kollege Fred Adams und ich machen. Es stellt sich heraus, dass die effizientesten Strukturen für die Verarbeitung von Informationen in heutigen Galaxien in rußigen Winden zu finden sind, die von den sterbenden roten Riesen aufgezogen werden. Seit Zehntausenden von Jahren liefern von Staub umgebene rote Riesen die notwendige Energiemenge, einen ausreichend großen Entropiegradienten und genügend Rohmaterial, um möglicherweise die geschätzte Kapazität der Biosphäre von einer Milliarde terrestrischer Planeten zu überschreiten.

Wie groß können diese Lebensformen sein? Interessante Gedanken erfordern nicht nur ein komplexes Gehirn, sondern auch genügend Zeit zum Formulieren. Die Geschwindigkeit der Informationsübertragung in Neuronen beträgt 300 km / h, dh das Signal durchquert das menschliche Gehirn in etwa 1 ms. Es stellt sich heraus, dass 2 Billionen solcher Übergänge in das Leben eines Menschen passen (und jeder von ihnen wird durch eine reichhaltige und extrem parallelisierte Struktur verstärkt). Wenn unser Gehirn und unsere Neuronen zehnmal länger wären und sich die Lebensdauer und Geschwindigkeit der Signale nicht ändern würden, hätten wir zehnmal weniger Gedanken in unserem gesamten Leben.

Wenn unser Gehirn auf die Größe des Sonnensystems anwachsen würde und die Signale mit Lichtgeschwindigkeit in ihm übertragen würden, würde die Übertragung einer ähnlichen Menge von Nachrichten das gesamte aktuelle Zeitalter des Universums erfordern, was keine Zeit für die Evolution lassen würde. Wenn das Gehirn die Größe unserer Galaxie hätte, würde das Problem noch akuter werden. Ab dem Moment seiner Entstehung würde es genug Zeit für nur 10.000 Nachrichten geben, die es von Ende zu Ende durchqueren. Daher ist es ziemlich schwierig, sich Lebensformen mit einer Komplexität vorzustellen, die mit der menschlichen vergleichbar ist und Skalen einnimmt, die die Größe eines Sterns weit überschreiten. Wenn sie existieren würden, hätten sie nicht genug Zeit für irgendetwas.

Interessanterweise beschränken die Umweltbedingungen für physische Körper das Leben auch auf die Größe, die für die Entstehung von Intelligenz erforderlich ist. Die Höhe der höchsten Mammutbäume wird durch ihre Unfähigkeit begrenzt, Wasser über 100 Meter nach oben zu heben - diese Einschränkung ist eine Kombination aus der Gravitationskraft auf der Erde (Wasser nach unten ziehen) und Verdunstung, Benetzung und Oberflächenspannung im Xylem (nach oben ziehen). Wenn wir davon ausgehen, dass sich die Schwerkraft und der atmosphärische Druck auf anderen Planeten nicht mehr als zehnmal von der Erde unterscheiden, erhalten wir dieselben Einschränkungen, die sich nicht mehr als ein paar Größenordnungen unterscheiden.

Wenn wir auch annehmen, dass der größte Teil des Lebens an Planeten, Monde oder Asteroiden gebunden ist, setzt die Schwerkraft auch eine natürliche Skala. Mit der Zunahme des Planeten und der Zunahme seiner Schwerkraft nimmt die Kraft zu, die auf die Knochen (oder deren Äquivalente) hypothetischer Tiere wirkt - Christian Huygens schrieb darüber im 17. Jahrhundert. Das Tier müsste den Querschnitt der Knochen vergrößern, um einer solchen Kraft standzuhalten, und er nimmt mit dem Quadrat der Größe des Tieres zu. Diese Effekte verschwinden jedoch schnell, wenn das Körpergewicht zunimmt, wie bei einem Würfel von Größe. Im Durchschnitt nimmt die maximale Masse mobiler terrestrischer Organismen mit zunehmender Schwerkraft annähernd linear ab. Dementsprechend könnten Tiere auf einem Planeten mit einer zehnmal geringeren Schwerkraft als auf der Erde zehnmal mehr leben.



Es gibt jedoch Mindestgrößen für Planeten - wenn sie kleiner sind (weniger als ein Zehntel der Masse der Erde), kann sie die Atmosphäre nicht halten. Auch hier sind wir relativ zu den Größen, die wir auf der Erde sehen, um den Faktor 10 begrenzt.

Das Leben muss auch gekühlt werden. Computerchip-Entwickler haben ständig Probleme, die durch das Computing erzeugte Wärme abzuleiten. Lebewesen haben das gleiche Problem: Großtiere haben ein hohes Verhältnis von Volumen zu Oberfläche oder Haut. Da die Haut für die Kühlung des Tieres verantwortlich ist und die Wärme durch das Volumen erzeugt wird, werden große Tiere weniger effizient gekühlt. Wie Max Kleiber erstmals in den 1930er Jahren berechnete, nimmt die Stoffwechselrate pro Kilogramm bei Landtieren proportional zur Masse des Tieres um 0,25 ab. In der Tat würden große Tiere einfach gekocht, wenn die Heizrate nicht abnehmen würde. Wenn wir davon ausgehen, dass für das normale Funktionieren eines Säugetiers die minimale Stoffwechselrate eine Billion Watt pro Nanogramm betragen sollte, erreichen wir die maximale Größe von Organismen in der Größenordnung von einer Million Kilogramm - das ist weniger als das Zehnfache der Masse von Blauwalen, wahrscheinlich die größte, die jemals gelebt hat Erdorganismen.

Sie können sich grundsätzlich größere Tiere vorstellen. Basierend auf dem Landauer-Prinzip , das die minimale Energiemenge beschreibt, die für Berechnungen benötigt wird, und unter der Annahme, dass die Energieressourcen eines supermassiven trägen mehrzelligen Organismus nur für die langsame Reproduktion seiner Zellen verwendet werden, stellen wir fest, dass die Probleme seiner mechanischen Unterstützung die Probleme der Wärmeabfuhr überholen und als Hauptbegrenzungsfaktor für das Wachstum dienen . In einem solchen Ausmaß wird jedoch unklar, was eine solche Kreatur tun würde oder wie sie als Ergebnis der Evolution erscheinen würde.

Der Filmklassiker "Ten Degrees" wurde vor vier Jahrzehnten gedreht, aber sein Einfluss ist sehr tief. Dies kann zum Beispiel mit der Tatsache in Verbindung gebracht werden, dass Ordnungsschätzungen im wissenschaftlichen Gebrauch fest verankert sind, und diente als Inspiration für die Erstellung kartografischer Software wie Google Earth.



Der Einfluss des Films wird durch die erstaunliche Symmetrie in der Geschichte zwischen dem Eintauchen in die Mikrowelt (in der der Betrachter von einer Picknickskala am Ufer des Chicagoer Sees im subnuklearen Maßstab nach innen stürzt) und der Bewegung in der Makrowelt (in der wir von der Erde wegfliegen und deren Inhalt in gigantische Raumskalen fliegen) verstärkt. .

War es Zufall, dass wir rationalen Wesen uns in beide Richtungen bewegen und die großen und kleinen Maßstäbe des Universums studieren konnten? Wahrscheinlich nicht.

Gregory Laughlin ist Professor für Astronomie und Astrophysik an der University of California in Santa Cruz. Der Co-Autor des Buches „ Fünf Epochen des Universums - In der Physik der Unendlichkeit “ schreibt einen Blog auf oklo.org.