¿Por qué la vida se limita a las dimensiones que encontramos en la Tierra?
El tamaño de los objetos de nuestro Universo varía desde una pequeña escala de
10-19 m, en la que interactúan los quarks, hasta el horizonte cósmico, ubicado a 10
26 metros de nosotros. En estos 45 órdenes de magnitud admisibles, la vida que conocemos está limitada por un intervalo relativamente pequeño, de solo 9 órdenes, ubicado aproximadamente en el medio de lo universal: las bacterias y los virus tienen menos de una micra,
10-6 metros, y la altura de los árboles más grandes alcanza unos 100 m. Honey agaris o armillaria [Los estadounidenses los llaman setas de miel - aprox. trans.], que viven al pie de las Montañas Azules en Oregon, es probable que sean un solo organismo que se extiende más de 4 kilómetros de ancho. La vida inteligente conocida tiene una escala aún más pequeña, en la región de tres órdenes de magnitud.
¿Pero podría ser diferente?
El progreso de la teoría computacional sugiere que la conciencia y el intelecto requieren billones de elementos primitivos: "contornos". Dado que nuestro cerebro está formado por neuronas, que en sí mismas son, de hecho, organismos unicelulares cooperativos especializados, podemos concluir que una computadora biológica debe ser comparable en tamaño al cerebro para demostrar nuestras capacidades.
Podemos asumir la posibilidad de crear neuronas más pequeñas que la nuestra para sistemas de inteligencia artificial. Los elementos de los circuitos eléctricos son ahora mucho más pequeños que las neuronas. Pero su comportamiento es más simple, además, requieren una superestructura que los soporte (suministro de energía, refrigeración, comunicación), lo que ocupa mucho espacio. Lo más probable es que los primeros sistemas inteligentes sean comparables en tamaño a nuestros cuerpos, a pesar del hecho de que se basarán en materiales y arquitecturas fundamentalmente diferentes. Esto también sugiere que hay algo especial en la escala del medidor.
¿Qué pasa con el final de la escala gigantesca? William Burroughs, en su novela El boleto que estalló, imaginó que debajo de la superficie del planeta hay "una gran conciencia inorgánica cerca del cero absoluto pensando en depósitos de cristal sin prisa". El astrónomo
Fred Hoyle escribió dramática y convincentemente sobre la "Nube Negra" inteligente y súper inteligente, cuyo tamaño es comparable a la distancia de la Tierra al Sol. Su idea precedió a las esferas de Dyson, estructuras masivas que rodean completamente a la estrella y le quitan la mayor parte de su energía. Está respaldado por los cálculos que mi colega Fred Adams y yo hacemos. Resulta que las estructuras más eficientes para procesar información en las galaxias de hoy en día se pueden encontrar en vientos hollín levantados por los gigantes rojos moribundos. Durante decenas de miles de años, los gigantes rojos rodeados de polvo proporcionan la cantidad necesaria de energía, un gradiente de entropía lo suficientemente grande y suficiente materia prima para superar potencialmente la capacidad estimada de la biosfera de mil millones de planetas terrestres.
¿Qué tan grandes pueden ser estas formas de vida? Los pensamientos interesantes requieren no solo un cerebro complejo, sino también tiempo suficiente para formularlo. La velocidad de transferencia de información en las neuronas es de 300 km por hora, es decir, la señal cruza el cerebro humano en aproximadamente 1 ms. Resulta que 2 trillones de tales transiciones encajan en la vida de una persona (y cada una de ellas se ve reforzada por una estructura rica y extremadamente paralela). Si nuestro cerebro y nuestras neuronas fueran 10 veces más largas, y la vida útil y la velocidad de las señales no cambiaran, tendríamos 10 veces menos pensamientos en toda nuestra vida.
Si nuestro cerebro creciera al tamaño del sistema solar, y las señales se transmitieran a la velocidad de la luz, transmitir una cantidad similar de mensajes requeriría toda la era actual del Universo, lo que no dejaría tiempo para la evolución. Si el cerebro fuera del tamaño de nuestra galaxia, el problema se agudizaría aún más. Desde el momento de su formación, habrá tiempo suficiente para que solo 10,000 mensajes lo crucen de punta a punta. Por lo tanto, es bastante difícil imaginar formas de vida con una complejidad comparable a las humanas, ocupando escalas que exceden en gran medida el tamaño de una estrella. Si existieran, no tendrían suficiente tiempo para nada.
Curiosamente, las restricciones ambientales aplicadas a los cuerpos físicos también limitan la vida al tamaño necesario para el surgimiento de la inteligencia. La altura de las secuoyas más altas está limitada por su incapacidad para elevar el agua a más de 100 metros de altura; esta restricción es una combinación de la fuerza gravitacional en la Tierra (jalar el agua hacia abajo) y la evaporación, la humectación y la tensión superficial en el xilema (jalar hacia arriba). Si suponemos que la gravedad y la presión atmosférica en otros planetas no diferirán de la Tierra en más de 10 veces, obtendremos las mismas restricciones que difieren en no más de un par de órdenes de magnitud.
Si también suponemos que la mayor parte de la vida está ligada a planetas, lunas o asteroides, entonces la gravedad también establece una escala natural. Con el aumento del planeta y el aumento de su gravedad, aumenta la fuerza que actúa sobre los huesos (o su equivalente) de animales hipotéticos:
Christian Huygens escribió sobre esto en el siglo XVII. El animal necesitaría aumentar la sección transversal de los huesos para resistir tal fuerza, y aumenta al cuadrado del tamaño del animal. Sin embargo, estos efectos se desvanecen rápidamente, a medida que aumenta el peso corporal, como un cubo de tamaño. En promedio, la masa máxima de organismos terrestres móviles disminuye aproximadamente linealmente con un aumento de la gravedad. En consecuencia, en un planeta con gravedad 10 veces menor que en la Tierra, los animales podrían vivir 10 veces más.
Pero hay tamaños mínimos para los planetas: si es más pequeño (menos de una décima parte de la masa de la Tierra), no podrá mantener la atmósfera. Nuevamente, estamos limitados por un factor de 10 en relación con los tamaños que vemos en la Tierra.
La vida también necesita ser enfriada. Los desarrolladores de chips de computadora luchan constantemente para eliminar el calor generado por la informática. Los seres vivos tienen el mismo problema: los animales grandes tienen una alta relación de volumen con el área de superficie o con la piel. Como la piel es responsable del enfriamiento del animal, y el calor es generado por el volumen, los animales grandes se enfrían menos eficientemente. Como
Max Kleiber calculó por primera vez en la década de 1930, la tasa metabólica por kilogramo en animales terrestres disminuye en proporción a la masa del animal en el grado de 0.25. De hecho, si la velocidad de calentamiento no disminuye, los animales grandes simplemente se cocinarían. Si suponemos que para el funcionamiento normal de un mamífero, la tasa metabólica mínima debería ser de un billón de vatios por nanogramo, alcanzaremos el tamaño máximo de organismos del orden de un millón de kilogramos, que es menos de 10 veces la masa de la ballena azul, probablemente la más grande jamás vivida Organismos de la tierra.
Puedes, en principio, imaginar animales de mayor tamaño. Basado en
el principio de Landauer , que describe la cantidad mínima de energía necesaria para los cálculos, y suponiendo que los recursos energéticos de un organismo multicelular lento supermasivo se gastan solo en la reproducción lenta de sus células, descubrimos que los problemas de su soporte mecánico superan los problemas de eliminación de calor y son el principal factor limitante para el crecimiento . Pero a tal escala, no queda claro qué haría una criatura o cómo aparecería como resultado de la evolución.
La película clásica "Diez grados" se filmó hace cuatro décadas, pero su influencia es muy profunda. Puede asociarse, por ejemplo, con el hecho de que las estimaciones ordinales están firmemente establecidas en el uso científico, y sirvió de inspiración para la creación de software cartográfico, como Google Earth.
La influencia de la película se ve reforzada por la sorprendente simetría en la historia, que actúa entre la inmersión en el micromundo (en el que el observador se sumerge hacia adentro desde una escala de picnic en las orillas del lago Chicago en una escala subnuclear) y el movimiento en el macromundo (en el que volamos lejos de la Tierra y sus contenidos en escalas gigantescas del espacio) .
¿Fue por casualidad que nosotros, seres racionales, pudimos movernos en ambas direcciones y estudiar las escalas grandes y pequeñas del Universo? Probablemente no.
Gregory Laughlin es profesor de astronomía y astrofísica en la Universidad de California en Santa Cruz. Coautor del libro " Cinco eras del universo: dentro de la física del infinito " , escribe un blog en oklo.org.