Une créature vivante peut-elle avoir la taille d'une galaxie?

Pourquoi la vie est-elle limitée aux dimensions que nous rencontrons sur Terre

La taille des objets de notre Univers varie d'une petite échelle de 10 à 19 m, sur laquelle interagissent les quarks, jusqu'à l'horizon cosmique, situé à 10 à ²⁶ mètres de nous. Dans ces 45 ordres de grandeur admissibles, la vie que nous connaissons est limitée par un intervalle relativement petit, de seulement 9 ordres, situé approximativement au milieu de l'universel: les bactéries et les virus font moins d'un micron, 10 ^-6 mètres, et la hauteur des plus grands arbres atteint environ 100 m. Agaris au miel, ou armillaria [Les Américains les appellent champignons au miel - env. trans.], vivant au pied des Blue Mountains dans l'Oregon, sont susceptibles d'être un seul organisme qui s'étend sur 4 kilomètres de diamètre. La vie intelligente connue a une échelle encore plus petite, de l'ordre de trois ordres de grandeur.

Mais pourrait-il en être autrement?

Les progrès de la théorie computationnelle suggèrent que la conscience et l'intellect nécessitent des quadrillions d'éléments primitifs - «contours». Étant donné que notre cerveau est composé de neurones, qui en eux-mêmes sont en fait des organismes unicellulaires coopératifs spécialisés, nous pouvons conclure qu'un ordinateur biologique doit être de taille comparable au cerveau afin de démontrer nos capacités.



Nous pouvons supposer la possibilité de créer des neurones plus petits que les nôtres pour les systèmes d'intelligence artificielle. Les éléments des circuits électriques sont désormais beaucoup plus petits que les neurones. Mais leur comportement est plus simple, de plus, ils nécessitent une superstructure les supportant (alimentation en énergie, refroidissement, communication), ce qui prend beaucoup de place. Très probablement, les premiers systèmes intelligents seront comparables en taille à nos corps, malgré le fait qu'ils seront basés sur des matériaux et des architectures fondamentalement différents. Cela suggère également qu'il y a quelque chose de spécial dans l'échelle du mètre.

Qu'en est-il de la fin de l'échelle gigantesque? William Burroughs, dans son roman The Ticket That Burst, a imaginé que sous la surface de la planète se trouve "une énorme conscience inorganique proche de la pensée du zéro absolu dans les dépôts non précipités d'un cristal". L'astronome Fred Hoyle a écrit de façon dramatique et convaincante sur le "nuage noir" intelligent et super intelligent, dont la taille est comparable à la distance de la Terre au Soleil. Son idée a précédé les sphères de Dyson, des structures massives qui entourent complètement l'étoile et lui enlèvent la majeure partie de son énergie. Elle est étayée par les calculs que mon collègue Fred Adams et moi faisons. Il s'avère que les structures les plus efficaces pour le traitement de l'information dans les galaxies d'aujourd'hui se trouvent dans les vents de suie soulevés par les géants rouges mourants. Pendant des dizaines de milliers d'années, les géantes rouges entourées de poussière fournissent la quantité d'énergie nécessaire, un gradient d'entropie suffisamment grand et suffisamment de matière première pour potentiellement dépasser la capacité estimée de la biosphère d'un milliard de planètes terrestres.

Quelle taille peuvent avoir ces formes de vie? Les pensées intéressantes nécessitent non seulement un cerveau complexe, mais aussi suffisamment de temps pour être formulées. La vitesse de transfert d'informations dans les neurones est de 300 km / h, c'est-à-dire que le signal traverse le cerveau humain en environ 1 ms. Il s’avère que 2 billions de ces transitions s’intègrent dans la vie d’une personne (et chacune d’elles est renforcée par une structure riche et extrêmement parallélisée). Si notre cerveau et nos neurones étaient 10 fois plus longs et que la durée de vie et la vitesse des signaux ne changeaient pas, nous aurions 10 fois moins de pensées dans toute notre vie.

Si notre cerveau atteignait la taille du système solaire et que les signaux y étaient transmis à la vitesse de la lumière, alors pour transmettre une quantité similaire de messages, il faudrait tout l'âge actuel de l'Univers, ce qui ne laisserait pas le temps d'évoluer. Si le cerveau avait la taille de notre galaxie, le problème deviendrait encore plus aigu. Dès le moment de sa formation, il y aurait assez de temps pour que 10 000 messages le traversent de bout en bout. Par conséquent, il est assez difficile d'imaginer des formes de vie d'une complexité comparable à celles des humains, occupant des échelles qui dépassent largement la taille d'une étoile. S'ils existaient, ils n'auraient pas assez de temps pour quoi que ce soit.

Fait intéressant, les contraintes environnementales appliquées aux corps physiques limitent également la vie à la taille nécessaire à l'émergence de l'intelligence. La hauteur des séquoias les plus élevés est limitée par leur incapacité à élever l'eau à plus de 100 mètres - cette restriction est une combinaison de la force gravitationnelle sur Terre (tirant l'eau vers le bas), et de l'évaporation, du mouillage et de la tension superficielle dans le xylème (le tirant vers le haut). Si nous supposons que la gravité et la pression atmosphérique sur d'autres planètes ne différeront pas de la Terre de plus de 10 fois, nous obtiendrons les mêmes restrictions qui ne diffèrent pas de plus de quelques ordres de grandeur.

Si nous supposons également que la majeure partie de la vie est liée aux planètes, aux lunes ou aux astéroïdes, la gravité définit également une échelle naturelle. Avec l'augmentation de la planète et l'augmentation de sa gravité, la force agissant sur les os (ou leur équivalent) d'animaux hypothétiques augmente - Christian Huygens a écrit à ce sujet au 17ème siècle. L'animal aurait besoin d'augmenter la section transversale des os pour résister à une telle force, et elle augmente comme le carré de la taille de l'animal. Cependant, ces effets s'estompent rapidement à mesure que le poids corporel augmente, comme un cube de taille. En moyenne, la masse maximale des organismes terrestres mobiles diminue approximativement linéairement avec une augmentation de la gravité. En conséquence, sur une planète avec une gravité 10 fois inférieure à celle de la Terre, les animaux pourraient vivre 10 fois plus.



Mais il existe des tailles minimales pour les planètes - si elle est plus petite (moins d'un dixième de la masse de la Terre), elle ne pourra pas contenir l'atmosphère. Encore une fois, nous sommes limités par un facteur 10 par rapport aux tailles que nous voyons sur Terre.

La vie doit également être refroidie. Les développeurs de puces informatiques ont constamment du mal à éliminer la chaleur générée par l'informatique. Les êtres vivants ont le même problème: les gros animaux ont un rapport volume / surface élevé ou peau. Comme la peau est responsable du refroidissement de l'animal et que la chaleur est générée par le volume, les gros animaux sont moins efficacement refroidis. Comme Max Kleiber l'a calculé pour la première fois dans les années 1930, le taux métabolique par kilogramme chez les animaux terrestres diminue proportionnellement à la masse de l'animal au degré de 0,25. En effet, si la vitesse de chauffe ne diminuait pas, les gros animaux seraient simplement cuits. Si nous supposons que pour le fonctionnement normal d'un mammifère, le taux métabolique minimum devrait être d'un billion de watts par nanogramme, nous atteindrons la taille maximale des organismes de l'ordre d'un million de kilogrammes - ce qui est moins de 10 fois la masse du rorqual bleu, probablement le plus grand jamais vécu. Organismes terrestres.

Vous pouvez, en principe, imaginer des animaux de plus grande taille. Sur la base du principe Landauer , qui décrit la quantité minimale d'énergie nécessaire aux calculs, et en supposant que les ressources énergétiques d'un organisme multicellulaire lent et supermassif ne sont dépensées que pour la reproduction lente de ses cellules, nous constatons que les problèmes de son support mécanique dépassent les problèmes d'élimination de la chaleur et servent de principal facteur limitant de la croissance . Mais à une telle échelle, il devient difficile de savoir ce qu'une telle créature ferait ou comment elle apparaîtrait à la suite de l'évolution.

Le film classique "Ten Degrees" a été tourné il y a quatre décennies, mais son influence est très profonde. Il peut être associé, par exemple, au fait que les estimations ordinales sont fermement établies dans l'usage scientifique, et il a servi d'inspiration pour la création d'un logiciel cartographique, tel que Google Earth.



L'influence du film est renforcée par l'étonnante symétrie de l'histoire entre l'immersion dans le micromonde (dans lequel l'observateur plonge vers l'intérieur à partir d'une échelle de pique-nique sur les rives du lac Chicago à une échelle subnucléaire) et le mouvement dans le macroconde (dans lequel nous nous envolons de la Terre et de son contenu dans des échelles d'espace gigantesques) .

Est-ce par hasard que nous, êtres rationnels, avons pu nous déplacer dans les deux sens et étudier les grandes et petites échelles de l'Univers? Probablement pas.

Gregory Laughlin est professeur d'astronomie et d'astrophysique à l'Université de Californie à Santa Cruz. Co-auteur du livre « Cinq ères de l'univers - à l'intérieur de la physique de l'infini », écrit un blog sur oklo.org.