私たちの宇宙にあるもののサイズは、クォークの相互作用を特徴付ける 10 メートルの小さなスケールから、10 メートル離れた宇宙の地平線までさまざまです。これらの 45 桁の可能性の中で、私たちが知る限り、生命は 9 桁強の比較的小さな範囲に限定されており、ほぼ普遍的な範囲の中間に位置します。細菌とウイルスは 1 ミクロン未満を測定できます。 、または10メートル、最大の木の高さは約100メートルに達します。オレゴン州のブルー マウンテンズに生息するミツバチは、直径約 4 km の単一の生物です。既知の感覚生命に関しては、規模の範囲はさらに小さく、約 3 桁です。
何か違うことはありますか?
計算理論の進歩は、感覚と知性が何千兆もの原始的な「回路」要素を必要とする可能性が高いことを示唆しています。私たちの脳はニューロンで構成されており、それ自体が本質的に専門化された協調的な単細胞生物であることを考えると、生物学的コンピューターは、私たちが持っている能力を発揮するためには、私たち自身の脳とほぼ同じ大きさである必要があると結論付けることができます。
人工知能システムで、私たち自身よりも小さいニューロンを構築することを想像できます。たとえば、電子回路要素は現在、ニューロンよりも大幅に小さくなっています。しかし、彼らは行動も単純で、かなりの量を占めるサポートの上部構造 (エネルギー、冷却、相互通信) を必要とします。最初の真の人工知能は、基本的に異なる材料と構造に基づいているにもかかわらず、私たち自身の体のサイズとそれほど変わらない体積を占める可能性が高く、メートル スケールに何か特別なものがあることを再び示唆しています.
スペクトルのスーパーサイズの端ではどうですか?ウィリアム S. バロウズ、小説 爆発したチケット 、惑星の表面の下には、「ゆっくりとした結晶の形成で思考する絶対ゼロに近い広大な鉱物意識」があると想像されています。天文学者のフレッド・ホイルは、地球と太陽の距離に匹敵する知覚力のある超知的な「黒い雲」について、劇的かつ説得力を持って書いています。彼のアイデアは、星を完全に取り囲み、そのエネルギーの大部分を捕らえる巨大な構造であるダイソン球の概念を予感させました。また、私の同僚であるフレッド・アダムズと私が行っている計算によっても裏付けられており、現在の銀河で最も効果的な情報処理構造は、死にかけている赤色巨星から放出されるすす風の中で触媒されている可能性があることを示しています。数万年の間、塵に覆われた赤色巨星は、十分なエネルギー、十分に大きなエントロピー勾配、および地球に似た 10 億個の惑星の生物圏を潜在的に凌駕するのに十分な原材料を提供します。
このような生命体はどれくらいの大きさになるのでしょうか?興味深い考えには、複雑な頭脳だけでなく、定式化のための十分な時間が必要です。神経伝達の速度は時速約 300 キロメートルで、これは人間の脳内で信号が交差する時間が約 1 ミリ秒であることを意味します。したがって、人間の生涯は 2 兆回のメッセージ交差時間で構成されます (そして、各交差時間は、豊富で大規模に並列化された計算構造によって効果的に増幅されます)。私たちの脳とニューロンの両方が 10 倍大きく、寿命と神経信号伝達速度が変わらないとしたら、一生のうちに考えることは 10 分の 1 になるでしょう。
もし私たちの脳が巨大に成長して太陽系のサイズになり、光速信号を特徴とするようになった場合、同じ数のメッセージの交差には、現在の宇宙の全年齢よりも多くの時間が必要になり、進化が機能する時間がなくなります。コース。脳が私たちの銀河と同じくらい大きかったら、問題はさらに深刻になります。その形成の瞬間から、私たちの銀河系の一方の側から他方の側に移動するメッセージは、わずか 10,000 件ほどしかありません。したがって、人間の脳に匹敵する複雑さを持ち、恒星サイズスケールよりも大きなスケールを占める生命のような実体を想像することは難しいと言えます。もし彼らが存在していたら、実際にするのに十分な時間がなかったでしょう
驚くべきことに、物理的な身体に対する環境の制約によって、生命は知性が必要とするサイズとほぼ同じサイズに制限されます。最も高いセコイアの高さは、空に 100 メートルを超える水を汲み上げることができないことによって制限されます。この制限は、地球上の重力 (水を下に引っ張る) と蒸散、水の付着、および植物の木部の表面張力（木部を押し上げる）。居住可能なほとんどの惑星の重力と大気圧が地球の 10 倍以内であると仮定すると、同じ最大限界の 2 桁以内に収まることになります。
また、ほとんどの生命が惑星、月、または小惑星に拘束されると仮定すると、重力も自然なスケールを設定します。惑星が大きくなり、その重力が強くなるにつれて、架空の動物の骨 (またはそれに相当するもの) にかかる力が増加します。これは 1600 年代後半までさかのぼって、Christian Huygens によって議論されました。したがって、その動物は、動物のサイズの 2 乗として増加するより大きな力を処理するために、骨の断面を大きくする必要があります。しかし、これらのボディービルの努力は、体のサイズが3乗になると質量が増加するため、最終的には自滅的です.一般に、移動する陸生生物の最大質量は、重力の強さの増加にほぼ比例して減少します。逆に、重力が地球の 10 分の 1 の惑星には、10 倍の大きさの動物がいる可能性があります。
しかし、惑星がどれだけ小さくできるかには限界があります。小さすぎると (地球の質量の約 10 分の 1 未満)、大気を重力で引き付けて維持することができなくなります。私たちは再び、地球上で見られるサイズの 10 倍程度に制限されています。
生活も冷やす必要があります。コンピューター チップの設計者は、計算によって発生する熱を除去するという固有の課題に常に直面しています。生物にも同じ問題があります。大きな動物は表面積、つまり「皮膚」に対する体積の比率が高いのです。皮膚は動物を冷やす役割を担っており、体積はすべての熱が発生する場所であるため、大きな動物は体を冷やす効率が低くなります。 1930 年代にマックス クライバーが最初に指摘したように、地球上の動物の 1 キログラムあたりの代謝率は、動物の質量の 0.25 乗に比例して減少します。実際、この加熱速度が低下しなければ、大型動物は文字通り自炊することになります (最近、Aatish Batia と Robert Krulwich が鮮やかに示したように)。哺乳類が機能するためには、観測された最小の全身代謝率である 1 兆分の 1 ナノグラムが必要であると仮定すると、熱的に制限された生物の最大サイズは 100 万キログラム強、つまりシロナガスクジラよりもやや大きいという結果になります。サイズの点で地球史上最高記録を樹立した動物。
原則として、はるかに大きな「生き物」を想像することができます。計算のための最小エネルギーを説明するランダウアーの原理を利用し、超巨大で超怠惰な多細胞生物のエネルギー資源がその細胞をゆっくりと再生するためだけに使われていると仮定すると、機械的な問題が見つかります。成長に対する究極の制限要因として、熱輸送を凌駕することをサポートします。しかし、これらの規模では、そのような生き物が何をするのか、またはどのように進化したのかは不明になります.
古典的なチャールズ アンド レイ イームズの短編映画 Powers of Ten はほぼ 40 年前に作成されましたが、その影響は深刻です。これは、たとえば、科学カリキュラムの標準的な側面としての桁の推定の台頭に関連している可能性があり、Google Earth などのソフトウェア マッピング アプリケーションの設計の直接的なインスピレーションとなっています。
Powers of Ten の影響 内向きのスイープの物語 （視聴者がシカゴの湖畔のピクニックからサブ核スケールまでスケールで内側に下降する）と外向きのスイープの弧（ビューがますます引っ張る）の間の驚くべき対称性によって高められます急速に遠ざかり、地球とその内容物を宇宙の壮大なスケールに設定します)。
私たちは衆生として、宇宙の大小のスケールを両方向に掃き出すことができて幸運だったのでしょうか?おそらく違います。
グレゴリー・ラフリンは、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の天文学と天体物理学の教授です。彼は の共著者です The Five Ages of the Universe—Inside the Physics of Eternity、そして彼は oklo.org でブログを書いています。
参考文献
1. Koch, G.W., Sillett, S.C., Jennings, G.M., &Davis, S.D.木の高さの制限。 自然 428 、851-854 (2004)。
2. Kleiber, M. 体の大きさと代謝。 ヒルガルディア:農業科学ジャーナル 6 , 315-353 (1932).
3. West, G.B., Woodruff, W.H., &Brown, J.H.分子やミトコンドリアから細胞や哺乳類までの代謝率のアロメトリックスケーリング。 全米科学アカデミーの議事録 99 、2473-2478 (2002).
この記事は、2016 年 3 月の「適応」号に掲載されたものです。
