Советы пишущим. Часть 15. Земная жизнь и ее пределы.

Самые большие животные на Земле - это синие киты. Они могут достигать 33 метров в длину и весить до 150 тонн. Растения и вовсе могут вырасти до 100 метров в высоту. На нашей планете никогда не будет существ больше. На это есть весомые причины. Весомые в прямом смысле слова, главный лимитирующий фактор — гравитация.

          Живой организм должен сохранять структурную целостность. Эту задачу выполняет скелет — внешний или внутренний. Но по мере увеличения линейных размеров организма, жесткость скелета тоже растет линейно (в лучшем случае — квадратично). А масса, так как она зависит от объема, растет пропорционально кубу линейных размеров, так как куб растет быстрее квадрата. Увеличим животное в 10 раз — жесткость скелета увеличится максимум в 100 раз, а масса увеличится в 1000! Так что скелет не сможет поддерживать вес тела, из-за чего организм становится нежизнеспособным.

        Масса растет пропорционально объему — значительно быстрее, чем жесткость костей 

    Непропорциональное увеличение тоже будет работать недолго: если мы будем вытягивать живой организм в одном измерении (например, сделаем очень высокое дерево), то встанет ребром вопрос метаболизма. У деревьев тоже есть предел, как высоко они могут доставлять питательные вещества. Виновата снова гравитация. Именно поэтому на Земле нет ничего живого выше 100 метров. Высота самых высоких секвой ограничена их неспособностью поднимать воду выше, чем на 100 метров вверх – это ограничение является комбинацией силы гравитации на Земле (тянущей воду вниз), и испарением, смачиванием и поверхностным натяжением в ксилеме (тянущей её вверх). Если предположить, что гравитация и атмосферное давление на других планетах не будет отличаться от Земного более, чем в 10 раз, то мы получим те же самые ограничения, отличающиеся не более, чем на пару порядков.

          Но раз гравитация создает столько проблем, то почему бы не изменить ее? Переселимся на планету поменьше и вырастем! Такой подход будет работать, но тоже только до определенного предела. Планеты не могут уменьшаться бесконечно. Самые маленькие планеты будут иметь массу в 10 раз меньше земной — следовательно, и самые большие существа, будут максимум в 10 раз больше земных. Но это если рассматривать только вопрос с гравитацией. Уменьшение массы планеты влечет за собой и другие параметры: уменьшение плотности атмосферы, ослабление магнитного поля и т.п. Минимальные размеры для планет – если она будет меньше, чем одна десятая масса Земли, она не сможет удерживать атмосферу. Да и то ещё надо подумать, каковы параметры этой атмосферы Посмотрите на Марс и подумайте, стоит ли вообще уменьшать массу планеты, и, если да, то до каких пределов?

          Хорошо. Если играться с параметрами планет не так просто, то почему бы не пойти еще дальше? Почему мы привязываем жизнь к планетам? Ведь можно смело предположить, что живой организм может быть размером, например, с целую звездную систему или даже с галактику.

          В таком случае возникает еще больше проблем — самые главные это энергетическая и скоростная.

          У любого существа должен быть метаболизм в какой-нибудь форме. Обмен полезных веществ между различными частями организма нужен для передачи энергии. Для обмена энергией надо сначала откуда-то ее получить.

Если наше существо размером со звездную систему, то единственный очевидный источник энергии — звезда. Так у нас получается живая сфера Дайсона: метаболизм будет крайне медленным, иначе вещества будут получать достаточное количество кинетической энергии, чтобы покинуть систему. Непонятно и то, как такой организм мог развиться, ведь естественные физические процессы стремятся формировать планеты из пылевого протодиска вокруг звезд. Если наш организм существует, то он должен этому процессу противостоять. Но как — непонятно.

          Если мы говорим о разумной жизни, то в организме должны формироваться информационные связи. У человека это нейроны мозга, которые общаются между собой с помощью электрических импульсов. Но если модель мозга увеличить до масштабов Солнечной системы (не говоря уже о галактике), то общение между нейронами все еще будет лимитировано скоростью света — скорость мысли (проход импульса из одного конца «мозга» в другой) замедлится в несколько триллионов раз! В таком случае, чтобы «продумать» столько же мыслей, сколько думает человек за свою жизнь, предполагаемому существу понадобится в триллион раз больше времени. Думать ему придется примерно сто триллионов лет — возраст нашей Вселенной всего 13.8 миллиардов лет. Это в 7.5 тысяч раз меньше.

       Сигнал из одного конца Солнечной системы в другой будет лететь как минимум 258 минут

     Жизнь также нужно охлаждать. Разработчики компьютерных чипов постоянно сталкиваются с трудностями удаления тепла, порождаемого вычислениями. У живых существ та же проблема: у больших животных высоко отношение объёма к площади поверхности, или к коже. Поскольку за охлаждение животного отвечает кожа, а тепло порождается объёмом, крупные животные менее эффективно охлаждаются. Как впервые подсчитал в 1930-х годах Макс Клейбер, скорость метаболизма на килограмм у земных животных уменьшается пропорционально массе животного в степени 0,25. И действительно, если бы скорость нагрева не уменьшалась, крупные животные бы просто сварились. Если предположить, что для нормального функционирования млекопитающего минимальная скорость метаболизма должна быть одной триллионной ватта на нанограмм, мы придём к максимальному размеру организмов порядка миллиона килограмм – что менее чем в 10 раз больше массы голубого кита, вероятно, самого крупного из когда-либо живших на Земле организмов. Можно, в принципе, представить животных крупнее размером. Опираясь на принцип Ландауэра, описывающий минимально необходимое для вычислений количество энергии, и предположив, что энергетические ресурсы сверхмассивного вялого многоклеточного организма тратятся только на медленное воспроизводство его клеток, мы обнаружим, что проблемы его механической поддержки обгоняют проблемы отвода тепла и служат главным ограничительным фактором для роста. Но на таких масштабах становится непонятным, чем бы такое существо занималось или как бы оно появилось в результате эволюции.

          Так что если люди когда-нибудь и найдут внеземную жизнь, то вряд ли она сильно будет отличаться от земной. Причина тому — законы физики. Жизнь должна существовать на экзопланете, которая вращается вокруг источника энергии — звезды. В зависимости от условий на этой планете, организмы могут вырасти от силы на пару порядков (в сравнении с земными существами). Размеры, с которыми знакома физика, варьируются от кварков (10⁻¹⁹ м) до размера наблюдаемой Вселенной (10²⁶). Это 45 порядков — из них живые организмы занимают небольшое «окно» от вирусов около микрона (10⁻⁶) до теоретического десятка километров (10⁴). Всего 10 порядков. Это ограничивает теоретические лимиты того, чего могут достичь живые организмы — но зато это сужает круг поиска. Так что мы хотя бы знаем, что ищем внеземную жизнь размером с точностью до 10 порядков.

Жизнь (от вирусов до гиганстких инопланетян) по размеру занимает всего 10 порядков из 45 возможных — от кварков до обозримой Вселенной