生物體型能像銀河那麼大嗎？

知識 07-10

為什麼生命體的尺寸僅限於我們在地球上所看到的大小？

宇宙中一切事物都有大小，小至從10的負19次方米的夸克作用，大到10的26次方米之外的宇宙界限。據我們目前所知，在這45個可能的數量級中，生命體的尺度只局限在約9個數量級的較小範圍內，大概居於宇宙各事物尺度的中間段：細菌和病毒還不到1微米（即10的負6次方米），最高的樹卻高達100米。如果把美國俄勒岡州藍山林區的蜜環菌（The honey fungus）群落視作一個生物活體，它可以覆蓋綿延4公里以上的地區。就我們所知的有感知能力的生命而言，其尺度範圍甚至更小，大約有三個數量級。

生物體型能像銀河那麼大嗎？

▲一個蜜環菌孢子（或菌絲片段）在適宜的條件下，在土壤中萌發，形成菌絲，菌索向四周延伸，經過長年累月的積累所覆蓋的地區面積，質量大小指的是對蜜環菌地下部分的估測。

會有例外嗎？

計算理論的發展表明，要擁有感知能力與智能可能需要數以萬億計的「電路」基元。我們的大腦由神經元構成，而神經元在本質上就是分工明確協同工作的單細胞生物體。因此我們可以得出結論，生物計算機要想展現出人類具有的能力，它應該與人腦差不多大。

生物體型能像銀河那麼大嗎？

▲北美紅杉。約束：與加州紅杉國家公園的巨型紅杉樹一樣，北美紅杉的高度是引力與蒸騰作用、水吸附力、植物木質部的表面張力相平衡的結果。圖源：lucky-photographer/iStock

想像一下在人工智慧系統里建立比我們的神經元還要小的元件。例如，如今電路元件就遠遠小於神經元。但它們的行為方式也更簡單，且需要上層結構的支持（能量、冷卻、交際），而這種上層結構體型龐大。因此，雖然人工智慧產物由完全不同於人體的材料和結構構成，第一個真正的人工智慧產物可能與我們身體的大小相差無幾，這再次表明「米」級體型有一些特別之處。

如果我們的大腦和神經元都增大到現在的10倍，那麼我們的一生的思維總量將會減少十分之九。

生物體型能像銀河那麼大嗎？

▲威廉·S·巴勒斯（1914-1997）和他的小說《爆炸的車票》

生物體型是否有上限呢？威廉·S·巴勒斯在他的小說《爆炸的車票》（The Ticket That Exploded）中有這樣的想像，在一種星球地底有「一種接近絕對零度的巨大礦物意識，在晶體緩慢形成的過程中進行思考」。天文學家弗雷德·霍伊爾曾經栩栩如生地描述過一種有意識的超級智能「黑雲」，其體型與地球和太陽之間的距離近似。他的這一想法是「戴森球」（Dyson sphere）概念的靈感來源，戴森球是一個包裹住恆星從而獲取其大部分能量的巨大結構。這一點也得到了我（本文作者）和我的同事弗雷德·亞當斯的證實。我們通過計算證明，在當今的銀河系中，由垂死紅巨星（是恆星的一種衰變狀態，根據恆星質量的不同，存在期只有數百萬年不等。質量通常約為0.5至8個太陽質量，質量更大的稱為紅超巨星，質量再大的為紅特超巨星）釋放的黑風會催生出最有效的信息處理結構。在幾萬年的過程中，包裹著塵埃的紅巨星提供足夠的能量、熵梯度和原材料，極可能超過十億個類似地球的行星生物圈所需。

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▲戴森球是弗里曼·戴森假想出的包圍母恆星的巨大球形結構，它可以捕獲大部分或者全部的恆星能量輸出。戴森認為戴森球是長期生存技術文明對於能量需求增長的必然需求，並認為尋找其存在的證據可以引導發現的先進和智慧的外星生命。圖為戴森球的一種變體。這種大規模人造物會大幅度改變恆星的光譜。

這樣的生命形式可以有多大？有趣的想法不僅需要複雜的大腦，還要有足夠的時間來表達。神經傳輸的速度大約為每小時300千米，說明信號在人腦里的傳導時間約為1毫秒。人類的一生要發生2萬億次信息傳導（並且每一次都會被豐富且大規模平行的計算結構有效放大）。如果我們的大腦和神經元都增大到現在的10倍，並保持壽命和神經信號傳導速度不變，那麼我們的一生的思維總量就會減少十分之九。

如果我們的大腦變得像太陽系一樣大，神經信號以光速傳遞，那麼同樣多的信息穿越所需要的時間會超過整個宇宙現在的年齡，則根本沒有時間完成進化。如果我們的大腦有銀河系那麼大，問題會更嚴重。太陽系從其形成開始，所擁有的時間只夠一萬條信息從銀河一端傳到另一端。因此，可以說很難想像任何像人腦一樣複雜的生命體能大於恆星量級。即使它們存在，也沒有足夠的時間做什麼。

值得注意的是，環境對實體的限制也將生命體型局限在和智能生物差不多大小的尺寸內。由於不能將根部的水分送到100米以上的高空，北美紅杉的高度受到限制，這種上限是地球引力（將水分往地面方向吸引）和蒸騰作用、吸附力、植物木質部的表面張力（將水分往上送）共同作用的結果。如果我們假設大部分宜居星球的引力和大氣壓在地球的10倍以內，那麼宇宙中生物體型就會有幾個數量級的相同上限。

如果我們假定大部分生命只與行星，衛星或小行星有關，那麼引力會為它們設置一個自然大小。星體越大，引力越強，施加在動物骨骼（或其他類似構造）力量就會增加——早在17世紀末克里斯蒂安·惠更斯就提出過這種說法。因此動物必須增加它骨骼的橫截面來承受更大的力量，而這種力量與動物體型的平方成正比。因為體型增長體重就會增加，所以動物這種嘗試改變身體的努力最後往往適得其反。一般來說，陸生動物的體重上限會隨引力的增強而呈線性下降。反之，如果一個行星的引力只有地球的十分之一，那麼這個星球上的動物可能比地球上的大10倍。

生物體型能像銀河那麼大嗎？

▲推測：荷蘭科學家克里斯蒂安·惠更斯在1722年的刊物中推測行星的大小是怎樣影響其表面生物大小的。圖源：谷歌圖書搜索

但是，行星的大小也有下限——如果行星太小（小於地球質量的十分之一），就不能依靠引力吸引大氣。這樣宇宙生物體型又被限制在地球生命的10倍左右。

生物體還需要散熱。計算機晶元的設計者一直要面臨計算過程中散熱的挑戰。生物也有同樣的問題：大型動物的體積和表面積（也就是「皮膚」）的比率很高。由於皮膚是用來散熱的，而身體是熱量的來源，所以大型動物在散熱方面效率較低。早在20世紀30年代，馬克思·克萊伯就指出，地球上動物體重每上升0.25次冪，每千克的代謝速率會成比例下降。事實上，如果這種產熱速率不降低，大型動物真的會把自己熱死（阿提西·巴蒂亞和羅伯特·克魯維奇生動演示了這一點）。假定哺乳動物生存需要的最小全身代謝速率是每毫微克一萬億分之一瓦特，因受散熱限制，生物的體重上限是100多萬公斤，大於地球有史以來最大的動物——藍鯨。

生物體型能像銀河那麼大嗎？