外星生命能有多大，會有像星系一樣大的生物嗎？

撰文 Gregory Laughlin

翻譯 柯雨曦

審校 韓晶晶

宇宙中各種事物的大小可謂天差地別，下至10^-19米，上到10^26米，前者是夸克相互作用的尺度，後者則是我們到宇宙視界的距離。據我們所知，在這45個可能的數量級之中，生物的尺寸僅僅佔據了有限的9個，這是一個相對來說極為狹小的區間，大約處於整個範圍的中間：細菌和病毒的長度可以小於1微米，也就是10^-6米，而最高的樹木能長到約100米。美國俄勒岡州的藍山（Blue Mountains）地下的蜜環菌，可以視為單個的生物體，它足有4千米長。至於有感知能力的生命，它們尺寸的範圍就更小了，只有大約3個數量級。

那麼，生物的尺寸能否不在這個範圍內？

計算理論的進步告訴我們，要產生感知能力和智力，可能至少需要10^15量級的原始「迴路」元件。考慮到我們的大腦由神經元構成，而神經元自身從本質上來說是一個個特化的、相互合作的單細胞有機體，我們可以推斷出，要想擁有相當於我們人類的智力，生物計算機至少需要具備和我們的大腦相仿的體積。

在人工智慧系統中，造出比我們的神經元更小的「神經元」是完全可以想像的，比如現在的電路元件就比神經元小得多。但是，電路元件的行為更簡單，而且需要額外的裝置來支持（供能、冷卻、通信），這些裝置都要佔據較大的體積。第一個真正的人工智慧佔據的空間體積很可能會與我們的身體相似，雖然二者基於本質上完全不同的材料和結構，這也提示我們，「米」這個尺度非同尋常。

弗雷德·霍伊爾筆下的「黑雲」是一種蔓延在宇宙空間中的有意識生命體

在尺度範圍的另一端呢，生物可以非常大嗎？在小說《爆炸的票》（The Ticket That Exploded）中，威廉·巴勒斯（William S. Burroughs）想像在一顆行星的表面之下，「在接近絕對零度的溫度下，一種基於礦物的巨大意識體，在通過晶體緩慢的形成過程來思考」。天文學家弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）用不可思議卻又令人信服的筆法，描寫了一種巨大的有意識的「黑雲」，其大小可與日地距離相比擬。在他的想法的啟發下，戴森球（Dyson sphere）的概念出現了，後者是設想中一種完全包裹恆星以俘獲恆星能量的巨大裝置。我和我的同事弗雷德·亞當斯（Fred Adams）正在進行的一系列計算對霍伊爾的想法是一種支持。計算表明，在當前的銀河系中，最高效的信息處理結構有可能在紅巨星噴射出的、夾雜著塵埃的星風中形成。數萬年間，裹滿塵埃的紅巨星提供了足夠的能量、熵梯度和原材料，使得這樣的結構在計算能力上可以勝過十億個類似地球的生物圈。

像這樣的生命形式可能長到多大呢？要產生有意義的想法，不僅需要複雜的大腦，還需要足夠的時間來構思。做一個簡單的數量級估算，神經信號的傳導速度大約為每小時300千米，也就是說，信號穿過人腦大約需要1毫秒。這樣算來，人的一生可以進行2萬億次這樣的活動（假使每次活動都被豐富的龐大並行計算結構有效放大）。如果我們的大腦和神經元都被放大10倍，而壽命和信號傳導速率保持不變，我們一生中能產生的想法就要比原來少10倍。

假如大腦長得像太陽系這樣大，信號以光速傳導，同樣2萬億次神經活動要花掉比宇宙當前年齡還要長的時間，演化更是沒有時間施展身手。假如大腦和銀河系一般大，問題就變得更加嚴重了。從銀河系誕生的那一刻算起，只有大約10 000條信息能從一頭傳到另一頭。所以，很難想像複雜度能與人腦相比擬的生命體身材達到星際尺度。即使存在，它們到目前為止還來不及做任何實質性的事情。

除了形成智能對尺寸有要求外，環境對身體的物理限制也使生命的大小被限定在同樣的尺度上。最高的紅杉也無法生長超過100米，因為它們無法把水泵到比這更高的地方。地球表面的重力（將水向下拉）和植物木質部中的蒸騰作用、水的附著力與表面張力（將水向上拉）共同作用，決定了這個極限。假設大多數宜居星球的重力和大氣壓與地球的差異在10倍以內，那麼這些星球上的極限植物高度與地球上的最多不會相差超過兩三個數量級。

如果假定絕大多數生命形式存在於某顆行星、衛星或小行星上，那麼重力也就同樣對生命的大小有所限制。早在17世紀晚期，克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）就論證道，如果一個行星較大，表面重力較強，假想的動物的骨骼（或等價的結構）就要承受更大的作用力，橫截面積也必須相應地增大，而橫截面積隨動物尺寸的平方增長。身體尺寸的不斷增加最終會使動物自取滅亡，因為體重會隨身體尺寸的立方增加。一般而言，自由活動的陸生生物的最大體重與重力大小大致呈線性負相關。在一顆重力為地球十分之一的星球上，動物很可能比地球上的大十倍。

但是，行星不能無限制地小——如果太小（大約小於地球質量的十分之一），它的重力就不足以吸引並保持大氣層。又一次，我們被限制在與地球上生物尺寸相差約10倍的範圍之內。

生物也需要冷卻自己。電腦晶元的設計者始終面臨如何去除計算產生的熱量的挑戰。生物也是一樣：較大動物的體積與身體表面積，或者說 「皮膚」的比值也較高。因為動物通過皮膚來散熱，產熱又與體積呈正相關，較大的動物散熱效率較低。20世紀30年代，馬克思·克雷伯（Max Kleiber）首先提出，在地球上，動物每千克體重的代謝速率和體重的0.25次方成比例，隨後者的增加而減小。這樣算來，如果產熱速率不減小，體型較大的動物會把自己「烤熟」。假定哺乳動物要想生存，全身平均代謝速率至少要達到每納克萬億分之一瓦，那麼熱力學將動物最大的體重限制在100萬千克左右，也就是比地球上有史以來最大動物的記錄保持者——藍鯨稍大一點。

原則上，我們可以想像遠大於此的「生物」。如果借用給出了計算理論上所需最低能耗的蘭道爾原理（Landauer』s principle），並且假設一個巨大而懶惰的多細胞生物只利用能量來緩慢地複製自己的細胞，我們會發現，機械支持的問題超過熱傳遞成為生長的最大限制因素。不過，在這樣大的尺度上，這樣的生物能做什麼、它可能是怎樣進化而來的，就不得而知了。

查爾斯·伊姆斯和雷·伊姆斯（Charles and Ray Eames）製作的經典短片《十的次方》（Powers of Ten）已有近40年歷史了，但它的影響依然深遠。譬如，它與數量級估計（order-of-magnitude estimation）興起為科學課程中的一種標準方法相關，還成為了谷歌地球（Google Earth）等地圖應用軟體的設計的直接靈感來源。

片中，在向微觀推進的鏡頭（觀察者從芝加哥湖畔的野餐出發，向下探尋亞原子尺度）和向宏觀推進的鏡頭（鏡頭加速後退，將地球和地球上的事物置於宇宙的浩瀚尺度之中）之間，具有驚人的對稱性，這也增加了《十的次方》的震撼力。

作為能感知外界的存在物，我們能考察宇宙大尺度和小尺度下的現象，向上、向下都能一網打盡，這只是幸運的巧合嗎？很可能不是。

考文獻：

1. Koch, G.W., Sillett, S.C., Jennings, G.M., & Davis, S.D. The limits to tree height. Nature 428, 851-854 (2004).

2. Kleiber, M. Body size and metabolism. Hilgardia: A Journal of Agricultural Science 6, 315-353 (1932).

3. West, G.B., Woodruff, W.H., & Brown, J.H. Allometric scaling of metabolic rate from molecules and mitochondria to cells and mammals. Proceedings of the National Academy of Sciences 99, 2473-2478 (2002).

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