Liệu một sinh vật sống có thể to lớn như cả thiên hà không?

Kích cỡ vạn vật trong vũ trụ của chúng ta chạy từ thang đo 10^-19 mét là đặc trưng của những tương tác hạt quark, cho tới chân trời vũ trụ cách xa 10^26 mét. Trong 45 bậc thang đo độ lớn có thể đó, sự sống, như những gì ta đã biết, giới hạn trong một khoảng tương đối nhỏ bé chỉ với hơn chín bậc độ lớn: Bacteria và virus có kích thước chưa tới một micron, hay 10^-6 mét, và chiều cao của những loài cây lớn nhất là khoảng 100 mét. Nấm mật ong sống phía dưới núi Blue Mountains tại Oregon, được cho là sinh vật sống lớn nhất, trải dài khoảng 4 kilomet. Và với sự sống có tri giác, bậc độ lớn còn nhỏ hơn nhiều, chỉ khoảng ba bậc.

Liệu mọi thứ có thể trở nên khác biệt?

Tiến bộ trong lý thuyết tính toán cho thấy tri giác và trí tuệ sẽ cần tới hàng nghìn triệu triệu những yếu tố “mạch” nguyên thủy. Với bộ não của ta cấu thành từ tế bào thần kinh, khi chúng, về bản chât, là những sinh vật đơn bào chuyên biệt cùng nhau hợp tác, ta có thể kết luận rằng máy tính sinh học cần phải có kích cỡ vật lý tương đương với bộ não chúng ta để có thể phô diễn được khả năng mà ta có.

Chiều cao của những cây gỗ đỏ, như cây sequoia khổng lồ tại Vườn quốc gia Sequoia, California, tạo ra từ sự cân bằng giữa một bên là trọng lực, và một bên là sự thoát hơi nước, độ kết dính nước, và sức căng bề mặt của chất gỗ trong cây.

Ta có thể tưởng tượng về việc tạo ra những tế bào thần kinh nhỏ hơn của chúng ta, trong những hệ thống trí tuệ nhân tạo. Các yếu tố mạch điện tử, lấy ví dụ, giờ đã nhỏ hơn đáng kể so với tế bào thần kinh. Nhưng chúng cũng đơn giản hơn trong hành vi, và cần tới một thượng tầng hỗ trợ (năng lượng, làm mát, thông tin hai chiều) chiếm một khối lượng đáng kể. Có lẽ trí tuệ nhân tạo đích thực đầu tiên sẽ có kích cỡ chẳng khác mấy so với cơ thể chúng ta, cho dù dựa trên những vật liệu và kiến trúc cơ bản khác nhau, lần nữa cho thấy rõ ràng có thứ gì đó đặc biệt về khoảng bậc độ lớn này.

Vậy còn đoạn cuối siêu lớn của chuỗi dài này? William S. Burroughs, trong tiểu thuyết The Ticket That Exploded của mình, đã tưởng tượng phía dưới một bề mặt hành tinh, nằm đó “một ý thức từ khoáng chất khổng lồ, suy nghĩ chậm rãi trong cấu thành của tinh thể gần độ không tuyệt đối.”Nhà thiên văn học Fred Hoyle đã viết về một tri giác siêu thông minh “Black Cloud”, kích cỡ tương đương với khoảng cách từ trái đất tới mặt trời. Ý tưởng của ông chỉ điểm về hình tượng quả cầu Dyson, một cấu trúc khổng lồ bao bọc xung quanh một ngôi sao và hút lấy gần như toàn bộ năng lượng của nó. Fred Adams và Gregory Laughlin cũng tính toán được rằng cấu trúc xử lý thông tin hiệu quả nhất trong vũ trụ hiện nay có thể được xúc tác từ những gió muội sinh ra từ những sao đỏ khổng lồ chết đi. Qua vài chục ngàn năm, những hành tinh đỏ khổng lồ đem lại đủ năng lượng và vật liệu thô để có tiềm năng vượt trội trong tính toán so với sinh quyển của hàng tỉ hành tinh như trái đất.

Và những dạng sống như vậy có thể lớn tới cỡ nào? Vấn đề này cần tới không chỉ một bộ não phức tạp, mà còn cần tới đủ thời gian để lập thành công thức. Tốc độ truyền dẫn thần kinh là khoảng 300km/h, cho thấy tín hiệu đi qua não bộ con người sẽ tốn khoảng 1 mili giây. Một vòng đời loài người, gồm hai nghìn tỉ lần truyền dẫn thông tin (với mỗi lần thông tin đi qua sẽ được khuếch đại bởi cấu trúc tính toán phong phú, song song hóa một cách ồ ạt). Nếu cả bộ não và tế bào thần kinh của ta lớn hơn 10 lần, và tuổi đời cũng như tốc độ truyền tín hiệu thần kinh không đổi, thì ta sẽ có lượng suy nghĩ ít hơn mười lần trong suốt cuộc đời.

Nếu bộ não của ta phát triển khổng lồ, ví dụ, như kích cỡ của hệ mặt trời, và có tốc độ truyền tín hiệu bằng vận tốc ánh sáng, một lượng thông tin qua lại tương đương sẽ tốn thời gian hơn cả tuổi hiện tại của vũ trụ, và sẽ chẳng còn thời gian để tiến hóa thực hiện công việc. Nếu một bộ não lớn như thiên hà của ta, vấn đề này còn trở nên nghiêm trọng hơn. Từ khi hình thành, chỉ có đủ thời gian cho khoảng 10.000 lượt thông tin di chuyển từ đầu này của thiên hà tới phía kia. Rồi ta có thể tranh luận rằng quá khó để tưởng tượng thực thể sống nào với độ phức tạp như bộ não con người lại có kích thước lớn hơn cả những vì sao. Nếu chúng có tồn tại, thì cũng chẳng đủ thời gian để thực sự làm điều gì đó.

Đáng chú ý là, những hạn chế về môi trường trên những cơ thể vật chất cũng khiến sự sống gần như có cùng kích cỡ mà trí tuệ cần tới. Chiều cao của cây gỗ đỏ lớn nhất bị hạn chế bởi chúng không có khả năng bơm nước lên cao hơn 100m, một giới hạn tổng hợp từ trọng lực trái đất (khiến nước bị kéo xuống) và sự thoát hơi nước, độ bám dính nước, và sức căng về mặt trong chất gỗ của cây (đẩy nước lên). Giả sử trọng lực và áp suất khí quyển của hầu hết những hành tinh có sự sống đều nằm trong cấp số mười lần của trái đất, ta sẽ chỉ còn lại một hai bậc độ lớn với giới hạn tương đương.

Và nếu ta cũng giả định rằng mọi sự sống giới hạn trong một hành tinh, mặt trăng, tiểu hành tinh, thì trọng lực cũng đặt ra một quy mô tự nhiên. Khi hành tinh lớn hơn, và trọng lực của nó cũng mạnh hơn, lực đặt lên xương (hay bất cứ thứ gì tương đương) của những động vật giả định này cũng tăng lên. Và vì thế nó sẽ cần phải tăng kích thước mặt cắt ngang của xương để chịu được lực lớn hơn, và con số đó sẽ tăng lên một lượng bình phương trên kích thước của động vật này. Tuy nhiên nỗ lực phát triển cơ thể đó, sẽ chẳng khác gì tự sát khi khối lượng sẽ tăng một lượng lập phương so với lượng tăng kích thước. Nhìn chung, khối lượng cực đại của những sinh vật có thể di chuyển giảm xuống gần như tuyến tính với sự tăng lên của trọng lực. Một hành tinh có trọng lực nhỏ hơn 10 lần Trái đất sẽ có những sinh vật lớn hơn trên Trái đất gấp 10 lần.

Nhà khoa học Hà Lan Christiaan Huygens nghiên cứu về kích cỡ của hành tinh ảnh hưởng tới kích cỡ của sự sống trên bề mặt của nó như thế nào.

Nhưng cũng có một giới hạn về kích cỡ của một hành tinh – nếu nó quá nhỏ (nhỏ hơn một phần mười trọng lượng trái đất), nó sẽ không thể có đủ lực hấp dẫn để giữ được khí quyển. Và ta lại bị giới hạn trong cấp số mười hay tương đương của kích cỡ ta thấy trên trái đất.

Sự sống cũng cần được làm mát. Những người thiết kế chip máy tính liên tục phải đối mặt việc loại bỏ lượng nhiệt sinh ra khi tính toán. Sinh thể sống cũng có chung vấn đề: Động vật to lớn có một tỉ lệ khối lượng trên bề mặt rất cao, hay “da”. Khi da là thứ chịu trách nhiệm làm mát, và khối lượng chính là nơi nhiệt sinh ra, động vật lớn thường tự làm mát kém hiệu quả hơn. Và lần đầu được chỉ ra bởi Max Kleiber vào thập kỷ 1930, tỉ lệ trao đổi chất trên mỗi kilogam của động vật trái đất giảm xuống tỉ lệ với khối lượng của chúng theo số mũ 0.25. Rõ ràng, nếu tỉ lệ này không giảm xuống, những sinh vật lớn sẽ tự nấu chín chúng. Giả sử rằng tỉ lệ trao đổi chất toàn cơ thể tối thiểu là một phần nghìn tỉ watt mỗi nanogam để cho thú có vú có thể hoạt động, ta có được kích cỡ lớn nhất giới hạn bởi nhiệt là hơn 1 triệu kilogam, hay thứ gì đó lớn hơn một con cá voi xanh, sinh vật lớn nhất trên trái đất về mặt kích cỡ.

Cho dù có thể tưởng tượng về một sinh vật lớn hơn thế rất nhiều, và nếu ta giả định rằng nguồn năng lượng của một sinh vật đa bào, siêu lớn, siêu biếng nhác được dùng duy chỉ cho việc chậm chạp tái tạo lại tế bào của nó, ta thấy được vấn đề về hỗ trợ cơ chế vượt mặt sự chuyển nhiệt khi là yếu tố lớn nhất giới hạn sự phát triển. Với mức độ đó, khó có thể tưởng tượng một sinh vật như vậy sẽ làm gì, hay nó sẽ tiến hóa ra sao.

Bộ phim kinh điển Powers of Ten của Charles và Ray Eames đã được làm ra từ gần bốn thập kỷ trước, nhưng ảnh hưởng của nó vẫn luôn thâm sâu. Nó có thể liên kết với, lấy ví dụ, sự trỗi dậy của dự toán bậc độ lớn như là một khía cạnh tiêu chuẩn của giảng dạy khoa học, hay nó chính là cảm hứng trực tiếp cho việc thiết kế phần mềm bản đồ như Google Earth.

Ảnh hưởng của Powers of Ten được bồi đắp bởi sự đối xứng đáng ngạc nhiên của sự thu hẹp vào trong (trong đó người xem giảm quy mô từ một ven hồ tại Chicago xuống tới quy mô tiểu hạt nhân) và sự hướng rộng ra ngoài (trong đó người xem nhanh chóng đặt trái đất và những gì thuộc về nó vào một quy mô to lớn của vũ trụ).

Chúng ta đã may mắn, khi là một thực thể có tri giác, để có thể hướng tới cả hai phía, và nhìn nhận vũ trụ trên cả quy mô lớn và nhỏ? Rõ ràng là không.

Theo Nautilus.