Real Time Web Analytics محدودیت‌های حیات و شبکه نورونی : آیا یک موجود زنده می‌تواند به اندازه‌‌ی یک کهکشان بزرگ باشد؟! | دیپ لوک

محدودیت‌های حیات و شبکه نورونی : آیا یک موجود زنده می‌تواند به اندازه‌‌ی یک کهکشان بزرگ باشد؟!

1

حیات یکی از پیچیده‌ترین حوزه‌های دانش بشری است که با وجود پیشرفت خیره‌کننده‌ی علم، باز هم سوالات و رازهای هیجان‌انگیز زیادی در مورد آن وجود دارد، شاید به دلیل اینکه، علوم پایه مانند فیزیک، شیمی و زیست‌شناسی در پیچیده‌ترین شکل ممکن در آن با هم ترکیب شده‌اند. یکی از سوالات هیجان‌انگیز در مورد حیات، اندازه‌ی یک موجود زنده است. در این مقاله درباره‌ی محدودیت‌هایی که برای اندازه‌ی یک حیات هوشمند و شبکه نورونی وجود دارد بحث‌های جذابی خواهیم کرد، و به این سوال پاسخ خواهیم داد که آیا واقعا یک موجود زنده می‌تواند به اندازه‌ی یک کهکشان بزرگ باشد؟ با دیپ لوک همراه باشید…

نوشتار فوق ترجمه مقاله‌ای از سایت معتبر ناتیلوس و نوشته‌ی گرگری لافلین استاد نجوم و اخترفیزیک دانشگاه کالیفرنیا سانتا کروز است.

اندازه‌ی اشیا در جهانی که ما امروزه می‌شناسیم محدوده‌ای بین ۱۹-۱۰ متر که مربوط به برهمکنش‌های کوارکی است تا ۱۰۲۶ متر که مربوط به اندازه افق کیهانی است، گسترده شده است. کوچکترین و بزرگترین اشیا در حدود ۴۵ مرتبه از نظر مقیاس بزرگی با یکدیگر تفاوت دارند و حیات با شکل کنونی‌اش با بزرگی ۹ برابر، تقریبا در میانه این محدوده قرار گرفته است: باکتری ها و ویروس‌ها اندازه‌ای در حدود ۶-۱۰ متر دارند و ارتفاع بزرگترین درخت شناخته شده در جهان، ۱۰۰ متر است. دسته‌ای از قارچ‌ها به نام قارچ‌های عسلی (hony fungus) که در کوه‌های آبی اورگون یافت می‌شوند و مسلما یک موجود زنده به شمار می‌آیند، محدوده‌ای برابر با ۴ کیلومتر را اشغال می‌کنند. هنگامی که به دنبال شناخت حیات ادراکی و حسی باشیم، محدوده مقیاس، حتی سه مرتبه بزرگی، کوچکتر می‌شود!  

با پیشرفت نظریه محاسبات مشخص شده که برای پردازش احساسات و هوش به احتمال زیاد نیاز به ۱۰۱۵ نورون داریم. با توجه به اینکه مغز ما از نورون‌هایی تشکیل شده که خودشان، اساسا مسول ایجاد تعادل در هر یک از سلول‌ها هستند، می‌توان نتیجه گرفت که کامپیوترهای بیولوژیکی باید اندازه‌ای در حد ابعاد فیزیکی مغز انسان داشته باشند تا توانایی‌های مشابه با مغز انسان از خود نشان دهند!

امروزه با استفاده از سیستم‌های هوشمند مصنوعی، تصور ساخت نورون‌هایی که ابعادی کوچکتر از نورون‌های مغز انسان داشته باشند، دور از دسترس نیست؛ مثلا مدار‌های الکترونیکی که به شکل قابل توجهی کوچکتر از نورون‌های مغز انسان هستند، در حوزه الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرند. اگرچه عملکرد آن‌ها بسیار ساده است و نیاز به موتورهای قدرتمند برای عمل (انرژی، خنک شدن و ارتباطات) دارند که باعث افزایش اندازه‌ی آنها می‌شود، اما در آینده‌ای نه چندان دور، احتمال ساخت ابزارهای بر پایه هوش مصنوعی که حجمی به اندازه بدن انسان داشته باشند (اگرچه این وسایل از مواد متفاوت با مواد تشکیل دهنده انسان ساخته شده‌اند)، چندان دور از ذهن به نظر نمی‌رسد.

اگر مغز و شبکه نورونی انسان، ده برابر بزرگتر بودند، ما در طول زندگی خود، ده برابر افکار کمتری داشتیم!

حالا یک سوال جالب مطرح می‌شود: بالاترین حد اندازه‌ی یک موجود زنده چیست؟ ویلیام بروگر در رمان خود تحت عنوان «بلیطی که منفجر شد» تصور کرد که در زیر سطوح سیاره‌ای، یک نوع ٖآگاهی معدنی وسیع در نزدیکی صفر مطلق قرار دارد. فرد هویل (ستاره شناس) از «ابر سیاه» هوشمندی که اندازه آن قابل مقایسه با فاصله زمین تا خورشید است، سخن به میان آورده است. ایده‌ی او، پیش‌بینی مفهوم کره‌های دایسون (Dyson spheres) بود؛ ساختارهای عظیمی که یک ستاره را به طور کامل احاطه کرده و بیشتر انرژی آن را جذب می‌کنند. بر اساس محاسبات انجام شده توسط یک گروه تحقیقاتی، مشخص شده که موثرترین ساختار پردازش اطلاعات در ساختار‌های کهکشانی امروزی، ممکن است درون بادهای حاصله از ستاره‌های غول پیکر قرمز در حال مرگ به وجود آمده‌ باشند. جالب اینکه غبار‌های ناشی از همین ستاره‌های قرمز غول پیکر، انرژی کافی، گرادیان عظیمی از انتروپی و مواد خام کافی را برای تولید یک میلیارد زیست‌کره‌‌ی زمین‌مانند فراهم می‌کنند.

باز هم این سوال جالب مطرح می‌شود که بزرگی اَشکال حیات چقدر می‌تواند باشد؟ افکار جالب نه تنها به یک مغز پیچیده، بلکه به زمان کافی برای تجزیه و تحلیل آن، نیاز دارند. سرعت انتقالات عصبی حدود ۳۰۰ کیلومتر در ساعت است و این بدان معنی است که زمان عبور سیگنال در مغز انسان، حدود ۱ میلی ثانیه است! یک انسان در طول زندگی چیزی در حدود ۲ تریلیون بار پیام عصبی را منتقل می‌کند. مشخص شده اگر مغز و نورون‌های ما ۱۰ برابر بزرگتر بودند و در عین حال، طول عمر و سرعت سیگنال‌های عصبی تغییری نمی‌کرد، ما در طول عمر خود ۱۰ برابر افکار کمتری داشتیم!

حیات، بسیار شگفت‌انگیز است: اگر مغز ما به اندازه سیستم منظومه شمسی رشد یابد و سرعت انتقال پیام نیز در حد سرعت نور باشد، آنگاه برای انتقال همان تعداد پیام‌های ارسال شده، بیش از سن کنونی جهان، زمان مورد نیاز خواهد بود، در نتیجه جهان هیچ زمانی برای تکامل در اختیار نداشت! اگر ابعاد مغز انسان به اندازه بزرگترین کهکشان شناخته شده بود، با مشکلات بیشتری مواجه بودیم، به طوری که از زمان شکل گیری آن، امکان انتقال تنها ۱۰ هزار پیام (یا بیشتر) از یک سوی کهکشان به سوی دیگر، وجود داشت، بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که امکان ایجاد ساختارهای حیاتی با پیچیدگی مغز انسان با مقیاسی بزرگتر از مقیاس ستارگان، امری بعید به نظر می‌آید.

قیدهای محیطی در مورد فیزیک بدن نیز، یکی دیگر از عواملی است که هوش را محدود می‌کند. به عنوان مثال، ارتفاع بلندترین درخت‌ها به دلیل عدم توانایی آن‌ها برای انتقال آب به ارتفاع بیش از ۱۰۰ متر، دارای محدودیت است، این محدودیت، ترکیبی از چند عامل گرانش زمین (که آب را پایین می‌آورد)، تعرق و چسبندگی آب و کشش سطحی در بافت‌های گیاهی (که آن را بالا می‌برد) است. اگر فرض کنیم نیروی گرانش و فشارهای جویِ بسیاری از سیارات قابل سکونت، ۱۰ برابر زمین باشد، ما در دو مرتبه بزرگی حد بیشینه قرار داریم.

شباهت شبکه نورونی و کهکشاناگر فرض کنیم بیشتر گونه‌های حیات به سیاره، ماه و یا سیارک محدود باشد، در این صورت گرانش نیز مقداری طبیعی خواهد داشت. هرچه یک سیاره بزرگتر شود، مقدار گرانش آن نیز قوی‌تر شده و نیروی وارد بر استخوان (یا هر چیز معادل آن) برخی از حیوانات فرضی افزایش می‌یابد. مسئله‌ای که در اواخر دهه‌ی ۱۶۰۰ میلادی توسط کریستیان هویگنس نشان داده شده بود، بنابراین حیوان باید سطح مقطع استخوان‌هایش را برای تحمل نیروی بیشتر، با نسبتی که برابر مجذور اندازه حیوانات است، افزایش دهد. با این حال، تلاش‌ها برای تطابق اندام با شکست مواجه خواهد شد، زیرا با افزایش اندازه، جرم نیز افزایش خواهد یافت. به طور کلی، حداکثر جرم موجودات زمینی سیار، به شکل تقریبا خطی با افزایش قدرت جاذبه کاهش می‌یابد. برعکس، یک سیاره با نیروی گرانشی ۱۰ برابر کمتر از زمین، می‌تواند حیواناتی با جثه ۱۰ برابر حیوانات کنونی داشته باشد، اما ایجاد یک سیاره کوچک دارای محدودیت خواهد بود. اگر سیاره‌ی جدید خیلی کوچک باشد (کوچکتر از حدود یک دهم جرم زمین)، قادر به جذب نیروی جاذبه و جو در سطح خود نخواهد بود.

حیات، نیاز به سرد شدن هم دارد. طراحان تراشه‌های کامپیوتری همیشه با چالش‌ از بین بردن گرمای تولید شده در فرآیند محاسبات مواجه‌اند. مسئله‌ی حیات هم مشکل مشابهی دارد: حیوانات بزرگ نسبت حجم به سطح (یا سطح پوست) بیشتری دارند. از آنجایی که پوست، مسوول خنک کردن حیوان بوده و میزان حرارت تولید شده در هر حیوان، متناسب با حجم هر حیوان است، حیوانات بزرگ در خنک کردن خود کارایی کمتری دارند. این نکته‌ی مهم برای اولین بار در سال ۱۹۳۰ توسط ماکس کلیبر مطرح شد که میزان سوخت و ساز در هر کیلوگرم حیوانات زمین نسبت به جرم آنها، با ضریب ۰/۲۵ کاهش می یابد. اگر میزان گرمای تولید شده‌ی هر حیوان کاهش نیابد، آنگاه این گرما باعث از بین رفتن آنان خواهد شد؛ مسئله ای که اخیرا توسط  گروهی از محققان اثبات شده است. اگر حداقل میزان سوخت و ساز کل بدن برای فعالیت یک پستاندار را یک تریلیونیوم یک وات بر نانوگرم در نظر بگیریم، بزرگترین اندازه‌ای که می‌تواند به دلیل محدودیت گرمایی وجود داشته باشد، بیشتر از یک میلیون کیلوگرم یا کمی بیشتر از وزن وال آبی (بزرگترین جاندار مشاهده شده در زمین) است.

ما می‌توانیم موجودات بسیار بزرگتر را هم تصور کنیم. با در نظر گرفتن اصل لانداور که بیانگر حداقل انرژی لازم برای انجام محاسبات است و با فرض اینکه منابع انرژی یک موجود چند سلولی فوق العاده عظیم. فقط به تولید آهسته‌ی  سلول‌های آن اختصاص داده شده، در می‌یابیم که مشکلات مکانیکی برای انتقال گرما، به عنوان عامل محدود کننده نهایی رشد، نمایان خواهند شد. با این حال، چگونگی رشد و تکامل چنین موجودی در این مقیاس‌ها، مشخص و واضح نیست. آیا فقط از خوش‌شانسی ما بوده‌ است که در جهانی زندگی می‌کنیم که می‌توان مقیاس‌های مختلف را در آن سنجید؟ احتمالا نه.

زاده‌ی اردیبهشت ۶۹ و دانشجوی دکترای شیمی کوانتوم محاسباتی در دانشگاه شهید بهشتی است.او علاقمند به دنیای کوانتوم و تکنولوژی بوده و علاوه بر سردبیری دیپ لوک، به طراحی وب و نویسندگی در گجت نیوز و ماهنامه جی اس ام مشغول است.

گفتگو۱ دیدگاه

  1. مجید ستارنژاد

    بسیار بسیار زیبا هستند مطالبی که به اشتراک گذاشته میشن، خانم دکتر۲۵۰میلیون سال پیش ،تاثیر جاذبه ماه بر روی زمین بیشتر از امروزبوده،سوال بنده اینه که آیا این تاثیر جاذبه ماه بوده که حیوانات در آن زمان جثه های عظیمی داشته اند؟

ارسال نظر

*