行星生物圈生产力的信息-热力学上界及其观测检验

行星生物圈的生产力受其自由能预算在维持可居住环境、驱动代谢与处理遗传信息三方面分配的限制。我们从非平衡热力学与信息论出发，给定行星可用自由能通量及若干粗粒度生物参数，推导行星净初级生产力（NPP）的上限。该上界在将遗传信息处理的不可约功耗从行星功率预算中扣除后，再转化为生物量，从而得到一条“信息-生产力权衡”：在固定行星功率下，更高的复制速率、更低的错误率、更大的字母表尺寸或更密集的校对工作，均会降低生物量生产的上限。我们通过保守的参数取值表明，地球位于该上限之下，而低能量环境如红色恒星的可居住区及地下海洋世界可能陷入信息受限 regime，仅能实现有限的生产力与遗传复杂性的组合。我们概述了未来如何通过观测恒星辐射、气候、大气不平衡及时间变异性，为NPP设定基于物理的上限并与独立的生产力估计进行比较。