Leben

Allgemeines

Das Leben fiel nicht vom Himmel
Martin Neukamm - Martin.Neukamm@ch.tum.de
Moderne Erkenntnisse der Naturwissenschaft über die Entstehung des Lebens, Evolution und Kosmologie. 

http://thor.tech.chemie.tu-muenchen.de/~neukamm/leben.html

Sterben, um leben zu können
Christoph Borner - christoph.borner@unifr.ch
Ein paradoxes Phänomen? Ueberhaupt nicht! Jeden Tag sterben in unserem Körper abertausende von Zellen, um uns vor lebensgefährlichen Fremdstoffen, wie Bakterien, Viren, Giften, UV-Strahlung, Krebsgeschwüren, etc. zu schützen. Dies geschieht dank eines komplexen, in jeder Zelle vorgegebenen Todesprogrammes, welches von aussen je nach Bedarf an- oder abgeschaltet werden kann. 

Schon während der vorgeburtlichen Entwicklung bestimmt der programmierte Zelltod das spätere Leben. Nervenzellen werden im Überschuss produziert und nur diejenigen überleben, welche korrekte Verbindungen herstellen. Der Rest stirbt mittels eines zelleigenen Todesprogrammes. Fehlt dieses Programm, werden Zellen am Leben erhalten, die falsche Nervenverbindungen herstellen und so Bewegungs-, Sinnes- und Denkabläufe des heranwachsenden Menschen beeinträchtigen. Sobald das Individuum geboren ist, muss es sich vor Fremdstoffen schützen können. Dies wird durch die Zellen des Abwehrsystems bewerkstelligt. Doch wiederum werden am Anfang zuviele Abwehrzellen produziert und nur diejenigen sollen überleben, die Fremdstoffe erkennen und vernichten. Die anderen, welche eigene Körpersubstanzen angreifen, müssen sterben, um Autoimmunkrankheiten zu vermeiden. Selbst die Zellen, die Fremdstoffe vernichten, müssen nach ihrer Aufgabe sterben, damit sie nicht unkontrolliert weiterwachsen oder den Körper mit entzündungsfördernden Substanzen überschwemmen. Nur ein kleiner Prozentsatz dieser Zellen überlebt als Gedächtniszellen, welche sich bei erneutem Kontakt mit dem Fremdstoff an diesen erinnern und ihn sofort vernichten können. Schliesslich findet programmierter Zelltod in allen Zellen statt, die mit der Aussenwelt in direktem Kontakt stehen (so z. B. die obere Zellschicht der Haut).
http://www.unifr.ch/spc/UF/98mars/borner.html

Wie sterben Zellen? Neue Erkenntnisse
Christoph Borner - christoph.borner@unifr.ch
Es ist schon lange bekannt, dass sich die Zellen eines menschlichen Organismus nach einem definierten Programm entwickeln und vermehren. Dies stellt sicher, dass Zellen nur an dem Ort des Körpers anwesend und aktiv sind, wo sie ihre angestammte Funktion ausüben müssen. Was passiert aber mit dem Rest der Zellen, die zum Beispiel geschädigt werden, sich am falschen Platz einnisten oder ihre Aufgabe bereits erfüllt haben und nicht mehr gebraucht werden? Liesse man diese weiterleben, könnten sie zu bösartigen Geschwüren, wie Krebs, heranwachsen.

Es hat sich kürzlich herausgestellt, dass solche «unerwünschten» Zellen absterben, und dass diesem Zelltod auch ein Programm zu Grunde liegt. Dieses Programm ist im Innern jeder lebenden Zelle mehr oder weniger vorgegeben und muss nur noch wie eine Maschine von aussen her an- oder abgeschaltet werden. Diese «Todesmaschine» ist komplex (sonst würde sie fälschlicherweise betätigt) da sie von etlichen Molekülen gesteuert wird.

Die Ergebnisse der Freiburger Forschungsgruppe bestätigen, was US Forscher kürzlich gefunden haben. Eine Substanz, namens «Cytochrome c», welche im Innern der Mitochondrien für die Atmung und Energiegewinnung, und daher für das Ueberleben der Zelle verantwortlich ist, kann sich auch am Auslösen des Zelltodes beteiligen (gegensätzliche Doppelfunktion). Dies geschieht dann, wenn diese Substanz aufgrund einer äusseren Einwirkung aus den Mitochondrien in die Zellflüssigkeit (Zytoplasma) austritt und dort die «Todesmaschine» anschaltet.
http://www.unifr.ch/spc/comm_press/98/biochemie.html

Autonomie in Biologie und Technik
E. von Goldammer, J. Paul - vgo@xpertnet.de,  jpaul@xpertnet.de
Kognitive Netzwerke - Artificial Life - Robotik
Der Versuch, eine wissenschaftliche Beschreibung lebender Systeme im Sinne einer "ganzheitlichen", d.h. nicht-reduktionistischen ´Theorie des Lebens´ zu entwickeln, hat in den 70er Jahren zu einem fundamentalen Wechsel des bis dahin gültigen wissenschaftlichen Paradigmas einer strikten Trennung von Beobachter und Beobachtetem geführt. Der Beobachter wird zum "Teil des zu beschreibenden Systems" /1/:

"Ein lebender Organismus ist eine selbständige autonome, organisatorisch geschlossene Wesenheit,

und (1)

ein lebender Organismus ist selbst Teil, Teilhaber und Teilnehmer seiner Beobachtungswelt." 

Diese beiden sich zueinander komplementär verhaltenden Aussagen setzen zunächst einmal ´Autonomie´, d.h. ´Selbst-Regelung´ für lebende Systeme notwendig voraus. Dabei ist der Begriff der ´Selbst-Regelung´ synonym mit dem Ausdruck ´Regelung der Regelung´, und das bedeutet in der Terminologie der Kybernetik:

"Ein lebendes System regelt seine Regelung (selbst)." (2)

Die Akzeptanz einer derartigen Aussage hat erhebliche Konsequenzen für die (kybernetische) Beschreibung autonomer Systeme, denn sie verlangt die organisatorische Geschlossenheit autonomer Systeme im Sinne der "Closure Thesis" /2/:

Closure Thesis: (3)

"Every autonomous system is organizationally closed.
. . . organizational closure is to describe a system with no input and no output . .."

Diese Anschauung ist mit dem Wiener´schen Begriff des "Feedback" schlechthin unvereinbar. Hier wird der Übergang von der klassischen Kybernetik (1. Ordnung), deren Beschreibungsobjekte ausschließlich ´Input/Output´-Systeme sind, zur "Kybernetik 2. Ordnung" deutlich, die es ganz offensichtlich mit (operativ) geschlossenen, d.h. autonomen Systemen zu tun hat.

Der epistemologisch entscheidende Punkt resultiert aus der Erkenntnis, daß ´operative Geschlossenheit´ und ´Autonomie´ lebender Systeme unvereinbar sind mit einer Beschreibung des Systems aus seinem (vom Beobachter festgelegten) System/Umgebungs-Verhältnis heraus. Mit anderen Worten, die durch den Beobachter definierte Abgrenzung von System und Umgebung, durch die ein Input/Output-Verhältnis erst definiert wird, ist immer unterschiedlich zur Grenzbildung, die das autonome System durch seine (operative) Geschlossenheit relativ zu allen anderen Systemen erzeugt.

Parallel zur Entstehung der besonderen Rolle des Beobachters in der Konzeption einer ´Theorie lebender Systeme´ steht in diesem Kontext die Fragestellung nach der Relation von System und Umgebung, die wiederum unter dem Aspekt der kognitiven Fähigkeiten als primordialer Eigenschaft von ´Leben überhaupt´ verstanden wird /3/:

"Lebende Systeme sind kognitive Systeme, und Leben als Prozeß ist ein Prozeß der Kognition. Diese Aussage gilt für alle Organismen, ob diese ein Nervensystem besitzen oder nicht." (5)

Auf dem Weg zu einer ´Theorie lebender Systeme´ kommt der Konzeption der ´Autopoiese´ von Maturana und Varela /4/ eine zentrale Rolle zu. Dabei stellt die ´Theorie autopoietischer Systeme´ den Versuch einer rein semantischen, d.h. nicht-formalen Theorie lebender Systeme dar, mit der erklärten Absicht, eine biologische (nicht-physikalistische) Begrifflichkeit lebender Systeme zu entwickeln - das ist ihr Verdienst. Was auf der Basis einer rein semantischen Theorie jedoch nicht gelingen kann, ist eine Symbiose von Computer- und Biowissenschaften im Sinne der Simulation biologischer Systeme und der daraus resultierenden Konstruktion entsprechender technischer Artefakte - das ist das Problem.

Während alle bis heute bekannten Modelle der Neuroinformatik ausschließlich klassische Input/Output-Systeme - also offene Systeme - beschreiben, stellen die von der ´Kybernetik 2. Ordnung´ geforderten Modelle biologisch kognitiver Netzwerke geschlossene Systeme dar. Hier besteht ganz offensichtlich ein unvereinbarer Widerspruch in der Vorstellung zwischen ´offenen´ und ´geschlossenen´ Systemen, Netzwerken oder Modellen der Beschreibung. Entscheidend ist dabei die Erkenntnis, daß nur geschlossene Systeme eine Umgebung besitzen können, während offene Systeme prinzipiell keine Umbebung besitzen. Physikalische Systeme sind "offene" Systeme.

Wird also nach einem Modell zur Beschreibung kognitiver Prozesse gesucht, dann muß dieses den Aspekt der ´Geschlossenheit´ beinhalten, denn

K o g n i t i o n ist die Fähigkeit eines Systems, aus eigener Leistung zwischen sich und seiner Umgebung eine Unterscheidung treffen zu können. (6)

Lebende Systeme werden permanent von Energie durchströmt, d.h. in sie strömt sowohl Energie hinein wie auch heraus. Was dagegen niemals aus ihnen heraus oder in sie hineinströmt, ist Information und zwar auch dann nicht, wenn Elektroden im Gehirn angelegt werden. Es strömt immer nur Energie, das gilt auch für den Wahrnehmungsapparat oder die vom Experimentator im Gehirn angelegten Elektroden.

Da durch jede Messung die Veränderung zwischen einem Anfangs- und einem Endzustand bestimmt wird, reduziert jede experimentelle Wissenschaft, bei der die Messung im Vordergrund steht, ein System zu einem offenen (Teil-) System, bei dem es einen ´Anfang´ und eine ´Ende´, einen ´Input´ und einen ´Output´ gibt. Das sind Begriffe, die nur im Zusammenhang mit offenen Systemen einen Sinn ergeben, und damit wird auch klar, warum in den klassischen Naturwissenschaften der Begriff des ´Systems´ im allgemeinen nur eine untergeordnete Rolle spielt, von ´Geschlossenheit´ zu sprechen ist in diesem Kontext sinnlos.

So reduziert sich aus wissenschaftlich konzeptioneller Sicht das System ´Affe´, bei dem beispielsweise die Hirnaktivität als Funktion (vom Experimentator) vorgegebener äußerer optischer Reize durch Elektroden gemessen wird, auf das System eines lebenden, nicht-trivialen Signal- oder Datenfilters, bei dem ein lebendes neuronales Netzwerk eingesetzt wird. Durch die experimentelle Anordnung ist das System ´Affe´ bzw. dessen Gehirn (für den Experimentator) zu einem offenen System reduziert worden. Über den (visuellen) Wahrnehmungs- oder Kognitionsprozeß, der sich im System ´Affe´ während der experimentellen Situation abspielt, erfährt der Experimentator durch solche oder ähnlich durchgeführten Messungen nichts. An dieser Situation würde sich natürlich auch dann nichts ändern, wenn experimentell die Möglichkeit bestünde, die Aktivität jedes einzelnen Neurons bis ins letzte Detail vermessen zu können.

Die "Festlegung" physikalischer Systeme als "offene Systeme" ist natürlich keine bloße Marotte der Physiker, sondern entspringt dem Bemühen, physikalisch-chemische Systeme und Prozesse auch mathematisch beschreiben zu können. Dabei stellt die Mathematik als formale Sprache ein extrem effizientes Hilfsmittel für die wissenschaftliche Kommunikation dar. Die formale Beschreibung eines geschlossenen Systems im Sinne der ´Closure Thesis´ (vgl. Aussage 3) ist auf der Basis der klassischen Mathematik nicht möglich /6/ /7/.

Abb.1 : Prinzip eines "Trivialen Automaten"

Triviale Automaten sind: 1) synthetisch determiniert; 2) analytisch determinierbar; 3) vergangenheitsunabhängig; und 4) vorhersagbar. Automaten dieser Art sind nicht nur langweilig, mit ihnen könnte man noch nicht einmal einen herkömmlichen Computer bauen.

In der Abb.2 ist ein Automat angegeben, der sich von seinem trivialen Pendant dadurch unterscheidet, daß die Operationen dieser Maschine von den jeweiligen "inneren Zuständen" z der Maschine abhängen. Der Maschinentyp wird im folgenden mit dem Akronym NTA (Nicht_Trivialer_Automat) abgekürzt.

Abb. 2 : Prinzip eines "Nicht-Trivialen-Automaten"

Maschinen dieser Art werden in Ref.6 als 1) synthetisch determiniert, 2) analytisch unbestimmbar, 3) vergangenheitsabhängig und 4) unvoraussagbar bezeichnet.

Es ist in diesem Kontext nicht weiter relevant nach dem wissenschaftlichen Nutzen von Messungen der Hirnaktivität bei Tieren zu fragen, das steht hier nicht zur Debatte. Fest steht jedoch, daß auf diese Weise keine Erkenntnisse über den Prozeß der Kognition gewonnen werden können, der Vergleich mit einem NTA liegt auf der Hand. Wenn aber die Fähigkeit zur Kognition ein wesentliches Merkmal lebender Systeme ist, dann tragen Experimente dieser Art, wenn überhaupt, nur wenig zu einer "Theorie lebender Systeme" bei und damit nützen sie einem Ingenieur, der kognitive Fähigkeiten in einem technischen System abbilden möchte, nichts.

Das Problem das es zu lösen gilt, ist seit mehr als 2000 Jahren unter verschiedenen Etiketten wie die ´Dichotomie von Geist und Materie´ oder die ´Subjekt-Objekt-Spaltung´ bekannt. Heute tritt es als das Problem einer Verknüpfung verschiedener Beschreibungsdomänen erneut auf, nämlich einmal der physikalisch-chemischen Prozesse auf der einen Seite und der kognitiven Prozesse auf der anderen Seite.

Begriffe wie ´Offenheit´ und ´Geschlossenheit resultieren nicht aus experimentellen Messungen, sondern sind wie ´rechts´ und ´links´ standpunktabhängige Beschreibungskategorien, die erst im Rahmen einer formalen Darstellung ihre eigentliche Bedeutung erlangen. Alle räumlich-geometrischen Vorstellungen sind somit für die begriffliche Fassung einer Theorie autonomer Systeme völlig obsolet. Jede experimentelle Messung reduziert das zu untersuchende Objekt zu einem System mit einem Anfangs- und einem Endzustand und damit zu einem "offenen System", an dem generell nur physikalisch-chemische Parameter gemessen werden können. Kognitive Prozesse lassen sich damit nicht erfassen, d.h. die Thematik von "Kognition und Autonomie" geht auf diesem Weg verloren.

Was benötigt wird, ist ein geeigneter Kalkül zur Entwicklung eines Modells biologisch kognitiver Netzwerke, der eine simultane (formale) Darstellung offener und geschlossener Netze (Systeme) erlaubt. Dafür werden jedoch wenigstens drei unterschiedliche, miteinander jeweils vermittelte Beschreibungspositionen benötigt, aus denen heraus sich das Modell biologisch kognitiver Netze (Systeme)

- als offene Netzwerke (Systeme-physikalisch-chemische Beschreibungsdomäne)

- als geschlossene Netzwerke (Systeme-kognitive Beschreibungsdomäne) und

- als Relation von offenen und geschlossenen Netzwerken (Systemen)

widerspruchsfrei thematisieren läßt. Die wissenschaftliche Umsetzung dieser Forderung stellt primär ein wissenschaftslogisches, interdisziplinär-orientiertes Problem dar, worauf in der Vergangenheit schon mehrfach hingewiesen wurde /20/ und begründet gleichzeitig das formale Fundament einer modernen allgemeinen Systemtheorie.
http://www.vordenker.de/autonomie/autonomie.htm