REDUKTIONISMUS, EMERGENZ, KREATIVITÄT, GOTT – S.A.Kauffman – Teil 3

Vorausgehender Teil 2

Letzte Änderung (mit Erweiterung): 24.März 2013

ZUSAMMENFASSUNG TEIL 1-2:

(1) Nach einer Charakterisierung des ‚Reduktionismus‘ am Beispiel der modernen Physik führte Kauffman verschiedene Argumente gegen diesen Reduktionismus an. Daraus und aus weiteren Argumenten formte er dann Argumente für die Nichtreduzierbarkeit des Biologischen auf das Physikalische. Diese führten dann zurück zum Ursprung des Lebens, zur unglaublichen Komplexität dieses Anfang und zugleich der anhaltenden Schwierigkeit, diesen Anfang plausibel erklären zu können. Kauffman präsentiert dabei auch ein eigenes Modell, das Modell der autokatalytischen Mengen, das — zumindest mathematisch – viele der wichtigen Fragen zu erklären scheint. Die dann folgenden Gedanken sind sehr ‚dicht‘ und kombinieren mehrere komplexe Konzepte: z.B. Begriffe wie ‚Bedeutung‘, ‚Wert‘, ‚Handeln‘, ‚Handelnder‘, ‚Zeichen‘ als wichtige Eigenschaften des Biologischen. Dazu die Frage nach möglichen Vorläufern, nach ‚allerersten Handelnden‘, sozusagen ‚Protoagenten‘. Zusätzlich wird angenommen, dass sich auf das Verhalten eines biologischen Systems der Begriff ‚zielgerichtet‘ anwenden lässt, der weitere Begriffe wie ‚Bedeutung‘, ‚Wert‘, ‚Absicht‘ und ‚Handelnder‘ impliziert. Schon auf der Ebene einer einzelnen Zelle sieht Kauffman alle wichtigen Eigenschaften als gegeben an: Zellen können ‚entdecken‘ (‚detect‘), sie haben eine ‚Wahl‘ (‚choice‘), und sie können ‚handeln‘ (‚act‘). Zusätzlich können sie sich ‚reproduzieren‘ und können mindestens einen ‚Arbeitszyklus‘ (‚work cycle‘ (im Sinne einer Carnot-Maschine) ausführen. Zusätzlich aber, und dies hebt Kauffman hervor, benötigen diese Systeme die Fähigkeit, diese Zufuhr von freier Energie zu organisieren. Dazu gehört die Fähigkeit der ‚Speicherung‘ von Energie und der Selbstreproduktion. Kauffman schlägt vor, diese ‚Zielgerichtetheit‘, die ein außenstehender Betrachter in solch einem evolutionären Prozess ‚erkennen‘ kann, als eine spezifische Eigenschaft solcher Systeme zu sehen, die er ‚Handlungsfähigkeit‘ (‚agency‘) nennt. Am Beispiel eines einfachen Bakteriums verdeutlicht Kauffman diese Begriffe weiter und führt an dieser Stelle fundamentale Begriffe kognitiver Prozesse ein wie ‚Semiose‘, ‚Zeichen‘, ‚Bedeutung‘, Absicht‘ usw. In diesem Zusammenhang erwähnt Kauffman nochmals David Hume (1711 – 1776), der die philosophische These aufgestellt hatte, dass man aus einem einfache ‚Sein‘, aus bloßen ‚Fakten‘, kein ‚Sollen‘ ableiten kann. Die zuvor von Kauffman vorgelegte Interpretation eines Proto-Handelnden würde dies einerseits bestätigen (der Gradient als solcher impliziert nichts), aber andererseits würde deutlich, dass ein Faktum (der Gradient) innerhalb der Beziehung zu einem System, das diesen Gradienten als ‚Zeichen‘ für etwas ‚interpretieren‘ kann, das für das System einen ‚Wert‘ darstellt, in den ‚Kontext eines Sollens‘ geraten kann, das vom interpretierenden System ausgeht. Während Arbeit für einen Physiker nach Kauffman beschrieben werden kann als eine ‚Kraft die über eine Distanz wirken kann‘, reicht dies nach Peter Atkins (Chemiker) nicht aus: Arbeit nimmt auch Bezug auf ‚Einschränkungen‘ (‚constraints‘), durch die die Freiheitsgrade verringert werden und diese Einschränkungen wiederum erlauben neue Arbeit. Er nennt dies das ‚Vorantreiben der Organisation von Prozessen‘ (‚propagating the organization of processes‘). Er erwähnt in diesem Zusammenhang den Unterschied zwischen ‚Wärme‘ (‚heat‘) und ‚Arbeit (‚work‘). Die maximale Verschiedenheit von Bewegungen in einem Gas liegt vor, wenn die Moleküle eine maximale Bewegungsfreiheit haben, also ein Minimum an Einschränkungen. Dieser Zustand erzeugt ‚Wärme‘ aber leistet keine ‚Arbeit‘. Um ‚Arbeit‘ zu verrichten muss man die Freiheitsgrade ‚einschränken‘. Kauffman kritisiert ferner das sehr verbreitete Konzept der ‚Information‘ nach Shannon bzw. das algorithmische Informationskonzept von Kolmogorov und meint, dass dieser Informationsbegriff zu kurz greift. Beiden Konzepten ist gemeinsam, dass sie letztlich nur nach der Menge der Informationen fragen, die übermittelt wird, aber vollständig offen lassen, ‚was‘ Information denn letztlich ist.
(2) [ANMERKUNG: Schon die bisherigen Ausführungen zeigen, dass Kauffmans Reflexionen sich komplexer Begriffe (‚Handelnder‘, ‚Semiose‘,…) bedienen, die er von ‚außen‘ an das ‚Phänomen‘ heranträgt. Die Phänomene selbst ‚zwingen‘ diese Begriffe ’nicht‘ auf; als reflektierender Beobachter kann man aber bei Kenntnis solcher Konzepte ‚Ansatzpunkte im Phänomen‘ sehen, die die Anwendung solcher Begriffe ’nahelegen‘. Folgt man seinen Deutungsvorschlägen, dann kann man in der Tat zwischen den Phänomenen und den vorgeschlagenen Begriffen eine Reihe von Zusammenhängen ‚erkennen‘, die die ‚reinen Fakten‘ in ‚komplexe Phänomene‘ ‚verwandeln‘, die sich einer aktuell möglichen physikalischen Interpretation entziehen.]
(3) Auf den SS.101-119 untersucht Kauffman unter der Überschrift ‚Order for Free‘ verschiedene mathematische Modelle, die emergente Phänomene simulieren. Auf die technischen Details gehe ich hier nicht weiter ein. [Anmk: Ich werde diese Modelle ab SS2013 im Rahmen meiner Vorlesungen testen und dann gelegentlich nochmal darüber berichten. Für die zentralen Aussagen der folgenden Kapitel spielen die Details keine Rolle.]

NICHTERGODISCHES UNIVERSUM

(4) Auf den SS 120-128 untersucht Kauffman das ‚Nichtergodische Universum‘ (Nonergodic Universe‘). Mit ‚Ergodizität‘ (‚Ergodicity‘) ist eine gewisse ‚Gleichheit‘ gemeint, die sich in der Gesamtheit der Ereignisse feststellen lässt, die unter Voraussetzung einer ‚Endlichkeit‘ eine ‚Wiederholbarkeit‘ impliziert. ‚Nichtergodizität‘ meint dann, dass nicht alle Ereignisse gleich häufig sind; damit wird das, was tatsächlich vorkommt, ‚besonders‘. Und Kauffman geht davon aus, dass die Entwicklung des Universums in allen bekannten Phasen in diesem Sinne besonders, ‚einzigartig‘ (‚unique‘) ist und sich hierin ’nicht wiederholt‘. (vgl. S.120f)
(5) Mittels einer Modellrechnung versucht er dies zu verdeutlichen: er nimmt das Beispiel von Proteinen mit jeweils L=200 Aminosäurebausteinen (tatsächliche Proteine können erheblich länger sein). Nimmt man an, dass 20 verschiedene Aminosäurebausteine verfügbar sind, dann ergibt sich die Menge aller möglichen Kombinationen als 20^200, dies entspricht 1.6 * 10^260. Als Alter des Universums nimmt er 10^17 s an. Ferner nimmt Kauffman beispielhaft an, dass für die Bildung eines Moleküls 10^-15 s benötigt würden. Er errechnet dann die Zahl von 10^67 Wiederholungen der gesamten Geschichte des Universums, um alle möglichen Poteine zu bilden [Anmk1: ich hatte 1.6*10^213 errechnet]. [Anmk2: Die Annahme von Kauffman setzt voraus, dass die Proteine nacheinander gebildet werden. Würde man annehmen, dass der Bildungsprozess parallel stattfinden würde, könnten natürlich zur gleichen Zeit viel mehr Proteine gebildet werden. Nimmt man – sehr idealisierend – an, dass sich innerhalb von 10^-15 s 10^80 Proteine bilden würden, dann wären dies innerhalb eines Durchlaufs des Universums vom BigBang bis heute 10^112 verschiedene Proteine. Das entspräche einem verschwindend kleinen Prozentsatz von 9.95*10^-111 % aller möglichen Proteine (der Länge 20). Das würde bedeuten, dass die Geschichte des gesamten Universums auch in diesem extrem unwahrscheinlichen Fall paralleler Erzeugung noch 1.6*10^148 mal wiederholt werden müsste, um alle möglichen Proteine der bescheidenen Länge L=200 zu bilden. Die Annahme eines ergodischen Universums für den Bereich der biogenen Moleküle erscheint also als stark unzutreffend.]
(6) Und Kauffman merkt an, dass dieser nicht-ergodische Charakter sich auf alle komplexen Phänomene oberhalb der Atome erstreckt.(vl. S.123). [Anmk: In Abwandlung der Kauffmanschen Überlegungen zu den autokatalytischen Prozessen könnte man auch folgende Überlegung formulieren: bei allen Prozessen, in denen sich komplexe Strukturen aus einfacheren Strukturen bilden, beobachten wir, dass in einem bestimmten Raumgebiet R_i sich eine spezifische Anfangsmenge S_j von Strukturen gebildet hat, deren Nachfolgezustand nf(S_j)=S_(j+1) sich durch Stattfinden bestimmter endlicher Veränderungen ’nf‘ (Operationen) bilden. D.h. die Menge der möglichen nachfolgenden Strukturen ist nachhaltig bestimmt durch die vorausgehende Stufe. Dadurch wird die Menge der ‚formal möglichen‘ Strukturen eingeschränkt auf die Menge der ‚historisch möglichen‘ Strukturen. Dies kann ’negativ‘ wirken im Sinne einer unnötigen Beschränkung. Man kann diesen Prozess aber auch so verstehen, dass die zu einem bestimmten Zeitpunkt ‚erreichten‘ Strukturen eine Art ‚Strukturgedächtnis‘ bilden von dem, was möglich ist. Die nachfolgenden Zeitpunkte müssen also nicht bei ‚Punkt Null‘ anfangen sondern können die ‚bisherigen Erfahrungen‘ nutzen. Das wiederum wäre im Sinn einer ‚Wissensbildung‘ ein ‚positiver‘ Fortschritt und wäre genau jene Form von ‚Beschleunigung‘, die die realen evolutionären Prozesse von den formalen Modellen reiner Zufälle unterscheidet. Da sich ferner nur solche Strukturen auf Dauer behaupten können, die sich im Kontext ‚bewähren‘, weil sie den ‚Gegebenheiten entsprechen‘, bilden solche ‚memorierten Strukturen‘ nicht nur eine ’neutrale, zufallsgesteuerte‘ Selektion, sondern eine ‚ko-evolutive‘ Entwicklung im Sinne eines strukturellen ‚Echos‘ auf das, was durch die Vorgabe der jeweiligen Umgebung ‚erwartet‘ wird.] Und nach weiteren spekulativen Modellexperimenten (vgl. S.123ff) folgert er dann, dass durch das Aufkommen von nichtergodischen = historischen Prozessen die Gewinnung von zureichenden Wahrscheinlichkeiten im realen Universum prinzipiell nicht möglich ist (höchstens unter sehr speziellen Randbedingungen). Damit gewinnt das Universum einen sowohl nicht-zufälligen Charakter und besitzt doch – quasi paradox — zugleich eine Nichtvoraussagbarkeit.(vgl.S.127f)

ADAPTION, PRÄADAPTION, KO-EVOLUTION

(7) Im folgenden Kapitel ‚Breaking The Galilean Spell‘ (etwa: Das Brechen von Galileis Zauber)(SS.129-149) versucht Kauffman nicht nur das, was er den ‚Zauber Galileis‘ nennt, ‚auszutreiben‘ (vgl.S.131), sondern auch – positiv – die Grundlage zu legen für seine ‚Wiederentdeckung des Heiligen‘.(vgl. S.130) Zur Erinnerung: Der ‚Zauber Galileis‘ besteht für Kauffman darin, dass die neue Form der wissenschaftlichen Beschreibbarkeit der Natur, die – natürlich nicht nur – mit Galilei begann und dann in den empirischen Wissenschaften (mit Newton, Schroedinger, mit Einstein usw.) eine ungeheuerliche Erfolgsgeschichte geschrieben hat, den Eindruck entstehen lies, als ob man das Verhalten der Natur mit einigen wenigen Gesetzen mathematisch vollständig beschreiben kann. Zeigten schon die Ausführungen in den vorausgehenden Kapiteln zur ‚Nichtergodizität‘ des Universums, dass diese Beschreibbarkeit nicht vollständig sein kann, so bringt jetzt Kauffmann nochmals speziell die biologische Evolution ins Spiel. Seine Hauptthese lautet: Das Biologische ist radikal nichtvorhersagbar und endlos kreativ. (vgl.S.130).
(8) Die zentralen Begriffe hier sind ‚Adaptation‘ und dann ‚Präadaptation‘. Mit ‚Adaptation‘ ist generell der Prozess gemeint, dass bestimmte genetisch kodierte Eigenschaften sich im Laufe der Interaktion mit den jeweiligen Umgebungen nicht nur generell ‚verändern‘ können, sondern dass es bestimmte Eigenschaften sind, die sich im Laufe der Zeit auf diese Weise ‚passend‘ zu einer bestimmten Umgebung ‚herausbilden‘. Diese biologische Eigenschaften (Kauffman macht dies am Beispiel der Entwicklung des Organs Herz fest) sind nach Kauffman weder erkenntnismäßig noch ontologisch mit den bekannten physikalischen Gesetzen voraussagbar. (vgl. S.131) Der Grund hierfür ist der Mangel an wiederkehrenden Eigenschaften. Weder sind jene Konstellationen voraussagbar, die zur Herausbildung des Herzens geführt haben, noch konnte man die dann tatsächliche Herausbildung des Herzens voraussagen, da die jeweiligen genetischen Kombinationen (nach Kauffman) prinzipiell nicht voraussagbar sind. ‚Prädaptation‘ ist eine Art Verfeinerung des Begriffs ‚Adaptation‘ dahingehend, dass es innerhalb einer genetischen Information Teilinformationen geben kann, die über lange Zeit hin keine besondere ‚Bedeutung‘ besaßen, bis irgendwann eine Konstellation Auftritt in der es plötzlich eine interessante ‚Verwendung‘ gibt. (vgl. S.131f) Berücksichtigt man den zusätzlichen Umstand, dass Adaptationsprozesse zeitgleich mit unzählig vielen anderen Adaptationsprozessen verlaufen, dann bilden solche Phänomene des sich ‚wechselseitig die Bälle Zuspielens‘ die Grundlage für das, was wir ‚Koevolution‘ nennen. Ein Adaptationsprozess alleine könnte noch so viele ‚Ansatzpunkte‘ (präadaptive Voraussetzungen) bieten; eine bestimmte Entwicklung würde nur stattfinden, wenn entsprechend parallel andere Entwicklungen zeitgleich auch verfügbar wären. Die in der Wechselwirkung sich dann zeigenden neuen Eigenschaften sagen etwas aus, über die beteiligten Prozesse, sind aber natürlich nicht voraussagbar im Sinne der klassischen Physik. Für eine Voraussagbarkeit würde man ein umfassendes Wissen aller möglichen künftigen Umgebungen benötigen samt der zugehörigen beteiligten adaptiven Prozesse. Nach Kauffman hat dieses Wissen niemand, es nicht verfügbar, also kann man auch nichts voraussagen. (vgl. S.132f).
(9) [Anmk: An dieser Stelle ist Vorsicht geboten. Zwar liegt hier sicher keine Voraussagbarkeit im Sinne der klassischen Physik vor, aber die klassische Physik wurde ja schon längst um die Quantenphysik erweitert. In der Quantenphysik weiß man deutlich weniger als im Falle von biologischen adaptiven Prozessen, und dennoch kann man quantenphysikalisch vieles ‚erklären‘. Ich halte es für möglich und wahrscheinlich, zu einer Theoriebildung im Zwischenbereich von Quantenphysik und klassischer Physik zu kommen, die mit beiden Bereichen ‚kompatibel‘ ist und die in der Tat die klassisch nicht voraussagbaren biologischen adaptiven Phänomene ‚erklären‘ und in gewisser Weise auch ‚voraussagen‘ kann. Dazu müsste man nur den Theoriebegriff entsprechend anpassen, was bislang – so scheint es – einfach noch niemand getan hat. Warum eigentlich nicht?]

KREATIVITÄT

(10) Durch diese wechselseitigen Abhängigkeiten der biologischen adaptiven Entwicklungen voneinander sind sie nicht nur schwer (bis garnicht) voraussagbar, sondern sie sind auch fragil, anfällig für ein kommendes Scheitern, wenn bestimmte Randbedingungen wieder wegfallen, die sie voraussetzen. (vgl. S.133) Identifiziert man diese ‚partiell gesetzlose‘ Situation mit ‚Kreativität‘ in dem Sinne, dass in einer ‚offenen‘ Situation beständig ’neue‘ Strukturen generiert werden, dann ist diese ‚endlose (‚ceaseless‘) Kreativität eine Form, die man mit dem Begriff ‚Gott‘ in Verbindung bringen kann, sozusagen eine natürliche Form von ‚Heiligkeit‘ (’sacred‘). (vgl.S.135) [Anmk: das englische Wort ’sacred‘, das Kauffman benutzt, ist eigentlich ein Adjektiv und kommt alleine als Substantiv eigentlich nicht vor. Er benutzt es aber so, wie wir im Deutschen das Wort ‚das Heilige‘ benutzen.]
(11) Auf die Frage, ob man die Gesetzeslosigkeit der biologischen adaptiven Prozesse ‚beweisen‘ könne, mein Kauffman mit Hinweis auf Goedels Unvollständigkeitsbeweis, dass die Voraussetzung für solch einen Beweis nicht gegeben seien, da mit der beständigen Erzeugung neuer nicht voraussagbarer Fakten kein vollständiges abgeschlossenes System vorliege, das einen solchen Beweis erlaube. (vgl.S.135)[Anmk: Das scheint mir zu wenig. Es geht ja hier nicht um die Fakten im einzelnen, sondern um die strukturellen Rahmenbedingungen, unter denen bestimmte Fakten auftreten bzw. nicht auftreten. Ich sehe zwar momentan auch niemanden, der einen solchen Beweis dafür oder dagegen bislang geführt hat, aber ich würde momentan nicht ausschließen wollen, dass wir zumindest mehr sagen können, als es Kauffman hier tut. Immerhin legt er hier den Finger auf die ‚Wunde’… ]

Teil 4

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