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Erschienen in Ausgabe: No 108 (02/2015) Letzte Änderung: 02.02.15

Physikalische und chemische Evolution

von Hans Sixl

Vorbemerkungen
Die physikalische Evolution steht am Beginn aller evolutionären Prozesse. Ihr folgen die chemische Evolution, die Biogenese und die biologische Evolution. Für die evolutionäre Entwicklung aller uns bekannten Teilchen ausgehend von den Elementarteilchen über die Atome und die ersten einfachen Moleküle sind ausschließlich physikalische und mathematische Gesetzmäßigkeiten verantwortlich, die dafür sorgen, dass laufend überproportional neue Informationen entstehen. Gekoppelt an die Evolution der Information erfolgt mit ihrer Verarbeitung eine Evolution des Geistes. Beim Übergang von Teilchen zu lebenden Systemen ändern sich die Mechanismen der Informationsverarbeitung, da zur Steuerung der Zellprozesse Informationen von einem Ort zum anderen übertragen werden müssen.

1. Einleitung

Selbst wenn wir uns auf die Informationen beschränken, die auf uns ununterbrochen über unsere Sinnesorgane einwirken, stellen wir bereits vielfältige grundverschiedene Arten der Information fest. Mit unseren Augen erfassen wir optische Informationen, die den größten und am schnellsten erfassbaren Informationsgehalt besitzen. Sie liefern uns Auskunft über Farben, Formen, Größen, Gestalten und Zusammensetzung der Gesehenen und informieren uns im Zusammenhang mit dem zeitlichen Verlauf auch noch über weitere Eigenschaften, an denen wir erkennen können, ob es sich um lebende, tote, biologische oder technische Objekte handelt. Sprachinformationen sind bereits sehr spezielle akustische Informationen, die wir mit unseren Ohren erfassen, da ja auch Töne, Laute, Tonsignale und Musik ohne eine Sprache im üblichen Sinn Informationen enthalten. Auch Gerüche und Geschmäcker, die unsere Rezeptoren in Nase und Mund erfassen, geben uns sehr spezielle chemische Informationen ohne eine Sprache im üblichen Sinn. Und letztendlich gibt uns unser Tastsinn sehr spezielle physikalische Informationen über Eigenschaften des Gefühlten wie warm oder kalt, hart oder weich, groß oder klein, rund oder eckig usw.
Ferner existieren weitere Informationen, die wir nicht mit unseren Sinnesorganen erfassen können, die wir aber in biologischen Systemen weitgehend erforscht, sowie in technischen Systemen selbst entwickelt haben. Gemeint sind damit die genetischen Informationen, die Informationen in den neuronalen Netzwerken des Gehirns sowie die Informationen, die in Computern und anderen elektronischen Geräten auf unterschiedlichsten Datenträgern abgespeichert und mit jeweils speziellen Mechanismen weiterverarbeitet werden.
Teilchen wie Atome, Moleküle usw. sowie beliebige Objekte oder Lebewesen wie Pflanzen, Tiere und Menschen erkennen wir an ihren Eigenschaften, die sie uns bei einer Wechselwirkung beispielsweise mit Licht, d.h. bei einem Informationsaustausch vermitteln. Viele verschiedene Arten von Informationen charakterisieren dabei jeweils die Identität der verschiedenartigsten Dinge. Wir empfangen diese Informationen direkt über unsere Sinnesorgane oder indirekt mit Hilfe von technischen Geräten oder Apparaturen, die uns Auskunft über ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften geben. Alles auf unserer Welt funktioniert nur über Kommunikation und Verarbeitung von Informationen, für die entsprechend der verschiedenen Arten der Informationen auch verschiedene Geistformen verantwortlich sind, die in den bereits publizierten Teilen der Naturwissenschaft des Geistes in Tabularasa (Sixl 2013, 2014) beschrieben wurden.

2. Information und Informationsverarbeitung bei Elementarteilchen

Entsprechend der Standardtheorie der Kosmologie entstand unser Universum vor 13.7 Milliarden Jahren aus einer Raum-Zeit-Energie-Singularität, das heißt, zum Zeitpunkt Null waren Raum, Zeit und Energie in einem Punkt vereinigt. Dies wird durch drei wesentliche Beobachtungen bestätigt:
Erstens durch die Zusammensetzung der chemischen Elemente.
Zweitens durch die kosmische Hintergrundstrahlung.
Und drittens durch die mit wachsender Entfernung der Galaxien zunehmende Rotverschiebung der Spektrallinien.
Messtechnisch nicht zugänglich sind uns nur die Informationen, die in der Raum-Zeit-Energie-Singularität steckten. Die Sekundenbruchteile nach dem „Urknall“ aus der Energie entstandenen Elementarteilchen können jedoch aufgrund der in den letzten Jahrzehnten gewonnenen Erkenntnisse, in Laborexperimenten hergestellt und mit technischen Mitteln untersucht werden. Ihre speziellen Informationen teilen sie uns über ihre spezifischen Eigenschaften mit. Heute wissen wir, dass es sich dabei um 61 verschiedenen Elementarteilchen handelt, von denen – ohne die entsprechenden Antiteilchen, 37 Elementarteilchen (18 Quarks, 6 Leptonen und 13 Austauschteilchen) in späteren Schritten die heutigen Atome aufbauen.
Die Elementarteilchen enthalten in ihren spezifischen Eigenschaften die elementarsten Informationen, die uns messtechnisch zugänglich sind. Sie charakterisieren die Identität des jeweiligen Teilchens.
Mit Blick auf die Erhaltungssätze der klassischen Physik werden die Quarks und Leptonen (die Fermionen) als die kleinsten Teilchen der Materie gesehen und deshalb auch alsMaterieteilchenbezeichnet. Die Austauschteilchen (Bosonen) sind hingegen nur für den Informationsaustausch zwischen den Materieteilchen und die dabei entstehende Kraftwirkung zuständig. Sie werden in der Quantenfeldtheorie mit den Feldern assoziiert, die die Kräfte zwischen den Materieteilchen bewirken.
Die Informationen der einzelnen Elementarteilchen offenbaren sich erst durch ihre Wechselwirkung mit anderen Elementarteilchen. Jede Wechselwirkung ist das Ergebnis eines Informationsaustauschs.
Damit die Wechselwirkung mit der richtigen Kraft zu einer Anziehung oder Abstoßung der Elementarteilchen führt, müssen die notwendigen Informationen über die einzelnen Elementarteilchen vorliegen und kommuniziert werden, denn nicht jedes Teilchen reagiert mit jedem und auch nicht auf dieselbe Art und Weise. Alle Teilchen beschaffen sich die notwendigen Informationen über ihre Kraftfelder, die in der Quantenfeldtheorie durch die dafür zuständigen virtuellen Bosonen perfekt beschrieben werden. Entsprechend ihrer Funktion als Informationsüberträger werden die Bosonen auch als Austauschteilchen, Botenteilchen oder Kraftteilchen bezeichnet. Sie dienen erstens der Kommunikation der Information über die Art des Teilchens, die im Wesentlichen durch Ladung, Masse und Spin gegeben ist und zweitens zur Ausbildung einer Kraft zwischen den Teilchen, die je nach Teilchen über einen speziellen Mechanismus erfolgt. Daraus folgt:
(1) Schon die elementarten Teilchen der Materie enthalten Informationen, die sie charakterisieren und mit denen man sie identifizieren kann, so wie man auch Personen über die Informationen, die sie charakterisieren, identifizieren kann. Alle Elementarteilchen sind damit Träger von Informationen.
(2) Ferner sind schon die elementarsten Teilchen der Materie bereits wahrnehmungsfähig wie wir Menschen und ähnlich wie wir in der Lage, Informationen mit ihresgleichen auszutauschen. So wie sie Informationen mit ihren zugehörigen Bosonen als Informationsüberträger versenden und empfangen, so verwenden wir bei der zwischenmenschlichen Kommunikation Schallwellen oder elektromagnetische Wellen als Informationsüberträger.
(3) Die Kommunikation bewirkt etwas, wenn sie verstanden wird. Im Fall der Elementarteilchen bewirkt sie eine Kraftwirkung zwischen den Teilchen, wenn es sich um jeweils dieselben Bosonen handelt, mit denen Informationen ausgetauscht werden. Denn nur dann „verstehen“ sich die Teilchen. Auch bei uns Menschen bewirkt die Kommunikation etwas, wenn sie verstanden wird, denn nur dann kann sie in unserem Gehirn von unserem Geist verarbeitet werden. In beiden Fällen löst damit ein Geist, der die kommunizierte Information verarbeitet, eine Dynamik aus.
Wir halten damit fest, dass schon die kleinsten Materieteilchen unseres Universums, die nach der Standardtheorie der Kosmologie unmittelbar nach dem Urknall aus Energie entstanden sind, Informationen besitzen, die sie anderen Elementarteilchen mithilfe von Informationsträgern mitteilen können. Die Verarbeitung der so kommunizierten Informationen erfolgt dabei analog zur Informationsverarbeitung im menschlichen Gehirn mit einem elementaren „Geist“, der mit einem Mechanismus arbeitet, der elementaren rein physikalischen Gesetzmäßigkeiten folgt. Bei der dabei entstehenden Wechselwirkung wirkt der Geist mit den jeweils zugehörigen Fundamentalkräften entsprechend den jeweils zugehörigen Bosonen. Die elektromagnetische Kraft wird durch Photonen, die schwache Fundamentalkraft durch Z- und W-Bosonen, die starke Fundamentalkraft durch Gluonen und die Gravitationskraft durch Gravitonen vermittelt.
Die elementarste Form des Geistes, der Informationen mit entsprechend elementaren physikalischen Mechanismen verarbeitet, findet man in den kleinsten Teilchen der Materie. Sie besitzen aber nicht nur Informationen (und mit ihnen eine Identität), sondern auch die Fähigkeiten, sie mit anderen Elementarteilchen mittels Informationsträgern, den Bosonen, zu kommunizieren. Für die Verarbeitung der so ausgetauschten Informationen ist die elementarste Form eines Geistes zuständig, die zu einer speziellen Wechselwirkung/Reaktion zwischen den Teilchen führt.
Wie unser menschlicher Geist Sinnesinformationen verarbeitet, so verarbeitet auch der angesprochene elementare Geist der Elementarteilchen die Informationen, die er mit Hilfe der Bosonen wahrnimmt. Wie wir Menschen haben deshalb auch die kleinsten materiellen Teilchen der Welt die Fähigkeit, Informationen wahrzunehmen und sie zu einer Aktion weiter zu verarbeiten. Die auf diese Weise naturwissenschaftlich begründete Erkenntnis, dass schon die kleinsten unteilbaren Teilchen der Materie, in Analogie zum Menschen, Körper und Geist besitzen und damit wahrnehmungsfähige „Wesen“ sind, bestätigt die Monadentheorie von Leibniz, der vor mehr als 300 Jahren natürlich noch nichts von Elementarteilchen und ihren Informationen, von einer Informationsverarbeitung bei der Wechselwirkung von Elementarteilchen und von Informationsverarbeitung in Neuronen, Genen und Computern wusste. Sein Grundgedanke ging aber zu Recht davon aus, dass alle Eigenschaften der Natur und damit auch alle Wesensmerkmale der Menschen und damit auch der menschliche Geist in einer endlosen Kausalkette ihre Ursache in den kleinsten Teilchen der Materie haben sollten.


3. Die automatische Erzeugung neuer Teilchen und neuer Informationen

Alle in der Natur automatisch ablaufenden Prozesse sind über die Naturgesetze vorprogrammiert. Ausgangspunkt aller Naturgesetze sind dabei die Eigenschaften der Elementarteilchen und die der Fundamentalkräfte, die über die Kommunikation zwischen den Teilchen mittels Bosonen entstehen. Zu den ersten automatisch ablaufenden Prozessen zählt die Bildung der Elementarteilchen und aus ihnen die Bildung der zusammengesetzten Teilchen, aus denen die Atome und Moleküle unserer Welt entstanden sind.
Die Automatik der Erzeugung neuer Teilchen basiert auf der Verarbeitung von Informationen und folgt strengen Gesetzmäßigkeiten. Bei der Zusammenlagerung von Quarks entstehen dabei durch die starke Kernkraft mit Gluonen als Austauschteilchen der Informationen die Hadronen, von denen das Proton und das Neutron die bekanntesten sind. Aus diesen entstehen wiederum durch dieselbe starke Kernkraft mit Gluonen die Atomkerne der uns bekannten chemischen Elemente. Aus den Atomkernen und den Elektronen entstehen durch die elektromagnetische Kraft mit Photonen als Austauschteilchen die Atome. Aus Atomen entstehen ebenfalls durch die elektromagnetische Kraft mit Photonen als Austauschteilchen die Moleküle, ebenso wie mit denselben Mechanismen aus Molekülen, Makromoleküle, Kristalle, Zellen usw. entstehen. In allen Schritten wirken entsprechend den physikalischen Gesetzmäßigkeiten und den dabei entstehenden Kraftwirkungen gewisse Selektionsmechanismen, die die Zahl der statistisch möglichen Kombinationen bei der Zusammenlagerung von Elementarteilchen, Atomen und Molekülen einschränken.
Die Vielfalt der automatisch entstehenden neuen Teilchen mit ihren veränderten Teilcheneigenschaften (Mutation) wird damit zugunsten ihrer Stabilität (ihrer Lebensdauer) eingeschränkt (Selektion). Die Bildung neuer Generationen von zusammengesetzten Teilchen folgt damit von Anfang an evolutionären Mechanismen.
Warum stabilere zusammengesetzte Teilchen bevorzugt werden, liegt an den Naturgesetzen, die die Energie betreffen. Sie erlauben es z.B., dass Elektronen Teile ihrer überschüssigen Energie durch Emission ihrer Bosonen, der Photonen, spontan, also von sich aus, abgeben dürfen. Diese Photonen gehen ihnen dann mit ihrer Energie, die sie als Information mitnehmen, als abgestrahlte reale Photonen, verloren. Das entspricht dem Gesetz der Energieerhaltung. Das Absenden eines Informationsträgers, kann also nur geschehen, wenn der Sender überschüssige Energie besitzt. Das ist auch das Prinzip der Informationsübertragung über größere Distanzen. Beim umgekehrten Prozess der Absorption, kommt der Informationsträger aber nur in einem geschlossenen System bei einem Empfänger an. In einem offenen System geht der Informationsträger meist verloren, so wie das meiste Licht der Sonne im Weltall keinen Empfänger findet.
Wenn sich Menschen für eine spezielle Aktion entscheiden, also gewisse Aktionen bevorzugen, dann entspricht dies ihrem Willen. Entsprechend können wir sagen:
Die Natur bevorzugt bei der Teilchenerzeugung mit ihren Naturgesetzen stabile Teilchen mit längerer Lebensdauer. Ihr Wille ist damit, ein längeres Leben der entstehenden Teilchen sicherzustellen. In dem Naturgeschehen ist damit schon bei den einfachsten elementaren Teilchen ein Geist mit einem einprogrammierten Willen aktiv, auf den auch der menschliche Überlebenstrieb zurückzuführen ist.
Die neuen zusammengesetzten Teilchen, die in den einzelnen Reaktionsschritten entstehen, besitzen neue Eigenschaften und damit neue Identitäten, die nicht der bloßen Summe der Informationen der einzelnen Elementarteilchen entsprechen, sondern zusätzliche neue Merkmale enthalten. Zu den ursprünglichen Informationen kommen also bei jeder Reaktion neue Informationen hinzu, die mit denselben physikalischen Mechanismen durch denselben elementaren physikalischen Geist, der die Informationen der Elektronenhüllen mit virtuellen Photonen verarbeitet, zu Aktionen umgesetzt werden, so wie auch der Mensch im Laufe seines Lebens immer mehr Informationen erhält, die er mit seinem Geist verarbeitet. Bei Menschen nennt man diesen Prozess einen Lerneffekt, der zu einem Bewusstsein führt.
Da aus Energie alle Teilchen mit ihren Antiteilchen unabhängig voneinander produziert werden können, überrascht es, dass aus der ursprünglichen Energie der Raum-Zeit-Energie-Singularität letztendlich nicht mehr und nicht weniger als ganz genau die dazu notwendigen 37 speziellen Arten der Elementarteilchen, die die Materie unserer realen Welt aufbauen, im richtigen Verhältnis produziert wurden. Es sei denn, alle überflüssigen Teilchen sind im Gegensatz zu denen, die sich durch die Gravitationskraft zu der heute anzutreffenden Materie zusammengeballt haben, durch die Raumexpansion im Weltraum verloren gegangen. Es könnte aber auch sein, dass bereits in der Energie der Singularität die Information enthalten war, wieviel verschiedene Arten von Teilchen im richtigen Verhältnis mit welchen Mechanismen entstehen sollten. Mit der uns zur Verfügung stehenden Logik gibt es damit zwei weitere Möglichkeiten. Entweder die Ursprungsenergie entsprach gemäß der Einsteinschen Beziehung E=mc2 genau der Materie auf unserer Welt, die dann nach dem Urknall über das richtige Verhältnis der Elementarteilchen reproduziert wurde, oder die Ereignisse waren intern so vorprogrammiert, wie in einem Ei, aus dem z.B. ein Huhn und nichts anderes entsteht. In den beiden letzten Fällen hätte die Ursprungsenergie bereits die Information zur Ausbildung dieses sehr speziellen Massenspektrums sowie den Geist, der imstande war, die Informationen mit dem entsprechenden Mechanismus zu verarbeiten, enthalten. Dies folgt aus der Kausalität naturwissenschaftlicher Ereignisse, von der wir allerdings nicht wissen, ob sie in der Anfangssingularität erfüllt war.

4. Information und Informationsverarbeitung bei der Wechselwirkung elementarerTeilchen

Die mathematischen Gesetzmäßigkeiten, nach denen die Fundamentalkräfte bei der Wechselwirkung von Elementarteilchen wirken, sind quantitativ bis ins feinste Detail bekannt und bilden die Grundlage der modernen Naturwissenschaften. Beispielsweise konnte schon Newton vor 330 Jahren eine mathematische Formel für die Gravitationskraft angeben. Auch Coulomb konnte schon vor 230 Jahren angeben, dass die nach ihm benannte elektrische Kraft zwischen zwei Ladungen genau mit dem Quadrat ihres Abstandes, ähnlich wie die Gravitationskraft zwischen zwei Massen abnimmt. Wie die Fundamentalkräfte im Detail durch den Informationsaustausch der dafür jeweils zuständigen Austauschteilchen zustande kommen, und warum sie genau die ermittelte mathematische Form ergeben, ist allerdings nicht bekannt. Dazu fehlt sowohl eine mathematische Beschreibung der Bosonen als auch der durch sie ausgetauschten Informationen. Wir kennen zwar die Mechanismen der Informationsübertragung mit realen Photonen in der Elektrotechnik, die Energie und Information von einem Sender zu einem Empfänger übertragen, aber nicht die Mechanismen, mit denen z.B. beim Austausch von Energie und Information mit virtuellen Photonen die Coulombkräfte zwischen den Ladungen der Elementarteilchen entstehen. Was geschieht, ist bekannt, aber nicht wie es der dafür zuständige Geist im Detail macht. Mit derselben mathematischen Formel, mit der die elektromagnetische Kraft und die Gravitationskraft mit dem Abstand zwischen zwei punktförmigen Teilchen abnehmen, nimmt auch die Größe des Oberflächenfensters ab, das dem Wirkungsquerschnitt der Kommunikation entspricht. Das Ergebnis ist damit bekannt und kann in der Quantenelektrodynamik mit Kraftfeldern quantitativ beschrieben werden, aber Anzahl, Reichweite und Energie der ausgetauschten virtuellen Bosonen bleiben unbestimmt. Deshalb gilt:
Die Gesetzmäßigkeiten, denen die Fundamentalkräfte folgen, die zwischen den Elementarteilchen durch Informationsaustausch mittels Austauschteilchen entstehen, sind quantitativ bekannt. Die Details der Mechanismen der dafür zuständigen Formen des Geistes, die sie bei der Verarbeitung der Information auslösen, sind jedoch noch unbekannt.
Da alles, was aufgrund des Informationsaustauschs geschieht, über die Naturgesetze vorprogrammiert ist, arbeitet der zuständige Geist der Elementarteilchen wie der technische Geist in Computern nicht nur mit Informationen, sondern auch mit Programmen, die die Informationen dazu enthalten, in welcher Weise (also mit welchen speziellen Mechanismen) die Aktion auszuführen ist.
Informationen allein verursachen keine Dynamik. Diese entsteht erst bei der Kommunikation über den Geist, der sie dabei mit einem speziellen Mechanismus verarbeitet. Seine Arbeit wiederum folgt den Programmen, die durch naturwissenschaftlich erforschte und z.B. in Computern genutzten Gesetzmäßigkeiten vorgegeben sind.
Die Natur ist deshalb dazu vorprogrammiert, aus Elementarteilchen ganz bestimmte zusammengesetzte Teilchen zu bilden und keine anderen. Dieses Programm ist nicht in den Eigenschaften der Teilchen enthalten, sondern in den Naturgesetzen, die genauestens festlegen, nach welchen mathematischen Gesetzmäßigkeiten die bei einem Informationsaustausch entstehenden Fundamentalkräfte wirken müssen und was dabei energetisch geschehen darf. Der Mechanismus, mit dem der zugehörige Geist die Informationen in eine Aktion umsetzt, wird durch die physikalischen und mathematischen Gesetzmäßigkeiten bestimmt, die zu den Fundamentalkräften führen. Was bei der Informationsverarbeitung geschieht, ist durch diese Naturgesetzmäßigkeiten vorprogrammiert.
Über die entsprechende Wirkung der Fundamentalkräfte entstehen nicht alle statistisch möglichen nahezu beliebig vielen aus Elementarteilchen zusammengesetzte neue Teilchen, sondern nur einige auserwählte, die wir von den bekanntenHadronen, von den bekannten Atomkernen und von den bekannten Atomen her kennen.
Durch die Naturgesetze und deren Stabilitätskriterien ist die Natur dazu vorprogrammiert, nur ganz bestimmte zusammengesetzte Teilchen zu bilden und keine anderen. Ähnlich wie bei der Evolution des Lebens nicht beliebige Lebewesen entstehen können, so können auch mit Elementarteilchen nicht beliebige Hadronen und mit ihnen nicht beliebige Atome entstehen.
Beim Übergang von Elementarteilchen zu Atomen erfolgt eine weitere überproportionale Zunahme der Informationen, da die neuen Teilchen nicht nur die Informationen der einzelnen Elementarteilchen enthalten, sondern auch noch zuvor nicht vorhandene strukturelle und energetische Eigenschaften, die durch physikalische und mathematische Gesetzmäßigkeiten bestimmt werden. Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten bestimmen über die Fundamentalkräfte primär die Dynamik dessen, was bei einer Reaktion geschieht und die mathematischen Gesetzmäßigkeiten bestimmen primär die Geometrie, Struktur, Form und Verteilung der Elementarteilchen in den neu entstandenen Strukturen. Letzteres wird besonders deutlich beim Hinzufügen von Elektronen zu einem Atom, da alle hinzugefügten Elektronen paarweise neue Orbitale besetzen, die eine andere geometrische Elektronenstruktur haben. Dies folgt aus der mathematischen Logik der Quantenmechanik, in der die Elektronen nicht als Teilchen, sondern als Materiewellen beschrieben werden.
Mit der speziellen Struktur der Elektronenhülle ergibt sich eine im Vergleich zu ungebundenen Elektronen völlig veränderte Aufenthaltswahrscheinlichkeit und damit eine entsprechend veränderte Eigenschaft des betroffenen Elektrons. Die im Atomkern gebundenen Nukleonen sowie die in der Elektronenhülle der Atome gebundenen Elektronen sind deshalb nicht mehr jeweils gleichwertig wie zuvor, als sie noch ungebunden waren, sondern zeichnen sich aufgrund der Quantenmechanik in den gebundenen Zuständen durch völlig andere Informationen aus.
Schon in der klassischen Teilchenbeschreibung ergibt sich die Identität eines zusammengesetzten Teilchens nicht einfach aus der Summe der ursprünglichen Bestandteile, wie man beispielsweise an folgenden geometrischen Gegebenheiten leicht erkennen kann: Ein Teilchen ist ein Punkt. Zwei Teilchen bilden ein Liniengebilde (eine Hantel), drei Teilchen können eine Linie oder ein Flächengebilde (ein Dreieck) bilden, vier Teilchen können eine Linie, eine Fläche (ein Viereck) oder ein Raumgebilde (ein Tetraeder) bilden usw. Mit zunehmender Zahl der Teilchen gibt es also immer mehr geometrische Strukturvarianten und mit ihnen immer mehr neuartige Gebilde mit zusätzlichen neuen Informationen.
Die Informationen, die in einem aus Elementarteilchen zusammengesetzten Teilchen enthalten sind, entsprechen mehr als der Summe der Informationen der einzelnen Elementarteilchen.
Der Mechanismus, der zu den Kraftwirkungen zwischen zusammengesetzten Materieteilchen führt, basiert in allen Fällen immer auf einem Informationsaustausch mittels Bosonen. Da aber in zusammengesetzten Teilchen wesentlich mehr Informationen als in den einzelnen Teilchen vorliegen, spielen neben den Eigenschaften der ursprünglichen isolierten Elementarteilchen auch noch die neuen Strukturen und die energetischen Zustände eine Rolle, die damit die weiteren Wechselwirkungen entscheidend mitbestimmen.

5. Information und Informationsverarbeitung bei Atomen

Durch den Zusammenschluss von Protonen und Neutronen bilden sich die Atomkerne und mit der entsprechenden Elektronenzahl die uns bekannten Atome, deren Identität durch die Protonenzahl, die bei neutralen Atomen identisch mit der Elektronenzahl ist, vorgegeben ist. Schon das von Mendelejew und Meyer vor etwa 250 Jahren eingeführte Periodensystem der Elemente zeigt als wesentliche Information, dass sich die chemischen Eigenschaften der Atome nicht einfach additiv aus den Eigenschaften der jeweils zugefügten Teilchen ergeben.
Mit jedem zusätzlichen Elektron erhält ein Atom völlig neue Eigenschaften, die nicht den Eigenschaften des zugefügten Elektrons allein entsprechen. Das Atom erhält damit eine neue Identität, die nicht nur durch die Elektronenzahl sondern auch durch seine äußere Form, seine spezielle Struktur und seine geänderte Energie bestimmt wird.
Da beim Zusammenschluss von Atomen zu Molekülen die Atomkerne und die Elektronen auf den inneren Elektronenschalen unverändert bleiben, bestimmen allein die Elektronen der äußeren Elektronenschale, was chemisch geschehen kann. Da entsprechend der Quantenmechanik jeweils zwei s- und sechs p-Elektronen die äußere Schale bilden, folgen daraus acht Hauptgruppen mit jeweils unterschiedlicher chemischer Reaktivität, die sich periodisch mit jeder Schale (den einzelnen Perioden) wiederholen. Die Wechselwirkung basiert deshalb bei allen chemischen Reaktionen zwischen Atomen allein auf einem Informationsaustausch zwischen den äußeren Elektronen und wird durch deren Bosonen – das sind die zugehörigen Photonen, vermittelt. Letztere erzeugen mit den bereits besprochenen physikalischen Mechanismen die elektromagnetische Fundamentalkraft, die zu der Bindung zwischen den Atomen führt.
Alles was in Chemie, Biologie und Technik (und da speziell in der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik) geschieht, beruht damit allein auf einem Informationsaustausch mittels Elektronen. Alle anderen Fundamentalkräfte spielen dabei keine Rolle.
Wie Strukturen die ursprüngliche Identität der Atome beim Zusammenschluss zu Molekülen verändern können, kann an einem einfachen Beispiel veranschaulicht werden. Wenn sich z.B. zwei Stickstoffatome zu einem Stickstoffmolekül zusammenschließen, dann entsteht aus zwei sehr reaktiven Atomen ein chemisch sehr stabiles Molekül mit einer total veränderten Elektronenstruktur, das dann einem Edelgas gleicht. Durch die Paarung von Atomen entstehen damit grundsätzlich neuartige Moleküle mit einer gegenüber den ursprünglichen Atomen völlig veränderten neuen Identität, die sich durch total veränderte Eigenschaften/Informationen auszeichnet.
Die Identität der ursprünglichen Atome ist in einem aus ihnen gebildeten Molekül nicht mehr erkennbar. Moleküle haben völlig andere Eigenschaften als die ihrer ursprünglichen Atome.
Die Kommunikation zwischen den äußeren Elektronen führt bei der Reaktion zwischen Atomen, zwischen Atomen und Molekülen und zwischen Molekülen zu chemischen Reaktionen. Diese können bei einfachen Atomen und Molekülen noch quantitativ mit den Methoden der Quantenmechanik berechnet werden. Je nach Anzahl der beteiligten Atome ergeben sich dabei mehrere mögliche Endzustände, von denen die energetisch günstigsten bevorzugt werden. Die ungünstigen werden evolutionär aussortiert. Die Vielfalt und Komplexität der dabei entstehenden dreidimensionalen Strukturen ist dabei so groß, dass ihre Anzahl nahezu unüberschaubar wird und ganze Bücher füllt.
Mit neuen Molekülen schafft die Natur mit ihren Naturgesetzen neue Informationen (Mutation), wobei entsprechend den Reaktionsbedingungen nur die energetisch stabilsten Molekülstrukturen bevorzugt werden (Selektion). Mit der Evolution von Molekülen mit bestimmten molekularen Strukturen erfolgt damit auch eine Evolution der Information.
Die Informationen, die die Elementarteilchen beschreiben, sind überschaubar und noch einfach physikalisch und mathematisch zu beschreiben. Die Informationen, die die zusammengesetzten Teilchen beschreiben, die zu den Atomen führen, sind schon deutlich mehr als die Summe der Einzelteilchen. Nur die kleinen Atome sind dabei noch physikalisch-mathematisch quantitativ berechenbar. Dies betrifft vor allem deren bereits sehr komplexe Elektronenstruktur, die für die chemischen Eigenschaften der Atome verantwortlich ist. Auch die Veränderungen der Elektronenstrukturen bei der Bildung von einfachen Molekülen sind noch physikalisch-mathematisch einigermaßen quantitativ oder in guter Näherung beschreibbar.
Die Informationen, die sich durch die Zusammenlagerung von Atomen zu Molekülen und von Molekülen zu Makromolekülen ergeben, sind schließlich durch veränderte Strukturen und Energien nicht mehr vollständig überschaubar und nicht mehr physikalisch quantitativ erfassbar.
Bei chemischen Reaktionen zwischen Atomen und zwischen Molekülen können nicht statistisch viele beliebige Moleküle sondern nur ganz bestimmte entstehen. Das Selektionskriterium ist dabei die Stabilität der Moleküle. Ähnlich wie bei der Evolution des Lebens nicht beliebige Lebewesen entstehen können, so können auch aus Atomen nicht beliebige Moleküle entstehen.
Je nach Reaktionsbedingungen, die durch viele Faktoren bestimmt werden, können nur ganz bestimmte Substanzen entstehen. Deshalb ist es im Chemielabor auch möglich ganz gezielt, ganz spezielle Chemikalien herzustellen. Zu ein und derselben Zusammensetzung ergeben sich meist viele Strukturvarianten mit unterschiedlichen Eigenschaften, die sich damit durch unterschiedliche Informationen und deshalb auch durch unterschiedliche Reaktivitäten auszeichnen.

6. Physikalische Evolution, chemische Evolution und biologische Evolution

Alle evolutionären Prozesse zeichnen sich durch Mutation und Selektion aus. Unter Mutation versteht man dabei eine vererbbare Abänderung der Eigenschaften eines Lebewesens. In der physikalischen und chemischen Evolution wird diese Definition verallgemeinert und man versteht dann darunter eine Abänderung der Eigenschaften eines Teilchens, eines Atoms oder Moleküls in einer Reaktion, die sich in allen Folgereaktionen auswirkt. Von den vielen möglichen Mutationen bei den Elementarteilchen, Atomen und Molekülen setzen sich in einem Selektionsprozess je nach Reaktionsbedingungen immer die stabilsten Varianten durch. Was der Situation angepasst stabil ist, wird dabei durch strenge physikalische Gesetzmäßigkeiten festgelegt.
Alles was bei den Prozessen der physikalischen und chemischen Evolution geschieht, geschieht durch Informationsaustausch der Elektronen mittels virtueller Photonen, die die entsprechenden Bindungskräfte verursachen. Alle chemischen Reaktionen sind damit auf rein physikalische Prozesse zurückzuführen, denn alles, was bei ihnen geschieht, basiert auf der Kommunikation zwischen den Elektronen der äußeren Elektronenschale. Der elementare Geist, der die entsprechenden Informationen zu einer bestimmten elektromagnetischen Kraft verarbeitet, ist dabei immer derselbe Geist, der aber je nach Art der beteiligten Teilchen mit sehr speziellen Informationen umgeht.
Auch die biologische Evolution baut auf der bisher beschriebenen Informationsverarbeitung zwischen Atomen und Molekülen auf, da lebende Zellen wie Miniatur-Chemiefabriken unzählige komplexe chemische Reaktionen ausführen. Diese Prozesse dürfen aber nicht willkürlich ablaufen, sondern müssen richtig gesteuert werden. Bei der Entstehung des Lebens, in der Biogenese, musste deshalb ein Steuerungsmechanismus gefunden werden, der diese Aufgabe übernimmt. Es handelt sich dabei um einen neuen Mechanismus der Informationsverarbeitung, der mit realen Informationsträgern arbeitet und der als Biokommunikation bezeichnet wird. Der dabei wirkende Geist ist in der Lage, die Chemie in den Zellen zu steuern und Informationen von einem Ort zum anderen zu übertragen.
Der Geist, der inlebenden Systemen für die Biokommunikation zuständig ist, arbeitet nicht nur mit virtuellen sondern auch mit realen Informationsträgern. Dabei werden Informationen und Energie nicht wechselseitig zwischen unmittelbar benachbarten Molekülen ausgetauscht, sondern einseitig gerichtet von einem Sender zu einem Empfänger, von einem Ort zu einem anderen übertragen.
So wie ein Molekül durch Molekularbewegung jede andere Stelle des Reagenzglases erreicht, so gelangt auch mit ihm die Information über seine Identität dorthin. Ein Molekül A, das unter bestimmten Reaktionsbedingungen an der Stelle a entstanden ist und das nur mit einem Molekül B reagieren kann, wird diese Molekül im selben Reagenzglas an einer Stelle b erreichen. Wenn es dort mit ihm reagiert, hat es seine Information, die es bei seiner Entstehung am Ort a mit seiner Identität erhalten hat, am Ort b abgegeben, wo es von dem Molekül B übernommen wurde. Auf diese Weise kann am Ort b etwas geschehen, was am Ort a initiiert wurde. Das ist die Grundlage für jede Art der Steuerung.Um eine spezielle Information am Ort a zu erzeugen, benötigt man Energie. Diese wird mit der Information am Ort b abgegeben.
Zur Kommunikation in lebenden Systemen wird zur Erzeugung der realen Informationsträger Energie benötigt. Deshalb müssen lebende Zellen ständig mit Energie versorgt werden.
Virtuelle Informationsträger (virtuelle Photonen bei chemischen Reaktionen) erzeugen Kräfte am Ort des wechselseitigen Informationsaustauschs (zwischen den Elektronen der äußeren Elektronenschale der beiden an der Reaktion beteiligten Atome oder Moleküle). Beide Reaktionspartner sind dabei sowohl Sender als auch Empfänger der gleichzeitig ausgetauschten Informationen. Reale Informationsträger (z.B. reale Photonen in der Nachrichtentechnik oder reale Moleküle oder Ionen in der Genetik) entstehen mit Energie durch Kräfte am Ort des Senders und erzeugen zu einem späteren Zeitpunkt bei ihrer Abgabe mit ihrer Energie Kräfte am Ort des Empfängers.
Damit besteht ein fundamentaler Unterschied zwischen dem Informationsaustausch mit virtuellen Informationsträgern und der Informationsübertragung mit realen Informationsträgern, der u.a. für die Biogenese und damit für die Entstehung des Lebens verantwortlich gemacht werden kann.
Mit ein und denselben Informationsträgern (in unserem Beispiel mit Photonen) werden die kommunizierten Informationen mit unterschiedlichen Mechanismen verarbeitet. Der Unterschied zwischen den realen und virtuellen Informationsträgern besteht darin, dass virtuelle Informationsträger nur innerhalb der Unschärferelation existieren und daher Informationen nur innerhalb extrem kurzer Zeit kommuniziert werden können. Aufgrund der Zeit- und Ortsunschärfe erfolgt mit virtuellen Informationsträgern der Informationsaustausch deshalb nahezu gleichzeitig und nahezu am selben Ort im Gegensatz zur Informationsübertragung mit realen Informationsträgern, bei der Sender und Empfänger an verschiedenen Orten zu verschiedenen Zeiten aktiv sind und einseitig gerichtet Informationen von einem Ort zu einem anderen mit einem messbaren Zeitverlust übertragen werden.
Sowohl in Materieteilchen als auch in lebenden Systemen findet ständig Informationsverarbeitung statt. In allen Fällen verarbeitet ein Geist mit Bosonen die zur Verfügung stehenden Informationen. Die in Chemie und Biologie wichtigste Form des Geistes arbeitet ausschließlich mit den Informationen der äußeren Elektronenschalen, die sowohl mit realen Photonen über größere Distanzen als auch mit virtuellen Photonen zwischen benachbarten Teilchen kommuniziert werden.
Der Unterschied der Verarbeitung der Information beim Informationsaustausch zwischen zwei Materieteilchen und bei der Informationsübertragung in lebenden Systemen kann wie folgt zusammengefasst werden.
- Bei Teilchen sind die beiden Kommunikationspartner gleichzeitig Sender und Empfänger der Informationen aber nicht in lebenden Systemen.
- Bei Teilchen erfolgt die Informationsverarbeitung gemeinsam am selben Ort und zur selben Zeit durch die beiden Kommunikationspartner (wechselseitige Kommunikation). In lebenden Systemen erfolgt sie getrennt, zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten (einseitige Kommunikation).
- Bei Teilchen finden Ursache und Wirkung in Form einer Reaktion gleichzeitig an einem Ort statt. In lebenden Systemen findet eine erste Reaktion am Ort des Senders bei der Produktion eines Informationsträgers statt und eine zweite am Ort des Empfängers bei der Aufnahme des Informationsträgers zu einem späteren Zeitpunkt.
- Bei Teilchen handelt es sich um die Verarbeitung ausgetauschter Informationen und in lebenden Systemen handelt es sich um die Informationsverarbeitung übertragener Informationen.
- Bei Teilchen wird die Information durch virtuelle Informationsträger wechselseitig ausgetauscht und in lebenden Systemen wird sie durch reale Informationsträger einseitig gerichtet von einem Sender zu einem Empfänger übertragen.
- Bei Teilchen üben die beiden Kommunikationspartner über die ausgetauschte Information am selben Ort eine Kraft (actio = reactio) aufeinander aus, die zur Anziehung oder Abstoßung der Partner führt. In lebenden Systemen verursacht ein am Ort des Senders erzeugter Informationsträger eine zeitverzögerte Wirkung am Ort des Empfängers.


7. Evolution der Information

Informationen, die die Identität ein Teilchen charakterisieren und mit Bosonen kommuniziert werden, verursachen aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten eine quantifizierbare eindeutige Wirkung auf ein zweites Teilchen. Die elementarsten für uns messbaren Informationen sind die ersten Teilchen des Universums. Die Identität dieser Elementarteilchen kann noch mit wenigen Informationen beschrieben werden. Sie sagen uns, um welches Teilchen es sich dabei handelt und wie das Teilchen heißt. So ist beispielsweise ein Elektron ein Teilchen mit einer bestimmten Masse, einer bestimmten Ladung und einem bestimmten Spin. Drei Informationen über seine Identität bestimmen damit im Wesentlichen die spezifischen Eigenschaften dieses Teilchens, zu denen noch sein jeweiliger Aufenthaltsort und seine Geschwindigkeit hinzukommen, die für jedes Teilchen anders sind. Diese Informationen werden bei einer Wechselwirkung mit einem zweiten Teilchen kommuniziert und führen entweder zu einer Anziehung oder Abstoßung. Der Informationsgehalt eines Elementarteilchens kann damit noch mit einer geringen Anzahl von Merkmalen charakterisiert werden.
Welche Elementarteilchen mit welchen anderen zu den zusammengesetzten Teilchen in einer ersten Generation reagieren können, folgt aus Auswahlregeln, die stabile zusammengesetzte Teilchen bevorzugen. Dabei ändert sich der Informationsgehalt bei zusammengesetzten Teilchen schon deutlich, da neben den Eigenschaften der einzelnen Teilchen noch weitere Informationen über ihre spezielle Struktur, Gestalt, Geometrie und Energie hinzukommen.
Schon die kleinsten Atome haben eine Struktur, die aus einem Atomkern und einer Elektronenhülle besteht, wobei der Kerndurchmesser mehr als tausendmal kleiner ist als der Durchmesser der Elektronenhülle. Hinzu kommt, dass die Elektronenhülle aus verschiedenen Elektronennorbitalen komplexer dreidimensionaler Struktur besteht. Der Informationsgehalt der Atome ist damit ein Vielfaches des Informationsgehaltes der einzelnen Fundamentalteilchen, aus denen sie bestehen.
Ab den Atomen spielt nur noch eine Fundamentalkraft, nämlich die elektromagnetische Kraft bei einer Wechselwirkung eine Rolle. Die ganze Chemie der Atome und Moleküle entsteht durch Wechselwirkung der betroffenen äußeren Elektronen. Den Chemiker interessieren bei den chemischen Elementen ganz andere Eigenschaften als den Physiker bei den Elementarteilchen. Wenn er neue Chemikalien, also neue Moleküle gezielt herstellen will, dann arbeitet er in einem abgeschlossenen System (z.B. in einem Reagenzglas). In seinem Chemikaliengemisch spielen dabei neue Informationen, die er als Reaktionsbedingungen bezeichnet, eine wichtige Rolle, denn sie bestimmen, die Selektivität der Reaktionen. Durch sie kommen neue Informationen über die Temperatur, den Druck, die Konzentration der Reaktanden und der verwendeten Katalysatoren, die Stöchiometrie, das Lösemittel, usw. ins Spiel, die die Gesamtheit der Reaktionspartner charakterisieren.
Alle Evolutionsprozesse laufen automatisch nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten ab und zeichnen sich durch eine stete Zunahme der Informationen aus, die das dabei neu entstehende Teilchen, das neue Atom, das neue Molekül, die neue Zelle oder das neue Lebewesen charakterisieren. Auch die Art der Informationen ändert sich mit zunehmender Komplexität der Teilchen /Lebewesen. Zunächst sind es Informationen der Einzelteilchen, bei zusammengesetzten Teilchen kommen Strukturinformationen hinzu, bei Atomen die Elektronenorbitale und ihre Energie und bei Molekülen die spezielle Geometrie der Molekülstrukturen. In Systemen kommen Systemeigenschaften hinzu. Alles was geschieht, führt zu neuen Molekülverbänden und mit ihnen zu neuen Informationen. Beispielsweise ist der Aufbau einer lebenden Zelle mit zahllosen strukturellen Informationen verbunden, die die einzelnen Moleküle, das Gesamtsystem, die die Zellwände, die Organellen und die Zellkerne beschreiben.
Wie riesig die Zahl der Informationen ist, die ein Molekül tragen kann, veranschaulicht die DNS (Desoyribo-Nuklein-Säure). Es ist ein fadenförmiges Makromolekül (Doppelhelix), das nach chemischen Prinzipien aufgebaut ist, wobei jede einzelne molekulare Veränderung eine Änderung des Informationsgehalts bedeutet, die mit der Zahl der Kettenglieder überproportional zunimmt. Die genaue Abfolge der Adenin-, Cytosin-, Guanin- und Thyminmoleküle entlang der Kette ergibt auf diesem Molekül wie bei Morsezeichen zahllose neue Informationen, die zur Steuerung der Zellprozesse genutzt werden können. Die Zelle nutzt mit diesen vier verschiedenen Molekülen Strukturinformationen zur Speicherung von Informationen, so wie wir unsere Buchstaben dazu nutzen, um Informationen in Büchern abzuspeichern oder wie in der Computertechnologie im dualen System mit zwei Zeichen Informationen elektronisch abgespeichert wird. Beim Auslesen der in den Teilchen abgespeicherten Informationen werden beim Informationsaustausch zwischen zwei Teilchen die ursprünglichen Informationen vernichtet und durch ein neues Teilchen neue Informationen geschaffen. Wenn man im Gegensatz dazu eine auf der DNS oder in Büchern und elektronischen Speichermedien abgespeicherte Information abliest, wird sie dabei nicht vernichtet.

8. In drei Schritten vom Informationsaustausch zur Informationsübertragung

Ein Atom oder Molekül, das sich aufgrund seiner Bewegungsenergie von a nach b bewegt, trägt automatisch seine Eigenschaften (seine Informationen und seine Energie) von a nach b. Der bloße Transport von Information und Energie von einem Ort zum anderen ist damit zunächst noch nichts Besonderes. Unter Informationsübertragung versteht man mehr als nur den Transport der Information. Sie beinhaltet zusätzlich die Erzeugung des Informationsträgers durch den Absender und die Übernahme des Informationsträgers durch den Empfänger. Absender und Empfänger dürfen dabei nicht verändert werden.
Es ist ferner nichts Ungewöhnliches, wenn laufend gleichartige Teilchen mit gleichartigen Informationen entstehen, wie z.B. die seit Milliarden Jahre andauernde Produktion von Licht auf der Sonne oder die Produktion von CO2 bei der Verbrennung von Kohlenstoff. Es überrascht auch nicht, wenn diese Informationsträger von anderen Teilchen übernommen werden, wie z.B. das Licht und das CO2 von den Pflanzen. Etwas Besonders wird es erst, wenn am Ort A Informationen bei einer chemischen Reaktion kopiert werden, ohne dass dabei das Original beschädigt wird und danach gezielt an einen bestimmten anderen Ort gelangen und dort eine Aufgabe erfüllen sollen, ohne dass der Empfänger dabei irreversibel verändert wird. Diese Bedingungen sind in lebenden Zellen erfüllt. In ihnen werden die genetischen Informationen in einer chemischen Reaktion zuerst kopiert, dann transportiert und schließlich an einem bestimmten Ort empfangen, damit sie eine spezielle Aufgabe erfüllen. Damit letztendlich aus einer Zelle zwei identische Zellen entstehen können, müssen die Erbinformationen auf den DNS-Strängen absolut perfekt kopiert und reproduziert werden.
Die Informationsübertragung kann damit im Wesentlichen in drei Hauptschritte unterteilt werden. Der erste Schritt ist ein Informationsaustausch zwischen zwei Makromolekülen beim Kopieren der DNS-Segmente am Ort a. Der zweite Schritt ist der Transport der Information an einen Ort b, wo die Informationen in einem dritten Schritt wieder über einem Informationsaustausch chemisch reagiert und dabei den Absender-DNS-Strang reproduziert.
Drei Schritte der Informationsübertragung charakterisieren damit das Auslesen, den Transport und die Nutzung einer Information. Die beiden Reaktionen an den Orten a und b beim Absenden und Empfang des Informationsträgers folgen den Prinzipien des Informationsaustauschs zwischen zwei Teilchen. Der Transport erfolgt mit einem realen Informationsträger, der in dem verwendeten Beispiel ein Molekül ist.
Wenn wir ein Buch lesen, dann wird die Information optisch (also mit Photonen) ausgelesen und in das Auge transportiert, das die Information über die Photorezeptoren auf der Netzhaut empfängt. Das Licht übernimmt auf den Buchseiten die Information und gibt sie im Auge wieder ab. Die eigentliche Arbeit erledigt dann unser menschlicher Geist mit Folgemechanismen, die den gleichen Prinzipien der Informationsübertragung unterworfen sind, so wie auch die Prozesse in lebenden Zellen durch weitere Schritte ergänzt werden müssen.

9. Besonderheiten der Informationsübertragung

Wer die Informationen, die in den Schriftzeichen eines Buches enthalten sind, nutzen will, muss sie auslesen können und muss die Sprache, in der sie verfasst wurden, beherrschen. Wir reden damit von geistigen Faktoren, Aufgaben und Fähigkeiten, die uns im Zusammenhang mit der Arbeit unseres denkenden Geistes bekannt sind. In der lebenden Zelle ist es ein Zellgeist, der seit der ersten Zelle (seit Urzeiten, deshalb auch Urgeist genannt) die genetisch auf der DNS abgespeicherten Informationen verarbeitet. Er ist für die Steuerung der chemischen Prozesse in der Zelle zuständig. Diese Steuerung erfordert einen Paradigmenwechsel in der Informationsverarbeitung, denn es handelt sich jetzt um die Kommunikation von Strukturinformationen, die in einer bestimmten Sprache verfasst sind, die ausgelesen werden müssen und die über eine größere Distanz vom Ort des Senders zum Ort des Empfängers übertragen werden müssen, an dem sie wirken müssen.
Was bei der Steuerung der Zellprozesse geschieht, folgt damit den Gesetzmäßigkeiten der Kommunikationstechnik mit realen Informationsträgern zwischen Sendern und Empfängern, die erstmals von Shannon und Weaver vor etwa 70 Jahren formuliert wurden. Mit der ersten lebenden Zelle hat die Natur einen Mechanismus erfunden, der heute auch in der Nachrichtentechnik und in der Halbleitertechnik, die zu den Computerwissenschaften geführt hat, genutzt wird.
Ein Sender produziert Informationsträger, die ein Empfänger an einem anderen Ort zu einer späteren Zeit übernimmt. Dazu muss der Sender die Information, die er dem Informationsträger (in der Zelle einem Molekül, z.B. der RNS oder einem Ion, in der Nachrichtentechnik und im Computer einem Photon oder allgemein einer elektromagnetischen Welle) mitgibt, zuerst einem Informationsträger (in der Zelle der DNS, in der Nachrichtentechnik einem Magnetband, einer DVD etc., im Computer der Festplatte etc.) entnehmen und der Empfänger muss auf den Informationsträger abgestimmt sein, d.h., er muss in der Lage sein, den Informationsträger mit seiner speziellen Information und seiner Energie aufzunehmen. Bei Molekülen spricht man dabei vom Schlüssel-Schloss-Prinzip und in der Nachrichtentechnik vom Resonanzprinzip.
Ein weiterer Paradigmenwechsel erfolgte beim Übergang von Einzellern zu Vielzellern mit dem Ausbau der neuronalen Strukturen, die jetzt wie in einem Telefonnetz über bestimmte Signalleitungen, den Nerven, dazu in der Lage waren, gerichtet Signale von den Sinnesorganen ins Gehirn oder vom Gehirn in die Muskulatur zu versenden.
Wie die Erfindung der Nachrichtentechnik und der Informationstechnik, die in Computern, mobilen Telefonen und anderen elektronischen Geräten genutzt werden, auf bekannten Naturgesetzmäßigkeiten beruhen, so beruht auch die „Erfindung“ der Informationsübertragung zur Steuerung der Zellprozesse auf Prozessen, die zuvor schon existierten, die aber erst nachdem die dazu notwendigen Strukturen vorhanden waren, genutzt werden konnten. Erfinderisch zu sein, ist damit in der Natur vorprogrammiert.
Neue Informationen sind die Grundlage von Erfindungen. Die Kombination von Informationen führt mit den evolutionären Mechanismen der Mutation und Selektion automatisch zu einem Verständnis der Zusammenhänge, also zu Wissen. Deren Kombination führt wiederum zu neuen Erkenntnissen, was geht und was nicht geht. Statistisch gesehen, sind Erfindungen naturgegeben und deshalb auch unvermeidbar. Die Natur hat uns in der Vergangenheit bewiesen, dass sie erfinderisch ist, dass sie in der Lage war, immer neue Mechanismen zu erfinden, die schließlich Leben ermöglichten und die Vielfalt der Pflanzen und Tierwelt schufen.
Erfinderisch kann nur ein Geist sein. Es ist der Geist, der von den Elementarteilchen ausging und sich zu dem entwickelte, was wir in der Natur vorfinden. Und das sind die verschiedenen Geistformen, die wir als den Geist der Elementarteilchen, den genetischen Geist und letztendlich als den Geist der Tiere, den denkenden Geist der Menschen und den technischen Geist in elektronischen Geräten kennengelernt haben.
Der Übergang von einem Informationsaustauch zwischen benachbarten Molekülen zu einer Informationsübertragung zwischen relativ weit entfernten Molekülen erscheint auf den ersten Blick aufgrund scheinbar geänderter Gesetzmäßigkeiten nicht erklärbar zu sein, folgt aber dennoch bekannten Mechanismen. Die Entstehung und Aussendung realer Informationsträger ist von Elektronen bekannt, die mit ihnen ihre überschüssige Energie loswerden. Ein Teilchen, das sich allein im Weltraum (in einem offenen System) befindet, kann damit keinem zweiten Teilchen diesen Informationsträger mit seiner Information und seiner Energie übergeben. Dies ist aber in einem abgeschlossenen System mit vielen Teilchen völlig anders. Beispielsweise kann in einer biologischen Zelle ein molekularer Informationsträger nicht wie in einem offenen System verloren gehen. Er wird deshalb, wenn ein Empfänger da ist, auch gewiss von ihm aufgrund der Brownschen Molekularbewegung entsprechend den Gesetzen der Statistik und der Chemie empfangen. Auch neuronale Netzwerke, Nachrichtennetzwerke und elektronische Netzwerke stellen geschlossene Systeme dar, aus denen Photonen (elektromagnetische Wellen/Signale) nicht verloren gehen können und deshalb ihren Empfänger erreichen.
Mit dem Übergang von offenen Systemen zu geschlossenen Systemen ist damit automatisch ein Paradigmenwechsel der Kommunikation verbunden.
Die Natur ist erfinderisch, da sie genug Zeit hat, alle statistischen Möglichkeiten, die sich durch neue Strukturen und neue Informationen ergeben, durchzuprobieren, alles was nicht geht, auszuselektieren und alles, was geht, zu nutzen. Innovationen und Erfindungen beruhen deshalb auf evolutionären Mechanismen, die in der Natur verankert sind. Es ist nur eine Frage der Zeit, wie lange es dauert, bis sich das für die Situation am besten Geeignete durchsetzt.

Fazit

Ausgehend von den Elementarteilchen und deren elementaren Informationen kann erklärt werden, wie sich daran angekoppelt verschiedene Arten von Informationen und verschiedene Geistformen evolutionär entwickelt haben.
Schon die kleinsten materiellen Teilchen besitzen Informationen, die sie bei einer Wechselwirkung mit anderen Teilchen kommunizieren. Die Verarbeitung dieser Informationen erledigt ein elementarer Geist, der sie mit einem physikalischen Mechanismus in eine Kraftwirkung umsetzt.
Alle physikalischen und chemischen Reaktionen sind die Folge einer Informationsverarbeitung auf der Grundlage eines Informationsaustauschs mit virtuellen Bosonen.
Die physikalische Evolution geht der chemischen Evolution voraus. Gleichzeitig erfolgt eine Evolution der Information, da die entstehenden Teilchen Selektionsmechanismen unterworfen sind.
Durch das Zusammenfügen von Teilchen entstehen immer komplexere Gebilde, deren Informationsgehalt mit der Teilchenzahl überproportional anwächst.
Die Stabilität neu entstehender Strukturen, Systeme und Gebilde ist ein wesentliches Selektionskriterium der physikalischen, chemischen und biologischen Evolution.
Innovationen, Erfindungen und Intelligenz basieren auf evolutionären Mechanismen.
Lebende Systeme sind ausschließlich aufgrund ihrer zellularen Struktur als geschlossene Systeme in der Lage, Informationen von einem Sendermolekül zu einem Empfängermolekül zu übertragen. Dazu ist Energie erforderlich.
Die Informationsübertragung ist eine Weiterentwicklung des Informationsaustauschs. Dabei werden reale Informationsträger durch Informationsaustausch am Ort des Senders erzeugt, zum Empfänger transportiert und dort durch Informationsaustausch übernommen.
Die Verarbeitung der Information basiert in beiden Fällen auf einem Informationsaustausch, der bei der Informationsübertragung an zwei Orten stattfindet. Beim Transport bleibt die Information unverändert.
Information kann nur in geschlossenen Systemen (Zellen, neuronalen, elektrischen oder optischen Netzwerken) nicht verloren gehen. Deshalb sind Lebewesen auf zellularen Strukturen angewiesen. Zum gezielten Informationstransport über größere Distanzen sind Netzwerke erforderlich.
Die Evolution der Information bei der Entstehung neuer materieller Strukturen ist automatisch mit einer Evolution des Geistes, der sie bei ihrer Kommunikation verarbeitet, verbunden.
Die Natur ist erfinderisch. Was Menschen erfinden, kann als technische Evolution bezeichnet werden, da sie auf denselben Mechanismen aufbaut. Was die Natur mit biologischen Systemen macht, macht der Mensch mit technischen Systemen.
Die Intelligenz des menschlichen Geistes, zeichnet sich durch eine erfolgreiche und sinnvolle Nutzung von angesammelten Informationen aus. Sie hat ihren Ursprung in der Intelligenz des genetischen Geistes, der genetische Informationen erfolgreich und sinnvoll nutzt. Der genetische Geist hat seinen Ursprung in der Intelligenz des Geistes, der die Informationen der Moleküle, der Atome und der Elementarteilchen nutzt.
Mit Information und Informationsverarbeitung kann der Übergang von Elementarteilchen zu Atomen, zu Molekülen, zu biologischen und technischen Strukturen verstanden werden.
Mit der überproportionalen Zunahme des Informationsgehaltes während der physikalischen, chemischen und biologischen Evolution und der dabei veränderten Mechanismen der Informationsverarbeitung in biologischen Zellen, kann die Biogenese in ihren Grundzügen verstanden werden.

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stefangrande 07.02.2015 19:56

Sehr geehrter Herr Professor Sixl, vielen Dank für Ihr Schreiben und den naturphilosophischen Aufsatz, den ich vollständig gelesen habe. Sie vertreten eine pantheistische Vorstellung: "natura sive deus" (Spinoza). Innerhalb der Natur waltet ein schöpferischer kreativer Geist, der sich selbst entwickelt hat: "Mit der ersten lebenden Zelle hat die Natur einen Mechanismus erfunden... Die Natur hat uns in der Vergangenheit bewiesen, dass sie erfinderisch ist... Erfinderisch kann nur ein Geist sein. Es ist der Geist, der von den Elementarteilchen ausging... Die Natur ist erfinderisch..." Erklärt ist damit natürlich nichts. Wir wissen nicht, wie die Naturgesetze entstanden sind. Wir wissen nicht, wie aus der Singularität Materie und Energie entstanden sind. Wir wissen nicht, wie die erste Zelle entstanden ist. Wir wissen nicht, wie die Gene entstanden sind. Wir wissen nicht, wie biologische Apparate entstanden sind. Das sind keine Wissenslücken, sondern das ist die Folge der Grenze unserer Erkenntnismöglichkeiten. Mit freundlichen Grüßen Hans Penner

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