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