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Erschienen in Ausgabe: No 124 (06/2016) Letzte Änderung: 10.06.16

Evolution der Informationsverarbeitung

von Hans Sixl

Vorbemerkungen Dieser Beitrag befasst sich mit den elementaren Mechanismen der Informationsverarbeitung, ihren Ursprüngen und ihren evolutionären Stufen. Die erste Stufe der Kausalkette steht in engem Zusammenhang mit der Evolution der Materie auf Basis der Standardtheorie der Kosmologie, die die Entwicklung unseres Universums beschreibt. Sie basiert auf dem Informationsaustausch zwischen den Elementarteilchen, der für alle physikalischen und chemischen Reaktionen verantwortlich ist. Die zweite Stufe begründet sich auf der elementaren Kommunikation mittels einzelner Botenteilchen und die dritte und letzte Stufe basiert auf der Kommunikation von codierten Informationen mittels zeitlicher und räumlicher Muster. Letztere stehen im engen Zusammenhang mit der Evolution des Lebens und mit der durch Menschen bewirkten technischen Entwicklung.


1. Einleitung
Die unterschiedlichen elementaren physikalischen, chemischen, biologischen und technischen Mechanismen der Informationsverarbeitung entwickelten sich in der angegebenen Reihenfolge gleichzeitig mit den einzelnen evolutionären Phasen der Information als Folge der Evolution der Materie, beginnend mit den Elementarteilchen und den aus ihnen zusammengesetzten Strukturen, Lebewesen und Systemen. Die einzelnen evolutionären Phasen der Information wurden dem Beitrag „Evolution der Information“ in Tabularasa No 123 (05/2016) beschrieben. Da sich die Mechanismen der Informationsverarbeitung auf diese Phasen der Informationen beziehen, sind sie in der nachfolgenden Übersicht tabellarisch zusammengefasst.

Evolutionäre Phasen

Evolutionär entwickelte Teilchen/Strukturen
Beispiele von evolutionär gebildeten Informationen/messbare Eigenschaften,
Informationsart
Start der Kausalkette

Elementarteilchen
Masse, Ladung, Spin, …
Phase 1
Physikalische Evolution
Nukleonen


Atome
Anzahl und Art der Elementarteilchen, aus denen sie aufgebaut sind. Bindungsenergien, Masse, Ladung,…
Anzahl der Protonen, Neutronen und Elektronen, aus denen sie aufgebaut sind. Bindungsenergien, Masse, Ladung, …
Phase 2
Chemische Evolution
Moleküle


Festkörper, Flüssigkeiten …
Anzahl der verschiedenen Atome, aus denen sie aufgebaut sind, Geometrie, Bindungsenergien, Masse, Ladung, …
Kristallstrukturen, Zusammensetzung, Bindungstypen, ….
Phase 3
Geologische Evolution
Sonnen, Planeten, Planeten, Kometen,
Dynamik der Zusammensetzung, des Aggregatzustands, der Struktur, der Temperatur …
Phase 4
Biologische Evolution
Erste lebende Zellen


Vielzeller

Wirbeltiere
Einzeller (Archaeen, Bakterien, …) , Struktur, Aufbau und Funktion der Zelle und ihrer Organellen, …
Algen, Pilze, Pflanzen …
Struktur, Aufbau, Funktion, Stoffwechsel…
Säugetiere und Menschen …
Struktur und Funktion der Sinnesorgane, … des Gehirns …
Phase 5
Biologische Evolution abstrakter
Information (zuerst in den Genen und später in den Neuronen)
Gene (molekulare Muster)
Neuronen, Gehirne, Sinnesorgane(örtliche u. zeitlicheMuster)
Molekulare biologische Strukturen:
DNA, mRNA, tRNA … genetischer Code.
Optische und akustische Signalstrukturen, die von den Sinnesorganen in elektromagnetische Signale umgewandelt werden und lokal abgespeichert werden.
Phase 6
Technische Evolution (durch menschliche Intelligenz)
Geräte und Mechanismen zur Kommunikation und Speicherung von technischen Informationen
Nachrichtentechnik, Informations- und Kommunikationstechnik, Mikroelektronik, Multimedia, TV, Radio, Smartphones … Automatisierung, Maschinenbau, Fahrzeugtechnik …

Unterschiedliche Teilchen, Atome, Moleküle, Objekte, Maschinen, Pflanzen, Tiere und Menschen erkennen wir an ihren Eigenschaften, die sie uns beispielsweise optisch oder bei einer Wechselwirkung, d. h. bei einem Informationsaustausch vermitteln. Viele verschiedene Arten von Informationen, die uns Auskunft über ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften geben, empfangen wir entweder direkt über unsere Sinnesorgane oder indirekt mit Hilfe von technischen Geräten oder Apparaturen. Sie charakterisieren in den Phasen 1 bis 4 jeweils die Identität der verschiedenartigsten Dinge. In den Phasen 5 und 6 handelt es sich hingegen um abstrakte Informationen, die in örtlichen und zeitlichen Mustern stecken, die für den Empfänger der Information eine spezielle Bedeutung haben.
Die Dynamik der Ereignisse in unserem Universum, also alles, was geschieht, wird durch Informationen und die Mechanismen ihrer Verarbeitung ausgelöst. Deshalb funktioniert auch alles auf unserer Welt über Austausch, Kommunikation und Verarbeitung von Informationen, für die entsprechend der unterschiedlichen Arten der Informationen auch jeweils unterschiedlicheMechanismen verantwortlich sind.

2. Informationsaustausch – elementare Informationsverarbeitung
Die Elementarteilchen sind die ersten Teilchen unseres Universums, die auch die ersten Informationen tragen. Solange diese Informationen nicht kommuniziert werden, bleiben sie verborgen. Sie offenbaren sich nur bei einer Wechselwirkung zwischen den Teilchen, die zu einer Reaktion führt. Dazu müssen mindestens zwei Teilchen in der Lage sein, präzise Informationen über das jeweilige andere Teilchen wahrzunehmen, damit sie gemeinsam die entsprechende „richtige“ Reaktion auslösen können. Dies geschieht aufgrund unterschiedlicher Informationen, die die Eigenschaften der einzelnen Elementarteilchen charakterisieren, deren Verarbeitung zu vier unterschiedlichen fundamentalen Wechselwirkungen führt, welche unterschiedlich große abstoßende bzw. anziehende Fundamentalkräfte zwischen den Teilchen bewirken.
Die Informationsverarbeitung beginnt damit bereits bei den Elementarteilchen.
Die Fundamentalkräfte lassen sich wie folgt unterteilen:
(1) Die elektromagnetische Kraft wirkt zwischen elektrisch geladenen Elementarteilchen.
(2) Die starke Kraft wirkt zwischen den Quarks und ist als Kernkraft für den Zusammenhalt der Atomkerne verantwortlich.
(3) Die schwache Kraft wirkt zwischen allen Teilchen vom Typ Lepton und Quarks. Sie kann die Umwandlung von einer Teilchenart in eine andere bewirken.
(4) Die Gravitationskraft wirkt zwischen Massen. Sie ist die vorherrschende Wechselwirkung zwischen den Planeten und der Sonne und somit die Ursache für die Gestalt unseres Sonnensystems.
Die jeweiligen Fundamentalkräfte entstehen bei der Verarbeitung der Informationen, die durch virtuelle Bosonen als Informationsüberträger zwischen den wechselwirkenden Teilchen ausgetauscht werden. Die Bosonen werden deshalb auch als die zugehörigen Kraftteilchen oder Botenteilchen ihrer jeweiligen Fermionen (der Materieteilchen) bezeichnet.
Die Bosonen haben im Gegensatz zu den Fermionen keine Ruhemasse. Virtuelle Bosonen existieren nur innerhalb der Unschärferelation. Sie sind für die Kraftfelder der zugehörigen Fermionen verantwortlich, die durch die Quantenfeldtheorie konsistent beschrieben werden.
Die Fermionen haben eine Ruhemasse und entwickeln mit ihren Bosonen ein Kraftfeld. Bei Wechselwirkungen mit anderen Fermionen sind sie gleichzeitig Sender und Empfänger von Informationen, die sie mit ihren Bosonen zu Kräften verarbeiten. Mit ihnen sind sie fähig, Informationen auszutauschen und besitzen damit neben ihrem „Körper“ (ihrer Masse) auch einen rudimentären „Geist“ (einen Mechanismus der Informationsverarbeitung).
Die Fermionen stellen damit die kleinsten wahrnehmungsfähigen Objekte dar. Bei jeder Wechselwirkung mit anderen Fermionen teilen sie ihnen ihre Informationen über ihre spezifischen Eigenschaften mit. Damit sind sie wie wir Menschen in der Lage, andere Objekte oder Wesen wahrzunehmen, Informationen auszutauschen und zu verarbeiten.
Der erste elementare Schritt der Informationsverarbeitung ist damit der Informationsaustausch zwischen den Fermionen, der nach inzwischen bekannten naturwissenschaftlichen Gesetzmäßigkeiten zu präzisen Kräften und damit zu einer genau definierten Aktion führt. Informationen entscheiden damit schon bei den kleinsten Teilchen darüber, was genau geschieht.
Die Ursache-Wirkungskette der Informationsverarbeitung beginnt also definitiv mit den Fermionen, bei denen die Quarks durch Informationsaustausch mittels virtueller Gluonen zu den Nukleonen reagieren, die dann in weiteren Schritten zu den Atomkernen führen.
Der Mechanismus der Informationsverarbeitung, die beim Informationsaustausch zu der Austauschwechselwirkung führt, folgt folgendem Schema:
(1) Zwei Teilchen (Fermionen/Materieteilchen) müssen sich wahrnehmen. Die Wahrnehmung ist eine Kontaktaufnahme über ihre virtuellen Bosonen.
(2) Nur gleichartige Bosonen können sich erkennen (in Resonanz kommen) und dabei ihre Informationen wechselseitig kommunizieren.
(3) Die Umsetzung/Verarbeitung/Nutzung der kommunizierten Information bewirkt eine Kraft und mit ihr eine Aktion zwischen den beiden Teilchen.
Die erste evolutionäre Stufe der Kommunikation und der Verarbeitung von Informationen erfolgt über den elementaren quantenfeldtheoretischen Mechanismus des Informationsaustauschs zwischen zwei Materieteilchen.Sie unterscheidet sich von den folgenden Stufen durch folgende charakteristische Merkmale:
(1) Die Informationen zwischen den beteiligten Partnern wird bidirektional mit Lichtgeschwindigkeit, also im atomaren Bereich nahezu instantan ohne merkbare Laufzeiteffekte bzw. Zeitverluste kommuniziert und verarbeitet.
(2) Dafür sind virtuelle Bosonen als virtuelle Informationsüberträger verantwortlich, deren Reichweite durch ihre Energie begrenzt ist
(3) Beide Kommunikationspartner sind gleichzeitig Sender und Empfänger der Informationen.
(4) Das Ergebnis der Informationsverarbeitung ist eine genau definierte Kraftwirkung zwischen den beiden Kommunikationspartnern.
(5) Durch die Kraftwirkung wird Energie produziert. Sie wird im Fall der starken und der elektromagnetischen Kraft durch Photonen abgestrahlt, Bei der Gravitation entsteht kinetische Energie.

3. Wirkung der Informationsverarbeitung beim Informationsaustausch
Die erste Phase des Informationsaustauschs verursacht eine physikalische Reaktion.
Siebeschreibt alle rein physikalischen Reaktionen zwischen den Elementarteilchen, die zu neuen zusammengesetzten Teilchen oder Gebilden führen. Zu Letzteren zählen die folgenden Gruppen:
(1) Hadronen. Sie bestehen aus Quarks und Gluonen.
(2) Atomkerne. Sie bestehen aus Protonen und Neutronen.
(3) Atome. Sie bestehen aus Atomkernen und Elektronen.
(4) Sonnensysteme. Sie bestehen aus Massen.
Die wichtigsten physikalischen Reaktionen durch Informationsaustausch sind ausschließlich diejenigen, die zu neuen stabilen Teilchen oder zu Massenverbünden führen, also zu Protonen, Neutronen, Atomkernen, Atomen, Molekülen und schließlich zu Sonnen- und Planetensystemen.
Die kleinesten stabilen zusammengesetzten Teilchen entstanden in unserem Universum zuerst durch die starke Kernkraft aus Quarks mittels virtueller Gluonen als Überträger und Verarbeiter der Information. Danach bildeten sich die Atome durch die elektromagnetische Kraft zwischen den Atomkernen und den Elektronen mittels virtueller Photonen als Überträger und Verarbeiter der Information.
Mit der Bildung der ersten kleinen Atome (Wasserstoff, Helium, Lithium …) wurde auch die Gravitationskraft zwischen den massebehafteten Teilchen mittels virtueller Gravitonen als Überträger und Verarbeiter der Information immer wirksamer. Auf diese Weise bildeten sich nach etwa einer Million Jahren die ersten großräumigen Strukturen und nach etwa 400 Millionen Jahren die ersten Sterne.
Die zweite Phase des Informationsaustauschs verursacht eine chemische Reaktion.
Sie beschreibt alle rein chemischen Reaktionen zwischen Atomen und danach auch zwischen Molekülen, die zu neuen zusammengesetzten Teilchen oder Gebilden führen, bei denen die Elektronenstruktur der beteiligten Atome oder Moleküle verändert wird. Zu ihnen zählen die folgenden Gruppen:
(1) Moleküle. Sie bestehen aus Atomen.
(2) Festkörper (Kristalle, Gesteine, Metalle …). Sie bestehen aus Atomen und Molekülen.
(3) Biologische Strukturen. Sie bestehen vorwiegend aus organischen Molekülen.
Alle chemischen Reaktionen zeichnen sich dadurch aus, dass sie ausschließlich durch elektromagnetische Wechselwirkung mittels virtueller Photonen stattfinden. Damit eine chemische Reaktion zwischen zwei Reaktanden stattfinden kann, muss in der Regel Energie zugeführt werden, um eine Potentialschwelle zu überwinden. Dann entsteht ein Produkt im angeregten Zustand, das seine Energie loswerden muss, damit es zum Endprodukt entsprechend folgendem Schema weiterreagieren kann.
Energie + Reaktand 1 + Reaktand 2 ↔ energiereiches Produkt → Produkt+ Energie.
Chemischen Reaktionen finden im Labor vorwiegend in der Flüssigphase im Reagenzglas statt. Sie unterscheiden sich von den entsprechenden physikalischen Reaktionen z. B.zwischen einem Elektron und einem Proton gemäß folgender Formel
Elektron + Proton ↔ angeregtes Wasserstoffatom → Wasserstoffatom + Photonen
nur geringfügig dadurch, dass bei letzteren keine Potentialschwelle zu überwinden ist, also keine Energie zugeführt werden muss, um die Reaktion auszulösen. Und zweitens, dass die Energie des isoliert im Vakuum gebildeten Wasserstoffatoms durch reale Photonen abgegeben werden kann.
Bei allen chemischen Reaktionen zwischen Atomen oder zwischen Molekülen bleiben die Atomkerne inaktiv, da sie durch die Elektronenhülle der Atome auf Abstand gehalten werden. Die Elektronenhülle ist damit ausschließlich für die Chemie der Atome und Moleküle verantwortlich. Bei allen chemischen Reaktionen ergeben sich neue geometrische und elektronische Strukturen der beteiligten Atome, wobei die kovalenten und ionischen Bindungen dafür sorgen, dass die beteiligten Atome eine Edelgaskonfiguration erhalten. Dafür ist die elektrodynamische Wechselwirkung mittels virtueller Photonen verantwortlich.
Die Bildung vonMolekülen, Molekülkomplexenund Polymeren beruht auf lokalisierten Bindungen durch Elektronenpaare. Dabei wird häufig zwischen derkovalenten Bindung, bei der jedes Atom ein Elektron zur Bindung beiträgt und derkoordinativen Bindungin Komplexen, bei der ein Elektronenpaar eines Ligandenmit einem leerenOrbitaldes Zentralatoms wechselwirkt, unterschieden.
Wasserstoffbrückenbindung, Van-der-Waals-Wechselwirkung und Dipolwechselwirkung stellen keine festen chemischen Bindungen durch Elektronenpaarbildung dar. Sie beruhen auf schwachen Anziehungskräften, die nur einen sehr geringen Einfluss auf dieElektronenkonfiguration der einzelnen Moleküle haben, die bereits eine gesättigte Elektronenstruktur besitzen. Sie sorgen nur dafür, dass die Moleküle physikalisch aneinander „kleben“. Solange die beteiligten Moleküle dabei nahezu chemisch unverändert bleiben, handelt es sich deshalb um eine physikalische Austauschwechselwirkung zwischen den Elektronenhüllen, die durch virtuelle Photonen bewirkt wird.
Biologische Strukturen sind abgesehen von Viren, die nicht als Lebewesen eingestuft werden, zellulare Systeme, die vorwiegend aus organischen Substanzen bestehen. Alle Bestandteile der Zellen werden durch elektromagnetische Kräfte mittels Austauschwechselwirkung zusammengehalten. In allen atomaren und molekularen Systemen findet unabhängig davon, ob sie leben oder auch nicht, ein ständiger Informationsaustausch statt, der für die entsprechenden Kraftwirkungen sorgt.

4. Elementare Kommunikation – Kommunikation zwischen einzelnen Teilchen
Die elementare Kommunikation ist die einfachste Art, wie Informationen von einem Teilchen an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit zu einem anderen Teilchen an einem anderen Ort zu einer späteren Zeit gelangen. Sie unterscheidet sich vom Informationsaustausch durch folgende charakteristische Merkmale.
(1) Ein Teilchen ist der Sender und ein zweites Teilchen ist der Empfänger der Information.
(2) Informationen und Energie werden von einzelnen realen Informationsträger übertragen.
(3) Die Übertragung ist unidirektional und benötigt eine messbare Laufzeit.
(4) Der Sender produziert (emittiert) den Informationsüberträger. Zu seiner Produktion wird Energie benötigt.
(5) Der Empfänger übernimmt (absorbiert) denInformationsträger mit seiner Information und seiner Energie und verarbeitet die Information.
(6) Mit der empfangenen Energie kann der Empfänger eine neue Aktion starten.
(7) Es entsteht keine Kraft zwischen Sender und Empfänger. Kräfte wirken nur bei der Emission und der Absorption des Informationsträgers.
Die elementare Kommunikation entsteht durch die Mobilität realer Teilchen, die Informationen unidirektional von einem Ort zu einem anderen übertragen.
Da alle Teilchen Informationsträger sind, werden sie dann, wenn sie sich von einem Sender zu einem Empfänger in der Gasphase oder in der Flüssigkeit bewegen, automatisch zu Informationsüberträgern bzw. Botenteilchen. Die üblichen Botenteilchen wie Photonen, Elektronen, Atome, Moleküle, Ionen usw. haben eine unterschiedliche Beweglichkeit im Vakuum bzw. in Flüssigkeiten oder Festkörpern. Die schnellsten Teilchen sind alle Arten von elektromagnetischen Wellen, allgemein Photonen genannt.
Drei Elementarprozesse definieren die elementare Kommunikation.
Im ersten Elementarprozess erzeugt ein Senderatom Aoder ein Sendermolekül M mit Energie ein Botenteilchen bzw. eine Botenwelle mit den zugehörigen Informationen am Sendermolekül an einem bestimmten Ort zu einer bestimmten Zeit. Beispiele:
Energie + A → A* → A + Photon
Energie + A → A* → A+ + Elektron
Energie + M →M* →M‘ + Botenmolekül
Nur in der ersten Reaktion wird ein neues Teilchen (das Photon) durch Energie geschaffen. Das Elektron bzw. das Botenmolekül in den beiden anderen Reaktionen ist bereits in dem Sendeatom bzw. -molekül enthalten. Die Energie wird ausschließlich dazu benötigt, die durch virtuelle Photonen verursachten Austauschkräfte bei der Dissoziationsreaktion zu überwinden.
Im zweiten Elementarprozess entfernt sich das erzeugte Botenteilchen bzw. die Botenwelle vom Ausgangsort.
Im dritten Elementarprozess übernimmt ein Empfänger, ein anderes Atom oder Molekül, das Botenteilchen/die Botenwelle samt Informationen an einem anderen Ort zu einer anderen Zeit in der Umkehrung der Sendereaktionen. Beispiele:
B + Photon → B* → B + Energie
B+ +Elektron→ B*→ B + Energie
N‘ + Botenmolekül → N* → N + Energie
- Zwischen dem Photon und dem Empfängermolekül wirken keine Kräfte, da keine virtuellen Bosonen aktiv sind. Das Photon bewirkt eine Kraft zwischen einem Elektron von B gegen die Anziehungskraft des positiv geladenen Rests des Moleküls.
- Zwischen N‘ und dem Botenmolekül wirken Austauschkräfte. Dabei wird Energie gewonnen.
- Die Energie, die im ersten Elementarprozess die Botenteilchen erzeugt, kann im dritten Elementarprozess für andere physikalische oder chemische Folgeprozesse genutzt werden.
- Die Elementarprozesse am Sender und Empfänger erfolgen unabhängig voneinander und ohne jede Absicht, da Sender und Empfänger nichts voneinander wissen.
- Austauschreaktionen finden zwischen Sender und Botenteilchen bzw. Empfänger und Botenteilchen statt.Durch sie wird das Botenteilchen am Sender emittiert und am Empfänger absorbiert.
Beispiele elementarer Kommunikationsprozesse:
Die Sonne erzeugt Photonen, die Energie und Informationen enthalten.
Planeten absorbieren oder reflektieren das Licht der Sonne.
Lebende Zellen/Pflanzen auf der Erde absorbieren das Licht und betreiben mit ihm Photosynthese.
Lebende Zellen absorbieren auch bestimmte Moleküle aus der Umgebung und setzen sie innerhalb der Zelle um. Die Moleküle, die sie nicht benötigen, emittieren sie durch ihre Zellwände.
Merke:
- Elementarteilchen können nicht mit realen Botenteilchen mit anderen Elementarteilchen kommunizieren! Sie können nur mit virtuellen Botenteilchen mit anderen Elementarteilchen Informationen austauschen
- Atome und Moleküle können Photonen und Elektronen emittieren und absorbieren. Dabei ändert sich die chemische Zusammensetzung der Atome oder Moleküle nicht (physikalische Informationsverarbeitung).
- Molekulare Systeme können molekulare oder ionische Botenteilchen versenden und empfangen. Dabei ändert sich ihre Zusammensetzung (chemische Informationsverarbeitung).
- Die Nutzer der transportierten elementaren Teilcheninformationen samt der dabei empfangenen Teilchen (Photonen, Elektronen, kleine Ionen, kleine Moleküle) sind die Empfängerteilchen, diemit den Botenteilchen ein angeregtes Teilchen in einer physikalischen Reaktion oder ein angeregtes neues Verbundteilchen in einer chemischen Reaktion bilden.
- Bei der Informationsverarbeitung zwischen dem Botenteilchen und dem Empfänger werden ausschließlich Informationen über konkrete physikalische und chemische Eigenschaften in Energie und neue Bindungsverhältnisse umgesetzt. Das Botenteilchen stellt dem Empfänger die dabei gewonnene Energie und seine materiellen Bestandteile zu einem neuen Verbund zur Verfügung.
- Die Energie des angeregten neuen Teilchenverbunds kann für eine Folgereaktion genutzt werden.

5. Standardkommunikation – Kommunikation von abstrakten Informationen
Abstrakte Informationen sind unabhängig von den physikalischen und chemischen Eigenschaften ihrer Träger. Ihre evolutionäre Entwicklung beginnt, sobald viele Teilchen Strukturen bilden oder an der Dynamik von Systemen beteiligt sind, die u.a. durch Zahlen, Strukturen und Frequenzen (optisch in Farben und akustisch in Tönen) charakterisierbar sind. Kreise, Dreiecke, Striche können mit Zusatzinformationen konkrete Hinweise geben, ebenso wie Töne oder Farben. Beispielsweise kann rot „stopp“ oder ein Schrei „Gefahr“ bedeuten usw. Wenn man allerdings rot zum ersten Mal sieht oder einen Schrei zum ersten Mal hört, fehlt die Zuordnung zu der Bedeutung, die man erst durch eine spezielle Zusatzinformation aus genetischer oder persönlicher Erfahrung erhält.
Die Kommunikation von abstrakten Informationen kann mit Signalen (vielen Photonen), die ein zeitabhängiges Muster tragen und mit molekularen Strukturen (vielen Atomen), die ein ortsabhängiges Muster tragen, erfolgen.
Die zwischen Menschen und in der Technik übliche Kommunikation ist die Standardkommunikation. Sie findet mit akustischen oder optischen (elektromagnetischen) Signalen statt. Sie unterscheidet sich von der elementaren Kommunikationdurch folgende charakteristische Merkmale:
(1) Sie funktioniert nicht mit einzelnen Photonen oder einzelnen atomaren Informationsträgern. Sowohl zur Speicherung als auch zur Kommunikation von abstrakten Informationen werden viele Informationsträger benötigt.
(2) Zur Speicherung abstrakter Informationen werden örtliche Muster gebildet, die zur Übertragung kopiert oder in zeitliche Muster in Signalform (akustisch, optisch, elektromagnetisch) umgewandelt werden.
(3) Die Informationen, die in den Mustern enthalten sind, sind unabhängig von den konkret messbaren physikalischen oder chemischen Materialeigenschaften ihrer jeweiligen Träger.
(4) Die Informationen sind in der speziellen Struktur der Muster verborgen. Um sie zu entschlüsseln, muss die Symbolik bekannt sein, welche durch weitere Informationen festgelegt ist.
Elementarteilchen und Atome können abstrakte Informationen weder kommunizieren, noch speichern und sie auch nicht verarbeiten. Diese Fähigkeiten entstehen erstmalig mit molekularen Strukturen in biologischen Zellen. Die genetische Information zum Aufbau und zur Funktion von Pflanzen und Tieren ist auf der DNA (Desoxiribonukleinsäure), einem eindimensionalen Doppelfadenmolekül, mit einer Sprache, die vier Moleküle Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin als Buchstaben (A, C, G und T) verwendet, abgespeichert. Der Code der genetischen Symbolsprache und die Mechanismen ihrer Verarbeitung wurden von der Natur evolutionär entwickelt und was die Proteinsynthese betrifft, in den beiden letzten Jahrzehnten auch entschlüsselt. Noch nicht bekannt ist allerdings der Code, der die Steuerung der Zellprozesse regelt.
Das einfachste technische Verfahren, um Informationen zu übertragen, ist das Morsen mit zwei Zeichen, lang und kurz sowie einer Pause zwischen den einzelnen Buchstaben des Morsealphabets. Die Morsezeichen können akustisch, optisch, elektromagnetisch und auch schriftlich kommuniziert werden. Die Bedeutung der jeweiligen abstrakten Information wird durch die spezielle Sequenz der Symbolfolge festgelegt. Nur mit dieser Zusatzinformation kann die Sprache der verwendeten Symbolsequenzen verstanden werden.
Um die Informationen, die in den Mustern von Informationsspeichern enthalten sind, zu kommunizieren, sind viele Botenteilchen und komplexe Sender und Empfänger erforderlich. Die entsprechenden Speicher der genetischen Information sind die Gene. Das sind bestimmte Abschnitte auf der DNA-Doppelhelix, welche die Information zur Synthese bestimmter Proteine enthalten. Evolutionär beginnt das Auslesen abstrakter Informationen in den ersten lebenden Zellen. Es erfolgt durch Kopieren der Informationen der einzelnen Gene durch chemisches Scannen der speziellen Molekülsequenzen. Dabei wird ein Abbild des Gens auf einem ebenso fadenförmigen aber kurzem Molekül, der RNA (Ribonukleinsäure), synthetisch erzeugt. Die mRNA (Messenger-RNA) fungiert als Informationsüberträger in biologischen Zellenbei der Umsetzung der genetischen Information inProteine.
Gene sind immer dann „aktiv“, wenn ihre Information in eine RNA umgeschrieben wird, also wenn eineTranskription stattfindet, die die entsprechenden Folgereaktionen auslöst. Je nach Funktion des Gens entstehen dabei verschiedene RNA-Moleküle(mRNA,tRNAoderrRNA). In der Folge kann mit einer mRNA aus dieser Aktivität auch ein Protein translatiert werden. Die abstrakte Information, die in der Abfolge der A, C, G und T- Moleküle enthalten ist, wird durch den Code ihrer Verarbeitung zu einer konkreten Information, die angibt, wie die Aminosäuren zu den benötigten Proteinen verarbeitet werden müssen. Die einzelnen Prozesse werden in der Fachliteratur unter den Begriffen Genexpression undProteinbiosynthese beschrieben.
Die schnelle Kommunikation von abstrakten Informationen über größere Distanzen mit elektromagnetischen Signalen wurde in biologischen Systemen bei der Evolution von Vielzellern zur Abstimmung der Aufgabenspezialisierter Zellen immer wichtiger. Dazu wurden evolutionär Nervenzellen entwickelt, auf denen ionische Signale gezielt von Sendern zu Empfängern geleitet werden können. Da viele Sender und Empfänger in einem Organismus verbunden werden müssen, ergibt sich mit ihnen ein Netzwerk von Leitungen, ein neuronales Netzwerk, das die relevanten Sender und Empfänger miteinander verbindet. Zur besseren Koordination und zur Abspeicherung von Informationen wurde in höher entwickelten Lebewesen zusätzlich eine zentrale Kommandoeinheit, das Gehirn, entwickelt. Ähnliche Netzwerke wurden auch in der Nachrichtentechnik Milliarden Jahre später - allerdings mit Signalleitungen aus Metallen oder Halbleitern, entwickelt.

6. Wahrnehmung und Verarbeitung von Informationen
Wahrnehmung, Erkennung und Verarbeitung von Informationen beginnt schon bei den Elementarteilchen beim Informationsaustausch und setzt sich bei der elementaren Kommunikation und der Standardkommunikation fort. Damit Informationen verarbeitet werden können, müssen die Teilchen oder Strukturen, die sie tragen, wahrgenommen und die in ihnen enthaltene Information in einem Resonanz- bzw. einem Schlüssel-Schloss-Prozess erkannt werden.
Für die Informationsverarbeitung beim Informationsaustausch zwischen Elementarteilchen, Atomen und Molekülen in Physik und Chemie, welche die Austauschreaktionen bewirkt, sind virtuelle Bosonen verantwortlich. Da sie der Energie-Zeit-Unschärferelation unterworfen sind, können virtuelle Bosonen mit kleiner Energie mit Lichtgeschwindigkeit über größere Distanzen ausgetauscht werden als solche mit großer Energie. Entsprechend ist die durch sie bei der Informationsverarbeitung produzierte Kraftwirkung zwischen ihren Materieteilchen auch verkleinert. Virtuelle Bosonen mit großer Energie können daher wegen ihrer beschränkten Reichweite weit entfernte Materieteilchen nicht wahrnehmen und deshalb auch keinen Kontakt mit ihnen aufnehmen.
Damit sich Bosonen erkennen und damit ihre Informationen austauschen können, müssen sie ferner resonant sein, also von derselben Art sein und dieselbe Frequenz/Energie besitzen. Nur dann können sie miteinander Wechselwirken und die entsprechende gleichgroße Kraft auf ihre zugehörigen Materieteilchen bewirken.
Für die elementaren Kommunikationsprozesse zwischen einzelnen Teilchen und die Standardkommunikationsprozesse zwischen Sender und Empfänger sind reale Botenteilchen verantwortlich. Dies wird im Folgenden an einer Ursachen-Wirkungskette, beginnend mit der in der Sonne freigesetzten Energie erläutert.
Ein Elektron eines Atoms auf der Sonnenoberfläche wird mit der Energie einer Kernreaktion aus dem Sonneninneren angeregt und nimmt sie damit wahr (1). Aber nur, wenn das zugehörige Atom dabei auf einen diskreten Eigenzustand angeregt wird, dann ist es in Resonanz und erkennt die enthaltene Information (2). Das Atom kann dann bei der Informationsverarbeitung (3) die Energie aufnehmen, in einem Folgeprozess (4) in ein Photon umwandeln und mit ihr etwas bewirken. Wenn es nicht in Resonanz ist, kann es damit nichts anfangen und gibt die Energie wieder strahlungslos ab.
Ein von der Sonne abgestrahltes Photon trifft (1) nach einiger Zeit ein Objekt auf der Erde. Wenn es von diesem auf einen diskreten Elektronenzustand angeregt werden kann und damit mit ihm in Resonanz ist (2), dann wird es bei der Informationsverarbeitung (3) absorbiert und löst in ihm einen Folgeprozess (4) aus. Wenn nicht, dann wird es zwar wahrgenommen, aber es kann nicht verwendet werden und wird deshalb gestreut. Es setzt dann seinen Weg fort und trifft beispielsweise auf einen Fotorezeptor der Netzhaut eines Auges. Von ihm wird es nur dann absorbiert, wenn es mit einem seiner diskreten Anregungszustände resonant ist. Dann wird es als Informationsträger erkannt und löst bei der Verarbeitung der Information Folgeprozesse aus, die schließlich ein Signal auf einer Faser des Sehnervs produzieren. Dieses Signal muss im Gehirn durch Vergleich mit früheren Signalen resonant sein, damit es auch dort einen Folgeprozess auslöst usw.
Alle bis hierher beschriebenen Prozesse werden durch Informationen bestimmt, die in den atomaren und molekularen Eigenschaften der Elektronenzustände der beteiligten einzelnen Atome oder Moleküle stecken. Es handelt sich dabei also um die Verarbeitung elementarer Informationen bei der elementaren Kommunikation, bei der reale Photonen als Botenteilchen verwendet werden, die ihre Energie und ihre Information nur an die Elektronen der Elektronenhülle abgeben können.
Mit einem einzelnen Photon kann das Auge eines Lebewesens allerdings nichts anfangen, denn es liefert nur einen Bildpunkt. Um ein Bild zu erhalten, sind viele Bildpunkte auf einer Fläche – in unserem Fall zunächst als Abbild des Gesehenen auf der Netzhaut, erforderlich. Die Prozesse, die dabei ablaufen, sind bei allen Bildpunkten dieselben, aber die Informationen, die in dem dabei entstehenden Gesamtbild enthalten sind, haben mit der Physik und Chemie der beschriebenen Einzelprozesse nichts mehr zu tun. Sie informieren über Anzahl, Form, Farben, Größe und Entfernung der Strukturen der Objekte unseres Umfelds und ihre Dynamik, also über ganz andere Informationen, die unabhängig von den Mechanismen der Wahrnehmung und Verarbeitung der empfangenen Einzelinformationen sind. Die Bedeutung eines in einem Bild gesehenen Objektes erschließt sich allerdings erst, wenn man Zusatzinformationen beispielsweise aus dem Zeitablauf erhält oder indem man sich in dem gesehenen Umfeld bewegt, die gesehenen Dinge anfasst oder sie in den Mund nimmt usw.

7. Verarbeitung abstrakter Informationen im Empfänger
Informationsverarbeitung folgt immer einer Ursache-Wirkungskette, bei der Informationen an verschiedenen Orten mit verschiedenen Systemen und Prozessen erzeugt, transportiert, empfangen, erkannt, verarbeitet und in Aktionen umgesetzt werden. Das Ergebnis der Informationsverarbeitung ist immer eine Übernahme des Informationsträgers und seiner Energie, die den Empfänger zu einer Folgeaktion befähigt.
Ehe abstrakte Informationen, die in ortsabhängigen oder zeitabhängigen Mustern enthalten sind, erkannt und weiterverarbeitet werden können, müssen die Muster zuerst wahrgenommen werden. Dazu ist eine bestimmte Zeit erforderlich. Während der Wahrnehmung der Muster zeigt es sich, ob die in ihnen enthaltenen Informationen erkannt und damit samt dem Informationsträger vom Empfänger übernommen werden können oder auch nicht.
Das Grundprinzip der Informationsverarbeitung im Empfänger folgt einem universellen Schema in vier Hauptschritten:
(1) Wahrnehmung des Informationsträgers. Wahrnehmung bedeutet, dass der Empfänger die Struktur bzw. das Signal bei Kontaktaufnahme spürt.
(2) Erkennen der in der Struktur bzw. im Signal enthaltenen Informationen. Strukturell gilt das Schlüssel-Schloss-Prinzip und mit Signalen gilt das Resonanzprinzip.
(3) Verarbeitung der in ihnen enthaltenen Informationen durch Absorption des Informationsträgers und Bildung eines angeregten Zustands.
(4) Nutzung/Umsetzen des energiereichen Zustands in eine neue Aktion. Dazu müssen in dem entsprechenden molekularen oder biologischen System gewisse Voraussetzungen erfüllt sein. Die Nutzung der Information erfolgt demnach abhängig von den Gegebenheiten mit unterschiedlichen Mechanismen.
Signale sind zeitabhängige Muster, die Energie und Informationen enthalten. Um sie wahrzunehmen (1), müssen sie den Empfänger treffen. Nur wenn der Empfänger die Informationen der Signale während des Einschwingvorgangs erkennt, tritt er mit ihnen in Resonanz und übernimmt sie (2). Bei der Verarbeitung der Informationen reagiert er mit dem Signal und bildet mit ihm einen angeregten Zustand (3). Mit der übernommenen Energie kann der Empfänger eine Folgeaktion auslösen (4) z. B. eine chemische Reaktion auslösen oder eine neue Informationen absenden.
Ähnlich funktioniert es auch mit Botenmolekülen wie der mRNA, die abgespeicherte Informationen als aufgeprägte ortsabhängige Funktion transportieren. Um die Botenmoleküle wahrzunehmen, müssen sie mit dem Empfänger in Kontakt treten (1). Nur wenn der Empfänger beim Abtasten der Struktur des Botenmoleküls die getragenen Informationen erkennt (2), passt sozusagen der Schlüssel in das Schloss und die Informationen können erkannt werden. Bei der Verarbeitung der Informationen wird das Botenmolekül in einer Informationsaustauschreaktion übernommen oder kopiert (3). Mit der Energie und den in dem veränderten Molekül enthaltenen neuen Informationen kann im Anschluss daran eine Folgeaktion (4) ausgelöst werden.
Auch bei elementaren Kommunikationsprozessen mit einzelnen Botenstoffen, bei denen Rezeptoren im Spiel sind wie beim Sehen, Riechen oder Schmecken, laufen die Teilschritte der Informationsverarbeitung nach demselben Schema ab. Nachdem die einzelnen Moleküle, Ionen und Photonen wahrgenommen (1) und ihre Information in einem Schlüssel-Schloss-Prozess erkannt (2) werden, kann der Botenstoff in einem Absorptionsprozess verarbeitet und von den Rezeptoren übernommen werden (3) und einen Folgeprozess (4) auslösen. Damit der Rezeptor bei der chemischen Reaktion nicht verloren geht, muss er im Anschluss daran im Laufe der Zeit regeneriert/reaktiviert werden.
Das Erkennen von Teilchen oder Strukturen aus vielen Teilchen ist immer ein Resonanz oder Schlüssel-Schloss-Prozess. Das heißt, die chemischen Rezeptoren in Mund und Nase sind nur auf bestimmte Chemikalien abgestimmt, ebenso wie die der Augen und Ohren nur auf bestimmte optische und akustische Frequenzen abgestimmt sind, die sie bei ihrer Wahrnehmung erkennen und in entsprechende neuronalen Signale umwandeln.

8. Produktion von Informationen im Sender
Das Auslesen von Informationen aus Informationsspeichern entspricht der Produktion von mobilen Informationsüberträgern an den jeweiligen Speicherorten und damit dem Absenden von Signalen bzw. Botenmolekülen. Informationen können in ortsabhängigen Strukturen aufInformationsspeichern wie der DNA, auf Papier, Magnetbänder, CDs usw. abgespeichert werden. Damit diese Informationen mehrfach genutzt werden können, müssen sie auf entsprechende bewegliche Informationsträger, also bewegliche Strukturen (Botenmoleküle, Papier …) oder Signale (aus Photonen bzw. Elektronen), kopiert und zu den Empfängerorten transportiert werden. Dies entspricht der Entnahme bzw. dem Absenden von Informationen aus einem passiven Sender,der diesen Prozess nicht allein aus eigener Kraft durchführen kann.
Aktive Sender sind Atome, Moleküle und technische Sender, die mit einem internen Mechanismus mit zugeführter Energie die Botenteilchen oder Wellen, die Informationen tragen, generieren und absenden.
Speichermedien sind nicht selbst aktiv. Bei ihnen muss ein externer Mechanismus mit der dazu notwendigen Energie entweder Signale oder zusätzlich mit Chemikalien/Materialien die entsprechenden Botenteilchen erzeugen, um ihre als Funktion des Ortes abgespeicherten Informationen als Funktion der Zeit in ein Signal umzuwandeln oder sie auf ein Botenteilchen oder einen Botenstoff zu kopieren. Speichermedien besitzen dazu keine eigenen internen Mechanismen und auch keine eigene Energie. Da ferner ihr atomarer Aufbau nicht verändert werden darf, dürfen sie auch keine Atome verlieren und können deshalb auch nicht ohne externes Zutun Botenmoleküle abschicken. Um Information aus Speichermedien nutzen zu können, müssen sie also mit externen Mechanismen zerstörungsfrei von außen abgegriffen werden.
Beim physikalischen Ablesen von Informationen aus einem Speicher muss Energie in Form von resonanten Photonen bzw. elektromagnetischen Wellen zugeführt werden, die die Informationen erkennen und mit ihnen optische oder elektromagnetische Signale erzeugen. Dabei werden die Informationen, die auf dem Speicher als Funktion des Ortes abgebildet sind, optisch bzw. elektromagnetisch abgetastet und in bewegliche Informationen, die auf dem Signal als Funktion der Zeit enthalten sind, umgewandelt. Je nachdem, ob der Einzelspeicher mit der ankommenden Welle resonant ist, also die Information erkennt, gibt es während des Abtastens der einzelnen Speicherplätze durch Anregung der dabei betroffenen Atome einen Einfluss auf den reflektierten oder durchgelassenen Lichtstrahl bzw. auf das entsprechende elektromagnetische Signal. Damit der Speicherplatz chemisch unverändert bleibt, wird durch spontane Energieabgabe eine chemische Weiterreaktion verhindert.
Beim chemischen Ablesen der Informationen aus einem Speicher müssen neben der Energie auch die zur Reaktion notwendigen Chemikalien zur Bildung der Botenmoleküle zur Verfügung stehen. Dies bedeutet, dass die entsprechenden chemischen Reaktionsbedingungen erfüllt sein müssen. Beispielsweise müssen zur Bildung der mRNA an einem Gen der DNA die dafür notwendigen Grundbausteine, die Nucleotide, zur Verfügung stehen. Diese sind aus drei Bestandteilen aufgebaut, die von der Zelle ebenfalls zur Verfügung gestellt werden müssen. Es handelt sich dabei um einenPhosphorsäurerest, um einMonosaccharid,auchPentose genannt und um eine der fünf Nukleobasen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C), Thymin(T) oderUracil(U).Enzyme katalysieren dabei die Synthese der RNA bei der Transkription der DNA. Dabei werden die Nukleotide durch kovalente Bindungen in der durch die DNA vorgegebenen Reihenfolge verknüpft.
Abgespeicherte Informationen bleiben grundsätzlich bei ihrer Wahrnehmung mittels Photonen bzw. Chemikalien beim physikalischen und chemischen Scannen erhalten. Wenn dabei durch geeignete Mechanismen die Informationen der gespeicherten Strukturen erkannt werden, muss sichergestellt sein, dass die Informationen zerstörungsfrei kopiert bzw. abgelesen und abgesendet werden können. Die in der Ableseaktion produzierten Informationsträger tragen dann ein entsprechendes physikalisches Muster auf optischen oder akustischen Signalen bzw. ein entsprechendes chemisches Muster auf einem Botenstoff (wie z.B. auf der mRNA). Das dabei erzeugte Muster enthält dieselbe Information, ist aber auf einem anderen physikalischen oder chemischen Informationsträger aufgeprägt.
Die Verarbeitung abstrakter Informationen in den Genen erfolgt rein chemisch. Technisch erfolgt sie rein physikalisch und in neuronalen Netzwerken ist es eine Mischung von physikalischen, chemischen und biologischen Mechanismen.

9. Die Bedeutung der Kommunikation für die Evolution des Lebens
Kommunikation folgt grundsätzlich einer Ursache-Wirkungs-Kausalkette, bei der als erstes Information auf einem Informationsträger erzeugt werden muss. Die Folgeschritte sind das Transportieren, Empfangen und Verarbeiten des Informationsträgers mitsamt seiner Information. Danach kann eine neue Information entstehen, die denselben Folgeschritten unterworfen ist bis eine abschließende chemische Reaktion, z. B. eine Speicherung der Information erfolgt. Dieser Zyklus gilt sowohl für die Kommunikation elementarer als auch abstrakter Informationen, die beide eine zentrale Stellung bei allen Lebensprozessen einnehmen.
Parallel zur Evolution der Informationen entwickelten sich in unserem Universum auch die Mechanismen ihrer Kommunikation und ihrer Verarbeitung evolutionär. Zu den konkreten physikalisch-chemischen Informationen der einzelnen Atome kamen mit der Bildung von Molekülen durch die Anzahl und Geometrie der Atome in der molekularen Struktur zusätzliche Informationen hinzu, die nichts über die Materialien aussagen und dennoch bei chemischen Reaktionen eine Rolle spielen. Diese abstrakten Informationen führen zu dem Schlüssel-Schloss-Prinzip, das bei der Zusammenlagerung von Molekülen mit zunehmender Komplexität eine immer größere Rolle spielt. Es beschreibt die Funktion von komplementärenhttps://de.wikipedia.org/wiki/Komplementarit%C3%A4tStrukturen, die räumlich zueinander passen müssen, um schwache, nicht-kovalente Bindung wie z.B. zwischeneinem Enzym und einem Substrat zu verursachen.
Die Natur nimmt mit dem Schlüssel-Schloss-Prinzip auch die Geometrie, Form und Größe (allgemein das Aussehen), also abstrakte Eigenschaften eines Moleküls wahr. Strukturen, Symbole und Muster sind materialunabhängig und können deshalb mit verschiedenen Materialien dargestellt, kopiert und kommuniziert werden. Dies nutzte die Evolution in der „Ursuppe“ mit den nötigen Chemikalien und geeigneten Reaktionsbedingungen dazu, um mit den speziellen Sequenzen der Nukleotide auf der DNA zunächst entsprechende mRNA-Moleküle und dann mit ihnen genau definierte Proteine zu synthetisieren, was auch im Labor möglich ist. Um diese rein chemische Aufgabe schrittweise mit höchster Präzision durchzuführen, mussten gleichzeitig auch die zugehörigen Algorithmen evolutionär entwickelt werden.
Die Produktion der DNA-Muster erfolgte in der Anfangsphase der Biogenese zunächst chemisch unabhängig davon, ob sie als Träger genetischer Informationen genutzt werden konnten, da dazu erst ein Mechanismus zur automatischen Verarbeitung und Speicherung der Produkte, die für die Lebensprozesse der Zelle wichtig waren, evolutionär entwickelt werden musste. Dazu musste ein eindeutiger Ablauf der Verarbeitungsprozesse unter bestimmten physikalisch-chemischen Bedingungen sichergestellt werden. Ferner mussten die Sequenzen auf der DNA, die die Zellstrukturen schufen, in denen Leben entstehen konnte, erkannt, selektiert, abgespeichert und vervielfältigt werden.
Erst lebende Zellen waren vermutlich als erste Systeme dazu fähig, abstrakte Informationen als Wissen zum Aufbau und zur Steuerung von Zellprozessen in den Genen abzuspeichern und zu kopieren. Sie erfüllten damit schon vor 10 Milliarden Jahren die Grundvoraussetzungen zur Nutzung von abstrakten Informationen. Mit den ersten Sequenzen auf der DNA, die die genetischen Informationen für die Strukturen und die Mechanismen des Lebens der Zelle sicherstellten, mussten auch die dazu passenden Algorithmen zur Umsetzung der in ihnen enthaltenen Information Hand in Hand evolutionär entwickelt werden.
Die Speicherung und Vervielfältigung bzw. Mehrfachnutzung von Informationen ist deshalb von so großer Bedeutung, weil nur mit ihr ein Vergleich von aktuell empfangenen Mustern mit Mustern der Vergangenheit möglich ist und auf diese Weise die Bedeutung der in den Mustern enthaltenen abstrakten Information verstanden werden kann. Nur mit Hilfe der Speicherung und Reproduktion von Informationen war damit die gleichzeitige evolutionäre Entwicklung geeigneter Mechanismen der Informationsverarbeitung möglich. Parallel zur Evolution der verschiedenen Strukturen der ersten primitiven Lebewesen, mussten damit auch die Prozessschritte der biologischen Lebensmechanismen evolutionär entwickelt werden. Dies betrifft die Algorithmen, die präzise festlegen, wie die Zellen ihre jeweiligen Aufgaben erledigen sollen. Von den vielen möglichen Varianten der Mechanismen unter unterschiedlichen Bedingungen mussten evolutionär speziell die Algorithmen ausgewählt werden, die die genetischen Informationen in die für die Lebensprozesse notwendigen genau definierten Aktionen umsetzten, die aus endlich vielen wohldefinierten Einzelschritten bestehen.

10. Zum Ablauf der Biogenese
Informationen und molekulare Informationsspeicher sowie die Mechanismen der Erkennung und Verarbeitung von Informationen sind Voraussetzungen des Lebens, die auf automatisch ablaufenden chemischen Reaktionen basieren. Da wir heute wissen, wie Leben funktioniert, können wir auch erahnen, in welchen Schritten die Natur vor Milliarden Jahren diese Voraussetzungen geschaffen hat.
In einem ersten Schritt mussten mit chemischen Reaktionen unter geeigneten Reaktionsbedingungen, die während der Abkühlung der Erde geschaffen wurden, ortsabhängige Muster auf molekularer Basis entstehen. Dies war in der Natur mit der Kohlenstoffchemie in wässriger Lösung – in der „Ursuppe“ durch die Vielfalt der natürlich entstehenden chemischen Verbindungen möglich. Unter ihnen mussten sich auch die Komponenten befinden, die zu organischen fadenförmigen Molekülen führten, die wie bei der RNA molekulare Muster trugen. Heute wissen wir, dass die Informationen dieser Muster für eine weitere automatische Verarbeitung genutzt werden können. Dazu mussten natürlich die chemischen Voraussetzungen für weitere automatische chemische Reaktionsschritte, wie beispielsweise zur Synthese der Proteine vorhanden sein, die eine Bedeutung für die spätere Entwicklung des Lebens hatten.
In der Chemie führen autokatalytische Reaktionen dazu, dass das Endprodukt als Katalysator für dieselbe Reaktion wirkt und damit die Reaktion ständig beschleunigt. Es handelt sich dabei um eine positive Rückkopplung wie in der Elektronik, bei der ein Teil des Ergebnisses auf den Start der Reaktion direkt oder indirekt einwirkt. So kann es geschehen, dass die Produkte der Reaktion, die zu den Proteinen führen, die dazu notwendigen Reaktionsbedingungen zur Produktion der RNA oder der ersten DNA fördern. Die Fähigkeit der Replikation der DNA sorgt ihrerseits wiederum für eine effiziente Produktion der RNA-Moleküle. Diese Rückkopplung ist der Motor der Evolution, der auch die für die Abläufe wichtigen Algorithmenverantwortlich ist. Erst mit der Rückkopplung wird durch Selektion der bestgeeigneten Strukturen die Evolution des Lebens angestoßen und den Sequenzen auf der DNA eine Bedeutung zugewiesen, die sie vorher nicht hatten. Mit der Energie der Ursuppe kann damit ein automatischer Kreisprozess wie in einem Motor angestoßen werden, der so lange dauert, wie er mit Energie versorgt wird.
Die evolutionäre Entwicklung der Informationen auf der DNA für die Synthese der richtigen Proteine sorgt gleichzeitig dafür, dass die entsprechenden Informationen durch stete Reproduktion vervielfacht und dauerhaft gespeichert werden. Im Gegenzug dazu schaffen die über die RNA synthetisierten Bausteine die notwendigen molekularen Grundlagen zur Synthese der DNA. Nur was gut funktioniert, wird auf diese Weise vielfach gespeichert, vielfach genutzt und vielfach repliziert. Dies ist ein intelligenter Lernprozess, bei dem grundsätzlich nur was wichtig ist, gespeichert und immer wieder erfolgreich genutzt wird. Dies kann nur effizient geschehen, wenn parallel zu dem dabei gewonnenen Informationsgewinn die Mechanismen zum Kopieren der Strukturen, die die Informationen enthalten, evolutionär entwickelt und abgespeichert werden. Dieser Prozess stellt sicher, dass die Informationen, die die besten Möglichkeiten zur Reproduktion der DNA geben, bevorzugt selektiert und gespeichert werden.
Ein weiterer entscheidender Schritt der Biogenese ist die Bildung der Zellen, in denen wohldefinierte Reaktionsbedingungen hergestellt werden können, um dauerhaft kontrollierte chemische Reaktionen ablaufen zu lassen. Wie auch der Chemiker seine spezielle Chemie in einem Reagenzglas ablaufen lässt, damit nur die gewünschten Reaktionen erfolgen, so nutzt auch die Natur Zellen aus semipermeablen Membranen, quasi als Reagenzglas. Leben beginnt damit in den ersten lebenden Zellen mit einen Mechanismus, der dafür sorgt, dass die Muster, die die genetischen Informationen enthalten, in Folgeschritten richtig verarbeitet werden.
Grundsätzlich gilt, dass die Muster, die örtlich abgespeicherte Informationen enthalten, bei ihrer Nutzung nicht zerstört werden dürfen. Da die genetischen Muster der DNA kopiert werden können, werden sie auch chemisch erkannt. Also sind auch in den Zellen die Voraussetzungen zur Nutzung der Informationen durch geeignete chemische Mechanismen gegeben, die die Chemikalien bereitstellen, um die RNA-Moleküle während des chemischen Scannen der Gene als Kopie der genetischen Muster zu synthetisieren und sie zur weiteren Verarbeitung bereitzustellen.
Nur eine geeignete Struktur des Systems, das unter geeigneten Reaktionsbedingungen für eine stete Zufuhr der notwendigen Chemikalien und die Abfuhr unnötiger Substanzen sorgt, kann auch einen dauerhaften Ablauf automatischer Prozesse garantieren. Die dazu notwendigen Strukturen sind sowohl in biologischen Zellen als auch in technischen Anlagen vorhanden. Lebewesen basieren auf automatisch arbeitenden Prozessen in zellularen Systemen vergleichbar mit denen eines Benzinmotors, bei dem eine geeignete Konstruktion und geeignete Mechanismen dafür sorgen, dass ein kontinuierlicher Ablauf gesichert ist.
Mit der Bildung der Zellen wurden die automatisch ablaufenden Lebensprozesse von der Außenwelt abgekoppelt und gleichzeitig dafür gesorgt, dass Nährstoffe von außen in die Zelle eindringen können und nicht benötigte Chemikalien aus der Zelle austreten können. Die Wahrnehmung der Außenwelt, die die notwendigen Chemikalien/Nährstoffe zur Energieversorgung sicherstellte, war für die ersten Einzeller sowie in der weiteren Entwicklung für die Vielzeller und für die höher entwickelten Lebewesen ebenso überlebenswichtig wie die Wahrnehmung und Verarbeitung der genetischen Informationen. Menschen und Tiere haben zur Wahrnehmung ihrer Außenwelt Sinnesorgane, für die die Technik Sensoren benutzt. Die Anfänge der Sensorik, mit der die Außenwelt wahrgenommen werden kann, sind bereits in den zellulären Prozessen verankert. Schon Einzeller besitzen eine Sensorik, die sie spüren lässt, wo sie ihre Nahrung finden.
Schon in Einzellern werden Informationen mit beweglichen Informationsträgern dorthin transportiert, wo ihre Bedeutung erkannt und zu der entsprechenden Bewegung verarbeitet wird. Dazu hat die Natur mit den Geiseln Strukturen und Mechanismen entwickelt, die die Einzeller beweglich machen. Innerhalb der Zelle erfolgt der Transport der Informationen von den Sensoren zu den Aktoren mithilfe der Brownschen Molekularbewegung, die durch Wärmeenergie zustande kommt. Dies ist in den Zellen aufgrund der mikroskopischen Distanzen schnell genug. Zur Kommunikation zwischen den Zellen wird dieser Mechanismus mit zunehmenden Distanzen immer problematischer, weshalb dazu ein schnellerer Mechanismus entwickelt werden musste.
In höher entwickelten Vielzellern werden die Signale auf Nervenbahnen oder Leiterbahnen an den Sensoren generiert und zu der Nervenzentrale mittels elektromagnetische Wellen transportiert und dort weiter verarbeitet. In der Nervenzentrale müssen die Muster erkannt und verarbeitet werden. Dies ist nur mit Zusatzinformationen möglich, die erkennen lassen, was die Muster bedeuten. Zusatzinformationen müssen über andere Informationskanäle beschafft werden, wie wir es auch machen. Was ein gesprochenes Wort bedeutet, können wir auch zeigen. In dem Umfeld, das wir sehen, können wir uns auch bewegen und es spüren. Was wir sehen, können wir auch anfassen und in den Mund nehmen, um festzustellen, wie es schmeckt usw. Um uns und die Welt besser zu verstehen, als es die Tiere können, haben wir unsere Sprache und unser Gedächtnis, das es uns ermöglicht, Zusammenhänge zu erkennen und zu verstehen.
Wahrnehmung, Transport und Verarbeitung von Mustern mit Informationen erfolgt in der Regel in mehreren aufeinander folgenden Schritten. Beispielsweise sendet unser Umfeld, wenn es von der Sonne bestrahlt wird, über die Reflexion Licht aus, das unser Auge empfängt und in ihm verarbeitet wird. Die Struktur des Umfelds wird auf diese Weise in einem ersten Schritt als örtliches Muster auf unserer Netzhaut abgebildet und von den darauf befindlichen Fotorezeptoren empfangen. Die Netzhaut ist damit die erste Station bei der Verarbeitung visueller Informationen. Sie analysiert das Gesehenebereits auf Kriterien wie Farbe, Bewegung, Form und Helligkeit. Die Stäbchen und Zapfen der Fotorezeptoren wandeln das Licht in elektrische und chemische Reize um. Ihre Verarbeitung übernehmen die angedockten Amakrin- und Horizontalzellen. Diese geben die Informationen an andere Fotorezeptoren sowie die Bipolarzellen weiter. Letztere wirken auf die Ganglienzellen, welche schließlich die Nervenzellimpulse erzeugen, die über etwa eine Million Nervenfasern des Sehnervs blitzschnell an die visuellen Zentren des Gehirns weitergeleitet werden. Das Gehirn ist damit die letzte Station der in die interne Sprache übersetzten optischen Informationen, die in etwa einer Million Bildpunkten enthalten sind. Es vergleicht die empfangenen Signale mit den Erfahrungen der Vergangenheit und leitet daraus zahlreiche Folgereaktionen aus, die an die Muskulatur des Körpers gesendet werden und die Bewegung der Augen, der Arme und Beine koordinieren. Die von den Objekten unseres Umfeldes ausgesandten Informationen werden damit in einer Ursache-Wirkungskette über zahlreiche Sende-, Transport-, Empfangs- und Verarbeitungsschritte weitergeleitet, damit sie als Endergebnis die den Informationen entsprechenden richtigen Bewegungseffekte auslösen.

Fazit
Was Informationen sind, wie sie evolutionär entstanden sind und wie sie mit ebenso evolutionär entwickelten Mechanismen verarbeitet werden, kann grundlegend physikalisch-chemisch verstanden werden. Am Anfang unseres Universums gab es nur die Informationsverarbeitung durch Informationsaustausch zwischen Materieteilchen, die für alle physikalischen und chemischen Reaktionen verantwortlich war. Als nächstes kam die elementare Kommunikation hinzu, bei der einzelne Materieteilchen als Sender wirken. Diese generieren jeweils einen beweglichen Informationsträger mit konkreten Informationen, die durch seine Eigenschaften gegeben sind und sendet ihn ab.Unabhängig vom Sender wirkt ein anderes Materieteilchen als Empfänger und übernimmt/verarbeitet unter bestimmten Voraussetzungen den Informationsträger samt seiner Information und Energie. Der letzte Schritt der Evolution der Informationsverarbeitung ist die Standardkommunikation, bei der abstrakte Informationen generiert und gesendet werden, die nichts mit den Eigenschaften der beteiligten Informationsträger zu tun haben und deshalb auch als abstrakt bezeichnet werden. Bei den Sendern und Empfängern abstrakter Informationen handelt es sich um Systeme aus vielen Teilchen. Abstrakte Informationen sind auf den Informationsträgern als eingeprägte orts- bzw. zeitabhängige Muster enthalten. Die Evolution von molekularen Informationsspeichern, Informationsüberträgern und molekularen Sendern und Empfängern war die Voraussetzungfür die Evolution des körperlichen Lebens. Entscheidend dafür waren die sich in Zellen durch molekulare Informationen und molekulare Informationsverarbeitung entwickelnden automatisch ablaufenden chemischen Reaktionen. Erst in höher entwickelten Lebewesen wurde die Entwicklung des geistigen Lebens durch die Evolution der Sinnesorgane und des Gehirns möglich. Entscheidend dafür waren die Ausbildung eines effizienten neuronalen Nervensystems, über das eine schnelle Kommunikation von den Sinnesorganen zum Gehirn möglich wurde, in dem die Informationen verarbeitet und abgespeichert werden konnten. Die Grundlage unseres körperlichen Lebens ist damit die automatisch ablaufende Chemie auf Basis der in der DNA molekular abgespeicherten und molekular kommunizierten Informationen und ihrer Verarbeitung innerhalb der einzelnen Zellen. Die Grundlage unseres geistigen Lebens ist damit eine ebenso automatisch ablaufende Biophysik auf Basis neuronal abgespeicherter und mit elektrischen Signalen in dem neuronalen Netzwerk des Körpers kommunizierter Informationen und ihrer Verarbeitung in unserem Gehirn.

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