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Ulf Skirke Technologie und Selbstorganisation Zum Problem eines zukunftsfähigen Fortschrittsbegriffs

2.2 Nichtlinearität und Komplexität - Strukturverwandtschaften von unbelebter und belebter Natur

Im Rahmen bisheriger klassischer Naturwissenschaften tritt in besonderer Weise ein Wesensunterschied von Begriffen und Ergebnissen zutage, der einerseits die anorganischen und andererseits die organischen Naturbereiche betrifft. Dementsprechend hatte das "dualistische" Naturbild von belebter und unbelebter "Materie" eine Reihe von theoretischen sowie experimentellen Konsequenzen im Umfeld von Naturwissenschaft und Technik. Genauso wenig wie es der klassischen "Basiswissenschaft" Physik gelang, komplexe Vielfalt und lebendige Evolution der Natur zu beschreiben und zu erklären, war es der klassischen Biologie möglich, die naturwissenschaftlichen Grundlagen der Wechselwirkungen zwischen biotischen und abiotischen Erscheinungen adäquat zu erklären. "Doch sind gerade die Gesetzmäßigkeiten der klassischen Physik besonders 'einfach' und lassen überhaupt nicht erkennen, wie die Komplexität der Welt durch sie zustandekommen könnte" (Eilenberger, S. 78). Des weiteren läßt die anschauliche Gegenüberstellung von (belebter) "Natur" und (unbelebter) "Technik" keinen Zweifel daran, daß es sich hier nach Form und Inhalt um qualitativ sehr verschiedene Gegenstände handelt. "Dies wundert niemanden: Natur und Technik werden ja - heutzutage mehr denn je - als Gegensätze gelegentlich sogar als unversöhnliche Gegensätze empfunden. Dies sollte aber doch verwundern: Schließlich ist Technik - sicherlich die moderne Technik - angewandte Naturwissenschaft. Warum also machen deren Derivate nicht den Eindruck des Natürlichen?" (ebenda).

[S.63] Ein Zusammenhang bei der Beantwortung dieser Frage scheint dabei besonders wesentlich: herkömmliche Maschinen und Technologie sind geprägt durch Linearität - in deutlichem Unterschied zu natürlichen Gegenständen.³⁴ Demzufolge ist das "Lineare" und "Eindimensionale" im wissenschaftlich-technischen Denken nicht nur eine "unzureichende Weltinterpretation", sondern deutet auch auf die praktische Problematik, daß lineare Technik einerseits und im wesentlichen "nichtlineare" Natur andererseits zunehmend in ein unverträgliches Verhältnis geraten, wie es beispielsweise in der ökologischen Krise zum Ausdruck kommt. Von daher hat die Wiederentdeckung und Analyse nichtlinearer Naturvorgänge nicht nur die Bedeutung einer wissenschaftlichen Erkenntniserweiterung, sondern eröffnet das Verständnis für Verbindungslinien und Strukturzusammenhänge zwischen anorganischer und organischer Natur, was nicht ohne Folgen für das technologisch vermittelte Verhältnis zwischen Mensch und Natur bleiben kann.

Im Unterschied zur linearen Analyse weist die nichtlineare eine Fülle von neuartigen Eigenschaften wie Rekursionen, komplexe Rückkopplungen, neue Beziehungen zwischen Stabilität und Instabilität, aber vor allem die Möglichkeit, die spontane und unerwartete Struktur und Musterbildung von Materie fern ab dem thermodynamischen Gleichgewicht mathematisch zu beschreiben (vgl. auch Briggs/Peat 1990 S. 29 ff.). Im wesentlichen werden lineare Naturerscheinungen durch zwei physikalische Prinzipien bestimmt, nämlich das sog. Determiniertheitsprinzip, nach dem Naturvorgänge kausal determiniert sind, und das Überlagerungsprinzip, wie beispielsweise in der Superposition von Wellen, so daß sich Wirkungen additiv überlagern. Bei nichtlinearen Naturerscheinungen gilt dieses im allgemeinen nicht mehr: Der Ursache-Wirkungs-Zusammenhang ist nicht mehr "einfach", komplexe Rückwirkungen können Anfangswerte überproportional beeinflussen und das Superpositionsprinzip weicht der sogenannten Selbstähnlichkeit oder Skaleninvarianz, was das Fehlen eines 'natürlichen Maßstabes' in dem betrachteten Phänomen bedeutet (vgl. Großmann 1989, S. 101 ff.). Die Untersuchung nichtlinearer Naturvorgänge im physikalisch-anorganischen Bereich führten dabei überraschenderweise auf Phänomene, wie sie im allgemeinen nur in biologisch- [S.64] organischen Zusammenhängen beobachtet wurden. "Wir beginnen zu erkennen, wie wir ... komplexe Strukturen, komplexe Formen aufbauen können, von denen einige Vorläufer des Lebens gewesen sein mögen. Sicher scheint zu sein, daß diese gleichgewichtsfernen Phänomene eine wesentliche und unerwartete Eigenschaft der Materie belegen: Man kann sagen, daß Strukturen an die äußeren Bedingungen angepaßt sind, daß sie eine Art von vorbiologischen Anpassungsmechanismen besitzen" ..., so daß "das Leben in dieser Perspektive sehr viel weniger im Gegensatz zu den -normalen- Gesetzen der Physik zu stehen" scheint (Prigogine/Stengers 1986 S. 22 ff.).

Das zunehmend umfangreichere physikalisch-chemische Forschungsprogramm zur Untersuchung der Nichtlinearität und Nichtgleichgewichts-Thermodynamik führte nach Prigogine/Stengers nicht nur zu einer "neuen Naturauffassung ..., in deren Mittelpunkt die Auffassung von einer spontan sich selbstorganisierenden Welt steht", sondern die gegensätzliche Beziehung von belebten und unbelebten Naturbereichen abbauen hilft und damit das traditionelle duale Weltbild von Mensch und Natur: "Die Unterscheidung zwischen der Natur und dem Menschen kann jedoch keine so absolute sein. Neuere Untersuchungen an einfachen Organismen ... haben gezeigt, daß bereits aufgrund von lokalen chemischen Wechselwirkungen ein kollektives Verhalten möglich ist" (S. 13, 29).

Um die wesentlichen Mechanismen und Begriffe nichtlinearer komplexer Dynamik darzustellen, soll als Beispiel ein vielfach beschriebener Prototyp für Selbstorganisationsphänomene in der Physik, nämlich die thermische Konvektion (Bénard- Instabilität), kurz erläutert werden (vgl. Nicolis/Prigogine 1987 S. 20 ff.; Haken/Wunderlin in: Kratky/Wallner 1990 S. 18 ff.; Haken 1988 S. 44 ff.; Kratky in: Kratky/Bonet 1989 S. 177 ff.). Dabei wird eine Flüssigkeitsschicht langsam von unten erwärmt, so daß sich eine Temperaturdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Flüssigkeitsrand herausbildet:

Phase 1

Bei einer geringen Temperaturdifferenz bewegt sich die Wärmeleitung im linearen Bereich, die Flüssigkeit bleibt makroskopisch im stationären Ruhezustand (Fließgleichgewicht).

Phase 2

Oberhalb einer kritischen Temperaturdifferenz beginnt die Flüssigkeit plötzlich makroskopische rollenförmige Bewegungen auszuführen und strukturiert sich in einer regelmäßigen Anordnung kleiner Zellen (Bénard-Zellen). Diese spontane Strukturbildung wird auch mit dem Begriff Selbstorganisation bezeichnet und ebenfalls als "dissipative Struktur" (Prigogine) definiert, da ständig Wärme zur Aufrechterhaltung des Nichtgleichgewichtszustandes zugeführt wird. Einerseits wird durch die Rollen eine komplexe räumliche Ord- [S.65] nung erzeugt, in dem sich eine Vielzahl von Flüssigkeitsmolekülen in kohärenter Weise bewegt und andererseits wird durch die Konvektion viel effektive Wärme transportiert.

Die Struktur der Rollen ist nun keine statische mehr, sondern eine dynamische bzw. Prozeßstruktur.

Weiterhin ist wesentlich hervorzuheben, daß die Rollen in sukzessiver Reihenfolge linksdrehende und rechtsdrehende Rotationen aufweisen. Geringste Dichte-Fluktuationen, die bei den Anfangsbedingungen gerade "zufällig" herrschen, bewirken unvorhersehbar eine der beiden Rollenbewegungen. Da anfangs in Phase 1 räumliche Symmetrie herrschte, tritt nun durch die gegenläufige Rotation eine Symmetriebrechung auf.

Das System kann also zwischen zwei möglichen Zuständen "wählen", was auch als Bifurkation (Zweiweg-Gabelung) definiert ist: ... "Zu denselben Parameterwerten existieren mehrere Lösungen. Der Zufall allein entscheidet darüber, welche dieser Lösungen realisiert wird. Die Tatsache, daß von vielen Möglichkeiten nur eine ausgewählt und beibehalten wird, verleiht dem System eine historische Dimension, eine Art von 'Erinnerung' an ein vergangenes Ereignis, daß einmal zu einem kritischen Zeitpunkt stattgefunden hat und sich nun auf die weitere Entwicklung des Systems auswirkt" (Nicolis/Prigogine S. 27 ff.).

Phase 3

Bei einer weiteren kritischen Erhöhung der Temperaturdifferenz tritt ein neuer makroskopischer Zustand der Flüssigkeit auf, nämlich das sog. "Chaos": Dabei dreht sich eine beispielhaft betrachtete Rolle eine zeitlang mit oszillierender Geschwindigkeit beispielsweise im Uhrzeigersinn und wechselt dann plötzlich die Drehrichtung, bevor sie wieder, zu einem nicht vorhersehbaren Zeitpunkt, zurückspringt. Dieser dynamische Zustand ist einerseits durch physikalische Parameter vollständig determiniert, aber andererseits durch Fluktuationswirkungen zufällig und chaotisch (deterministisches Chaos).³⁵

Die Auswertung des vorangegangenen Beispiels eines Selbstorganisationsprozesses bzw. einer dissipativen Strukturbildung in Form einer supramolekularen Organisation legt auch die Existenz von inneren komplexen Korrelationen nahe, d.h. die Existenz von statistisch reproduzierbaren Beziehungen, die zwischen räumlich entfernten Teilen des Systems bestehen: "Dabei handelt es sich um ein Regime, daß durch Symmetriebrechung vielfältiger Auswahlmöglichkeiten und durch Korrelationen makroskopischer Reichweite charakterisiert ist. Wir können daher sagen, daß wir buchstäblich die Geburt von Komplexität erlebt haben. Zugegeben, der erreichte [S.66] Grad an Komplexität ist bescheiden; nichtsdestoweniger weist er Eigenschaften auf, die bisher üblicherweise nur biologischen System zugeschrieben worden" (Nicolis/ Prigogine S. 29).

Von nicht minderer grundlegender Bedeutung für die Kennzeichnung komplexer Selbstorganisationsprozesse ist die sog. selbstorganisierte Kritizität, mit deren Hilfe sich sowohl Phänomene im Anorganischen als auch im Organischen erklären lassen.

Es handelt sich hier um die ständige Selbstorganisation großer interaktiver Systeme in der Weise, daß sie einen kritischen Zustand annehmen und aufrechterhalten, in dem schon ein winziges Ereignis eine Kettenreaktion in Gang setzen kann, die in einer Katastrophe mündet. Selbstorganisierte Kritizität stellt ein Konzept zur Erklärung des Verhaltens zusammengesetzter Systeme aus Millionen und Abermillionen von Elementen dar, die über kurze Entfernungen miteinander interagieren. Nach dieser Theorie ist ein und derselbe Mechanismus für die kleineren wie für die großen Ereignisse bzw. Katastrophen verantwortlich. Außerdem erreichen solche zusammengesetzten Systeme niemals einen Gleichgewichtszustand, sondern bewegen sich vielmehr von einem metastabilen Zustand zum nächsten.

"Die Theorie der selbstorganisierten Kritizität ist holistisch: Die globalen Merkmale - etwa das Verhältnis von großen zu kleinen Ereignissen - hängen nicht von mikroskopischen Mechanismen ab. Folglich lassen sie sich auch nicht durch die separate Analyse der einzelnen Komponenten verstehen. Unseres Wissens ist die selbstorganisierte Kritizität bisher das einzige Modell oder der einzige mathematische Formalismus, der eine holistische Theorie dynamischer Systeme geliefert hat" (P. Bak/K. Chen 1991, S. 63 ff.).

Als Modellfall für selbstorganisierte Kritizität dient ein einfaches System: der Sandhaufen. Die Dynamik läßt sich sowohl mit Hilfe von Computersimulationen als auch mit Real-Experimenten untersuchen, in denen Sand- bzw. Reiskörner langsam und gleichmäßig - Körnchen für Körnchen - auf einen Haufen auf eine kreisförmige Platte geschüttet werden. Zunächst bleiben die Körnchen meist nahe bei der Stelle liegen, an der sie auftreffen. Wenn die Steigung an irgendeiner Stelle zu groß wird, rutschen jedoch einige Sandkörner herunter und verursachen eine kleine Lawine. Wird der Haufen durch stetiges Zugeben weiterer Körner immer steiler, nimmt die mittlere Größe der Lawinen zu, und die ersten Körnchen fallen vom Rand der Scheibe herunter. Sobald schließlich im Mittel soviele Körnchen herunterfallen, wie zugegeben werden, vergrößert sich der Sandhaufen nicht mehr: an diesem Punkt hat das System den kritischen Zustand erreicht. Es existiert eine genaue mathematische Beziehung zwischen der Zahl der Körner, die von jedem neuen Korn verschoben werden und der Häufigkeit, mit der Lawinen unterschiedlicher Größe auftreten.

[S.67] Steigt das Gefälle jedoch über den kritischen Wert, so daß sich der Haufen im überkritischen Zustand befindet, dann sind die Lawinen wesentlich größer als im kritischen Zustand. Ein überkritischer Haufen schrumpft daher, bis er den kritischen Zustand erreicht hat.

Der kritische Zustand wirkt somit als Attraktor: als eine Art Anziehungspunkt zu dem sich unter- und überkritische Zustände hinbewegen! Das System ist zwar an vielen Stellen instabil, aber der kritische Zustand selbst ist absolut robust.

"Ein Beobachter, der einen bestimmten Bereich des Haufens untersucht, kann leicht erkennen, was den Sand ins Rutschen bringt, und sogar vorhersagen, ob in naher Zukunft kleine örtliche Lawinen auftreten werden. Große Lawinen müssen für diesen lokalen Beobachter jedoch unvorhersehbar bleiben, da sie sich aus der Gesamtentwicklung des ganzen Haufens ergeben: Unabhängig von der lokalen Dynamik werden diese mit einer bestimmten nichtbeeinflußbaren Häufigkeit niedergehen; denn die Kritizität ist eine globale Eigenschaft des gesamten Systems " (Bak/Chen, S. 65).

Selbstorganisierte Kritizität liefert Erkenntnismuster für weit auseinanderliegende Phänomenbereiche, wie z.B. Erdbeben, das sog. Flackerrauschen, bestimmte ökonomische Prozesse oder das Verhalten von Ökosystemen.

Bemerkenswert ist auch die Verbindung zu fraktalen Strukturen und chaotischen Prozessen (dies wird in Kapitel 2.3 näher erläutert werden): "Obwohl Fraktale in der Natur weit verbreitet sind, beginnt man erst allmählich, die Dynamik zu verstehen, der sie ihre Entstehung verdanken. ... Wir vermuten, daß man sie als Schnappschüsse von selbstorganisierten kritischen Prozessen ansehen kann. Fraktale Strukturen und Flackerrauschen wären somit die räumlichen bzw. zeitlichen Manifestationen selbstorganisierter Kritizität" (ebenda, S. 68). Selbstorganisierte kritische Systeme können als "schwach-chaotisch" bezeichnet werden, was bedeutet, daß es keinen Vorhersagehorizont gibt, der Langzeitprognosen verhindern würde. Offensichtlich spielen schwach-chaotische Prozesse und selbstorganisiertes kritisches Systemverhalten in der Evolution des Lebens eine bedeutsame Rolle: "Auch unsere Untersuchungen deuten darauf hin, daß die Evolution im Stande ist, ein einfaches, mehr oder weniger zufälliges, interaktives dynamisches System automatisch in einen solchen kritischen Zustand zu überführen. Falls dies zuträfe, würde sie am Rande des Chaos operieren" (ebenda, S. 70). Mit Hilfe von Simulationsmodellen lassen sich die Mechanismen von Ko-Evolution näher untersuchen, die ihrerseits wiederum mit den Phänomenen der Kritizität und dynamischer Komplexität zusammenhängen. "Durch Ko-Evolution entwickelt sich das zufällig entstandene Ausgangsmuster des Systems dann allmählich hin zu einem hochorganisierten kritischen Zustand mit komplexen statischen und dynamischen Konfigurationen. Die Komplexität der globalen Dynamik steht [S.68] dabei in enger Beziehung zu ihrer Kritizität; vielleicht sind die Theorie der Komplexität und der Kritizität sogar generisch äquivalent" (ebenda).

Als weiteres wesentliches Beispiel muß die "Selbstorganisation im Laser"³⁶ angesehen werden, wobei es sich, wie bei der Bénard- Instabilität, um ein offenes System handelt, daß ständig Energie mit seiner Umgebung austauscht, d.h. weit entfernt vom thermischen Gleichgewicht ist. Überraschend war nun, daß der Laserübergang alle Eigenschaften eines üblichen Phasenübergangs aufweist, wozu auch 'kritische' Fluktuationen und 'Symmetriebrechnung' gehören. "Der Laser erweist sich so als eine Brücke zwischen der unbelebten und der belebten Natur ... Eine interessante Brücke zu Lebensvorgängen bieten vor allen Dingen chemische Laser, da hier eine Art Stoffwechsel stattfindet" (Haken 1988 S. 69 ff.).³⁷

Nicht weniger überraschend und unerwartet war die Entdeckung von chemischen und biochemischen Oszillationen, deren theoretische Unmöglichkeit noch bis vor zwei Jahrzehnten behauptet wurde. Besonders intensiv wurden die Belusow-Zhabotinsky-(BZ)-Reaktion und die glykolytischen Oszillationen studiert. In diesen beiden Systemen fand man experimentell eine große Vielfalt von Erscheinungen wie periodische Farbwechsel, Spiralwellen und chaotisches Verhalten (vgl. Ebeling und andere 1990 S. 78 ff.; Hess/Markus in: Dress und andere 1986 S. 61 ff.; Nicolis/Prigogine 1987 S. 29 ff.; Haken 1988 S. 75 ff.). Dabei sind drei Bedingungen an das Auftreten derartiger Oszillationen geknüpft: Die erste ist, daß die chemischen Systeme nur dann oszillieren können, wenn sie fern vom Gleichgewicht sind; die zweite, daß eine Rückkopplung existieren muß, in der irgendein Produkt eines beliebigen Schrittes in der Reaktionsfolge seine eigene Bildungsgeschwindigkeit beeinflußt (z.B. Autokatalyse); die dritte, daß das System als eine als Bistabilität bezeichnete Eigenschaft aufweist: Unter den gleichen äuße- [S.69] ren Bedingungen muß es in zwei unterschiedlichen stabilen stationären Zuständen vorliegen können. Derartige Oszillationen gelten als Musterbeispiel von chemischer und biochemischer Selbstorganisation, insbesondere durch das Auftreten von Autokatalyse, d.h. das Vorhandensein eines gewissen Reaktionsproduktes, daß seine eigene Produktionsgeschwindigkeit beschleunigt.³⁸ Die dabei auftretenden, einerseits besonders stabilen bzw. hyperstabilen und andererseits chaotischen, instabilen Oszillationen stellen zwei fundamental verschiedene, aber gleichermaßen wichtige Funktionen der biochemischen Dynamik dar. "Wir vermuten, daß es Regulationsmechanismen gibt, die chaotische Funktionen dann erzeugen, wenn neue Umweltbedingungen auftreten und Zellen sich durch Ausprobieren anpassen müssen. Die hyperstabile Funktion wird dagegen realisiert, wenn die Anpassung bereits erfolgt ist und so lange stabil beibehalten werden soll, wie die Umweltbedingungen nahezu konstant sind" (Hess/Markus S. 71 ff.).

Wesentlich ist dabei ferner, daß die eingestellten dynamischen Zustände von den Anfangsbedingungen der biochemischen Prozesse und damit von der Vorgeschichte des Systems abhängen. In diesem Sinne kann man von einer Art "Gedächtniseigenschaft" dieser oszillierenden Systeme sprechen, die gerade bei biotischen Vorgängen von ganz besonderer Bedeutung ist.

Aufgrund der experimentellen, biochemischen Erfahrungen und theoretischen Untersuchungen kann man allgemein die möglichen Funktionen biochemischer Uhren wie folgt zusammenfassen - sie arbeiten:

1. als "Taktgeber" zur zeitlichen Organisation von Organismen,
2. zur Verringerung der Verluste von freier Energie,
3. als "Frequenzgenerator", um eine Vielfalt neuer dynamischer Zustände zu erzeugen,
4. als "Zufallsgenerator" zur "chaotischen" Anpassung des Organismus an neue Umweltbedingungen,
   [S.70]
5. als "Informationsspeicher" im Sinne eines chemischen Gedächtniselements,
6. als "Trägerschwingung" zur Modulation verschiedener Schwingungsfrequenzen (vgl. Hess/Markus S. 77 ff.).³⁹

Zu fast identischen Ergebnissen kommen auch Untersuchungen von Selbstorganisationsphänomenen im Bereich der Molekularbiologie (vgl. Cramer 1989), so daß diese überall dort von universellerer Bedeutung zu sein scheinen, wo rhythmische Wechselwirkungen und Verbindungen zwischen anorganischer und lebendig organischer Natur von wesentlicher Bedeutung sind. Die jeweils unterschiedlichen Eigenschaften der Naturzustände können durch die Art und Weise nichtlinearer Rückkopplungen sowie durch den Grad der Komplexität beschrieben und differenziert werden. Je komplexer ein System ist, um so mehr Informationen kann es tragen, und um so mehr Informationen sind zu seiner Beschreibung notwendig. Dies hat Konsequenzen für den wissenschaftlichen Untersuchungsprozeß: "Das komplexe System wird durch den Eingriff des Forschers, die Herauslösung des linearen Prozesses aus dem Netzwerk komplexer Interaktionen zerstört: Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile" (Gerok in: Von Ditfurth/Fischer 1990 S. 148 ff.). Cramer unterscheidet in diesem Zusammenhang drei Arten von Komplexität: Die subkritische, die kritische und die fundamentale.

"Subkritische Komplexität liegt in solchen Systemen vor, in denen zwar eine gewisse Vielfalt herrscht, die jedoch durch mathematische Gesetze so vereinfachbar ist, daß deterministische Systeme herauskommen, auf die einfache physikalische Gesetzmäßigkeiten anwendbar sind, etwa die Newtonschen Gesetze" (Cramer S. 279).

Oberhalb eines bestimmten kritischen Wertes der Komplexität und nichtlinearer Rückkopplung können sich Strukturen ausbilden, wie z.B. Konvektionsströme und Konvektionsmuster (Bénard- Instabilität). "Diesen Komplexitätsgrad nenne ich kritische Komplexität. Solche Systeme bilden Subsysteme wie etwa in der Evolution oder in der irreversiblen Thermodynamik. Der Prognostizierbarkeit sind praktische, jedoch keine grundsätzlichen Grenzen gesetzt" (S. 280).

Sind die Informationen zur Beschreibung eines komplexen Systems ebenso umfangreich, wie die Informationen des Systems selbst, spricht man von fundamentaler Komplexität, in der trotz deterministischer Ausgangsbedingungen indetermi- [S.71] nistische oder chaotische Lösungen auftreten können. In diesen Systemen versagt eine langfristige Prognose über die dynamische Entwicklung der Zustände, nicht nur praktisch, sondern auch grundsätzlich.⁴⁰ So weist beispielsweise die lebendige Natur häufig fundamental komplexes Verhalten auf und kann eben nur als lebendiges System mit begrenzter "Eingriffstiefe" untersucht werden, soll das komplexe Netzwerk nicht an einer Stelle zerrissen werden. Insofern sind zwar Strukturverwandschaften zwischen abiotischer und biotischer Natur mit Hilfe von Nichtlinearität und Komplexität beschreibbar, allerdings müssen auch die Unterschiede der Komplexitätsgrade in Form von qualitativen Sprüngen bzw. Asymmetrien in der naturwissenschaftlichen Untersuchung beachtet werden.⁴¹ Die verschiedenen Komplexitätsstufen lassen sich modellhaft in verschiedene Ebenen bzw. Schichten einordnen, wobei die jeweils höhere Komplexitätsschicht die darunterliegende systematisch enthält, aber nicht umgekehrt. In diesem Sinne müßten sich die physikalischen und die biologischen Naturwissenschaften sowohl verändern, als auch in ein neues Verhältnis setzen. Zur sich verändernden Rolle der Physik wäre dann folgendes zu sagen: "Sie befindet sich derzeit im Umbruch, es fragt sich daher schon einmal, was überhaupt die Physik ist. In ihrer älteren Form kann sie die Biologie sicher nicht "erklären". In Zukunft könnte sie sich aber als Keimzelle einer wesentlich umfassenderen vernetzten Naturwissenschaft erweisen, die dann auch die biologischen Phänomene erfaßt" (Kratky in: Kratky/Bonet 1989 S. 19).

Die Entdeckung bzw. Wiederentdeckung von charakteristischen Strukturbildungen in der Natur durch nichtlineare Dynamik verschiebt frühere naturwissenschaftliche Randphänomene in das Zentrum zeitgenössischer Forschung. Dabei stellen sich folgende grundsätzliche Fragen:

1. Wenn das Auftreten von nichtlinearen und komplexen Naturzuständen die Regel und lineare einfache Naturphänomene die Ausnahme sind, was bedeutet das für Theoriebildung und Auswahl der Forschungsgegenstände in insbesondere Physik und Chemie?
2. Wenn der Komplexitätsgrad bestimmter Systemzusammenhänge eine quantitative Betrachtung solcher Systeme praktisch oder grundsätzlich verunmöglicht, wie sind dann andere "Meßverfahren" oder andere Forschungs"sprachen" denkbar, z.B. in einer "qualitativen Mathematik" (vgl. Briggs/Peat S. 118)?
   [S.72]
3. Wenn Technik und Industrie durch Linearität geprägt sind, die natürliche Umwelt aber im wesentlichen durch Nichtlinearität, wie läßt sich dieser Widerspruch durch ein anderes Technologiekonzept in Theorie und Praxis lösen? Inwiefern lassen sich die Charakteristika der Selbstorganisationsphänomene, die strukturelle Affinitäten zwischen belebter und unbelebter Natur verdeutlichen, für ein neues Technologiemodell nutzen?

35 - Auf die Untersuchung chaotischer Dynamik wird später genauer eingegangen.

36 - Hier handelt es sich um ein Nichtgleichgewichtsphänomen induzierter Lichtemission, wobei sich oberhalb einer gewissen kritischen Pumpleistung im Laser ein spontaner Ordnungszustand der Lichtwellen einstellt: zu einem kohärenten, praktisch monochromatischen Wellenzug von fast unendlicher Länge mit definierter Frequenz und hochstabilisierter Amplitude; die gesamte Energie des Feldes ist praktisch in einer Schwingung, nämlich in der Resonanzfrequenz konzentriert. Die auf dieser Erklärung basierende Lasertheorie gab wesentlichen Anstoß zur Begründung der sog. "Synergetik" (vgl. Haken/Wunderlin in: Dress und andere 1986 S. 35 ff.).

37 - Für Haken besteht die aus der Lasertätigkeit abgeleitete verallgemeinerte Aussage über Beziehungen zwischen belebten und unbelebten Systemen darin, "daß die Hochtransformation mikroskopischer Energien in die makroskopische Energie weniger Freiheitsgrade eines der Grundprinzipien biologischer Vorgänge zu sein scheint" (Haken 1988 S. 70).

38 - Als eindrucksvolles Beispiel gilt die Untersuchung des anaeroben Zuckerabbaus (Glykolyse), wobei biochemische Oszillationen im wesentlichen in drei Klassen auftreten: In Form von periodischem, quasi-periodischem und chaotischem Verhalten. An bestimmten Bifurkationspunkten wechselt das System von einer Schwingungsart in die andere über, wobei sich besonders stabile (hyperstabile) dynamische Zustände und chaotische abwechseln können und beide fundamentale Bedeutung für das System haben. Die chaotische Funktion verleiht dem System ein hohes Maß an Flexibilität, welches bei Optimierungsprozessen der Zelle nützlich sein könnte. Die hyperstabile Funktion dagegen ermöglicht eine extrem "stoßsichere" Uhr.

39 Im Zusammenhang mit chemischen Oszillationen sind auch häufig Phänomene der Bildung räumlicher Strukturen in ursprünglich homogenen Medien verbunden (... konzentrische Wellen und Spiralwellen). Dies wird beispielsweise auch bei der Steuerung der embryonalen Entwicklung beobachtet (vgl. Nicolis/Prigogine S. 52 ff.).

40 - Auf diesen Zusammenhang wird im späteren Verlauf noch konkreter eingegangen.

41 - Als Beispiele in Physik und Biologie für die verschiedenen Komplexitätsgrade sei auf die Tabelle von Cramer (S. 283) verwiesen.