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Der Wirkungsgrad der lebenden Systeme "Tier" und "Mensch" und die AntiEntropie.
Die Evolution aus naturphilosophischer Sicht
von
Rudi Zimmerman
1. Der Wirkungsgrad null bei der Selbsterhaltung
Lebende Systeme sind offen und begrenzt. Diese offenen und begrenzten Systeme müssen um zu überleben in einem definierten Zeitintervall mindestens ebenso viel Energie aufnehmen, wie sie verbrauchen. Anderenfalls gehen sie in den leblosen Zustand über. Da lebende Systeme ständig Energie verbrauchen, hängt die Länge dieses Zeitintervalls ohne Energieaufnahme von der Fähigkeit der lebenden Systeme ab, Energie zu speichern. Ist die Energieaufnahme in diesem Zeitintervall gleich dem Verbrauch, spreche ich von einem Wirkungsgrad von 0 (null). Bei einem Wirkungsgraf von 0 oder darüber überlebt das lebende System, bei negativem Wirkungsgrad stirbt es.
Der Energieverbrauch des Individuums beginnt nach seiner Zeugung. Das System Mensch befindet sich nach seiner Zeugung im mütterlichen Uterus und wird über die Nabelschnur mit Energie versorgt, so dass das Problem der Energiegewinnung erst nach der sogenannten "Geburt", konkret nach Durchtrennung dieser Nabelschnur, beginnt. Das System Mensch besteht nach der Geburt fast nur aus lebender Materie (Ausnahme sind beispielsweise Haare und Fingernägel) und muss zur Energiegewinnung wie alle Tiere, zu denen es von den Biologen hinzugerechnet wird, gasförmigen Sauerstoff sowie flüssige und feste Nahrung aufnehmen. Die Ausscheidungen interessieren zunächst nicht.
Hauptbestandteil der Nahrung ist Wasser, da der lebende Körper zu ca. 70% bis 80% aus Wasser besteht, das u.a. für den Transport und die Ausscheidung wasserlöslicher Abfallprodukte des Stoffwechsels sowie zur Temperaturregulierung benötigt wird. Daneben werden Mineralien ("Spurenelemente"), "Vitamine", Fette und Eiweiße sowie – zur Energiegewinnung – Kohlehydrate benötigt. Für die Erörterung des Wirkungsgrads sind zunächst lediglich die letzteren Stoffe interessant, da sie den Wasserstoff, gebunden in der Glucose, enthalten, der vom lebenden System Tier, zu denen die Biologen den Menschen rechnen, zur Energiegewinnung benötigt wird.
Zur Sicherung der Selbsterhaltung eines lebenden Systems ist ein Wirkungsgrad von nur oder mehr erforderlich.
2. Der Energieverbrauch bei der Wasserstoffaufnahme durch Nahrung
Es geht in Bezug auf die Eörterung des Wirkungsgrads des lebenden Systems und speziell des lebenden Systems "Mensch" also um diese Aufnahme von Wasserstoff, da der Sauerstoff, der ebenfalls zur Energiegewinnung benötigt wird, gasförmig ist und zum gegenwärtigen Zeitpunkt auf dem System Erde jederzeit, überall und kostenlos verfügbar ist.
Das hier zu erörternde Problem besteht darin, dass das Lebende System Tier nicht nur für die Aufrechterhaltung seines Zustands "Leben" Energie benötigt, da es aus Zellen besteht, die ständig Energie verbrauchen, sondern dass die Aufnahme des Sauerstoffs und der Nahrung zusätzlich auch Energie verbraucht. Die Sauerstoffaufnahme benötigt Atmungsenergie (Muskelenergie der Atemmuskulatur) die Aufnahme der Nahrung benötigt Bewegungsenergie für das Beschaffen der Nahrung (früher Sammeln und Jagen, inzwischen Arbeiten und Einkaufen gehen), also Nahrungsbeschaffungsenergie, zeitlich danach Nahrungszubereitungsenergie, Kau- und Schluckenergie, Verdauungsenergie und Reinigungsenergie (durch die Tätigkeit der Leber). Nach der Sauerstoffaufnahme in der Lunge und der Resorption der Glucose im Darm befinden sich der Sauerstoff und die Glucose im Blut und wird innerhalb des lebenden Körpers verteilt, dies verbraucht Transportenergie.
Die Überführung des Sauerstoffs und der Glucose von der Außenwelt des Systems bis in die abermillionen Zellen, wo dann die Glucose weiterverarbeitet wird, verbraucht also
Atmungsenergie, Nahrungsbeschaffungsenergie, Nahrungsbeschaffungsenergie, Nahrungszubereitungsenergie, Kau- und Schluckenergie, Verdauungsenergie, Reinigungsenergie und Transportenergie innerhalb des lebenden Körpers. Alle diese Energieaufwendungen müssen also zu dem Energiebedarf hinzugerechnet werden, der für die intrazellurären Aktivitäten für die Aufrechterhaltung des Stoffwechsels der Zellen, die den Ruheverbrauch (sogenannter "Grundumsatz") benötigt werden. Diese Aufzählung kann mühelos durch weitere Einzelheiten vermehrt werden. Beispielsweise enthält der Nahrungsbeschaffungsenergiebedarf nicht nur die Energie, die für die Muskeltätigkeit erforderlich ist, sondern die Energie, die die Sinnesorgane für ihre Tätigkeit verbrauchen: die Nahrung muss zunächst durch die Augen, die Nase oder die Ohren geortet werden usw., bevor diese gezielt aufgesucht werden kann. Hierfür ist bisweilen auch Energie zur Koordination des Verhaltens mehrerer Menschen (z.b. bei der Jagd) erforderlich, was Energie für den Spracherwerb erforderlich macht, außerdem müssen die Bewegungen bei der Nahrungsbeschaffung koordiniert werden, wofür das Hirn erforderlich ist. Im gegenwärtigen Stand der Zivilisation sind zunächst lange und energieaufwändige Ausbildungsaktivitäten (Schule, Beruf) erforderlich usw. usw..
Nach der Geburt des Individuums hat das lebende System zunächst ein äußerst energieaufwändiges körperliches Wachstum vor sich, so dass in den ersten Lebensjahren insbesondere eine große Energiemenge hierfür verbraucht wird. Beim Menschen, aber auch bei Vögeln und anderen Tieren, übernehmen in dieser Zeit die Eltern die Nahrungsbeschaffung, so dass beim Erwachsenen zur Energiebeschaffung für den eigenen lebenden Körper noch die Nahrungsbeschaffungsenergie für den Nachwuchs hinzuzurechnen wäre.
3. Die Summe des Energiebedarfs
Der Kürze und Übersichtlichkeit halber fasse ich den Vorgang von der Nahrungsbeschaffung bis zum Tranport der Nährstoffe zu der Zelle zusammen und nenne dies Nahrungszuführung und sage für den kinderlosen "Erwachsenen":
Nahrungszuführungsenergie + Grundumsatzenergie = Energiebedarf
NzE + GuE = EB
Dies ist die Grundbedingung für "Leben".
Beim noch nicht erwachsenen lebenden System Tier wie dem menschlichen Kind gilt:
GuE + NzE + WE = EB
wobei WE Wachstumsenergie bedeutet.
Beim erwachsenen Tier mit Kindern gilt:
GuE + NzE + AE = EB
wobei AE Aufzuchtenergie bedeutet.
Das lebende System muss sich also in der Regel mehr Energie (EB) zuführen, als es für seine Selbsterhaltung benötigt. Da die Menge dieser zusätzlich erforderlichen Ernergie (Wachstumsenergie des Kindes und Aufzuchtenergie der Eltern) nicht genau absehbar ist, führt sich das lebende System mehr Energie zu und die temporär überschüssige Energie wird inrakorporal bzw. intracellulär in Form von Fett gespeichert. Dazu bietet sich Fett deshalb an, weil bei seiner Verbrennung doppelt so viele Kalorien (Energieeinheiten) frei werden, wie bei der Verbrennung der gleichen Masse von Kohlehydraten oder Eiweißen.
So weit zum Energiebedarf oder Energieverbrauch und zur Energiebeschaffung. Nun folgen Überlegungen zu den Verfahren, die unterschiedliche Tierarten anwenden, um ihre so beschriebene Energiebilanz aufrecht zu erhalten und damit zum Wirkungsgrad ihrer Lebenstätigkeit.
4. Der Wirkungsgrad in der Evolution von Tieren
Nach der Entwicklung von Einzellern hat die Evolution eine Reihe von Tierarten hervorgebracht, was von Darwin und seinen Nachfolgern ausführlich beschrieben wurde.
Ich stelle nun einmal zusätzlich eine Beziehung her zwischen der Masse der evolvierten Tiere zu ihrer Energiebilanz, die mindestens ausgeglichen sein muss. Diese Tiermasse ist der Aufwand, den die Natur betreibt, um ein lebendes System zu erzeugen undam Leben zu erhalten.
Diesen Aufwand nenne ich den Wirkungsgrad der Tiermasse, der Masse an lebendem Tier.
Energiebilanz/Tiermasse = Wirkungsgrad oder mathematisch:
WG = EB/TM
Mit zunehmender Tiermasse sinkt also der Wirkungsgrad, mit abnehmender Tiermasse (weniger Tiergewicht) steigt dieser. Da es sich im wesentlichen um Vielzeller handelt (die Vielkerner lasse ich hier beiseite, da der Mensch zu den Vielzellern gehört), haben diese in der Regel ein höheres Gewicht als der Einzeller.
Daraus folgt, das kleinmassige Tiere, wie Insekten, einen recht hohen Wirkungsgrad besitzen, der fast an den der Einzeller, also an 100, heranreicht. Je größer Tiere werden, desto mehr sinkt der Wirkungsgrad des Individuums bezogen auf die zu seinem Überleben notwendige Energie.
5. Die Produktion von Masse für andere Tierarten (Tierfresser)
Nun habe ich hierbei die Bedeutung einer wichtige Funktion des Systems Individuum übergangen, die ich nun einführe. Jedes Individuum übernimmt für die Tierart, der es angehört, die Funktion, Nachwuchs zu produzieren, um das Überleben der Art zu sichern. Zur Erhaltung der Art muss jedes Individuum statistisch ein Kind zeugen und bis zur Geschlechtsreife großziehen. Ich beschränke meine Untersuchung also auf Tiere, die sich zweigeschlechtlich vermehren, weil der Mensch zu diesen gehört.
Die dafür erforderliche Energiemenge bezeichne ich als (Aufzuchtenergie = Energie, die zur Selbsterhaltung der eigenen Art benötigt wird) ESA.
Die Energiebilanz zur Erhaltung des Individuums plus Aufwand zur Erhaltung seiner Art muss also statistisch dem Wert 1 (s.o.) + 1k betragen.Beim erwachsenen Tier mit Kindern galt:
Nahrungszuführungsenergie + Grundumsatzenergie + Aufzuchtenergie = Energiebedarf
NzE + GuE + ESA = EB
oder nunmehr sinnvoller:
EBI = ESI + ESA
Mit EBI = Energiebedarf des Individuums
ESI = Energiebedarf für die Selbsterhaltung des Individuums
ESA = Energiebedarf für die Selbsterhaltung der eigenen Art
Da dieser Energieaufwand zur Erhaltung der Art ESA die Energiemenge ist, die zur Zeugung und Aufzucht eines Kindes erforderlich ist, kann für ESA auch 1K eingesetzt werden. Dann wäre
EBI = ESI + 1K
(1K hat natürlich für jede Tierart einen anderen Betrag, da der Aufwand zur Partnersuche, Zeugung und Aufzucht je nach Tierart unterschiedlich ist, z.B. von der Größe des Tiers abhängt und auch davon, über welchen Zeitraum die Eltern für die Aufzucht des Kindes verantwortlich sind.)
6. Die Nahrungskette und die anti-Entropiearbeit
Ich führe nun den allgemein gängigen und bekannten Begriff der Nahrungskette ein und berücksichtige die Überlegungen Schrödingers zum Leben (Schrödinger, Erwin: Was ist Leben?, 19441). Schrödinger beschreibt anhand der Leistung des Einzellers das Kennzeichen des Lebens. Diese bestehe in einer negativen Entropie.
Die physikalischen Gesetze beruhen auf der Tendenz der Materie zur Entropie (Unordnung herstellen = Entropiezunahme, Schrödinger, S.122).
Der lebende Organismus hingegen entziehe sich durch Essen, Trinken und Atmen, durch Metabolismus, dem Zerfall. (Schrödinger, S.124). Ein lebender Organismus produziere daher negative Entropie (Schrödinger, S.125), er entziehe seiner Umwelt fortwährend Entropie und produziere Ordnung. "Das, wovon sich ein Organismus sich ernährt, ist Entropie." (Schrödinger, S.126). Ein Organismus sauge ständig Ordnung aus seiner Umwelt auf Schrödinger, S.129)
Die Nahrungskette besteht nun darin, dass jedes Tier tatsächlich einen gewaltigen Energieüberschuss produziert und diesen für die Produktion von Nachwuchs verwendet.
EBI = ESI + ESA
Mit EBI = Energiebedarf des Individuums
ESI = Energiebedarf für die Selbsterhaltung des Individuums
ESA = Energiebedarf für die Selbsterhaltung der eigenen Art
Die Energieaufnahme überschreitet also tatsächlich bei weitem den für die Selbsterhaltung des Individuums (ESI) und seiner Art (ESA) erforderlichen Energieaufwand.
Die Natur setzt dafür eine Belohnung ein, nämlich sie erzeugt im Individuum ein Lustgefühl, wenn es sich mit einem Geschlechtspartner vereinigt. Beim Menschen wird dieses Lustgefühl Orgasmus genannt. Dieses Lustgefühl, das bei der Partnersuche und der Balz einsetzt und bei der Paarung seinen Höhepunkt hat, wird durch Ausschüttung von sogenannten Hormonen erzeugt. Dies so gesteuerte Überproduktion von Nachwuchs ist desto stärker ausgeprägt, je kleiner und schwächer die Individuen der Art sind. Je kleiner ein Individuum ist, desto mehr Nachwuchs erzeugt es. Dieser Nachwuchs besteht aus lebender Materie.
"Materie hat das Bestreben nach dem chaotischen Zustand der Unordnung." (Schrödinger 1944, S.128), womit Schrödinger die Entropie nichtlebender Materie beschreibt, während lebende Materie "ständig Ordnung aus seiner Umwelt" aufsauge, wie Schrödinger sich ausdrückt (Schrödinger 1944, S.129). Schrödinger beschreibt die Erbsubstanz im übrigen als aperiodisches Riesenmolekül (genauer: als aperiodischen Kristall) im Vergleich mit periodischen Kristallen. Eiweiße wären demnach ebenfalls derartige Gebilde, die aus Aminosäuren zusammengesetzt sind. Lebende Systeme der Ordnungshöhe "Individuum" fangen nun bei ihrem Kampf ums Überleben (Darwin3) nicht bei Null an, sie beginnen die Produktion derartiger Riesenmoleküle nicht bei den Atomen, sondern greifen auf die Produkte anderer lebender Systeme zurück, die sie als "Nahrung" verwenden. Die Überproduktion von Nachwuchs kleinerer und schwächerer Tierarten stellt somit die Produktion von Futter für ihre sogenannten Fressfeinde dar. Gäbe es auf dem System Erde also nur eine Futterart und eine Fressart (oder würde man der Einfachheit halber eine derartige Zusammenfassung vornehmen), könnte man folgende Gleichungen aufstellen:
EBI = ESI + 1K + EBFF (1K = ESA s.o.)
Das bedeutet: der Energiebedarf eines Individuums umfasst die Summe des Energiebedarfs zur Selbsterhaltung des Individuums plus des Energiebedarfs zur Aufzucht eines Kindes (=Erhaltung der Art) plus des Energiebedarfs eines Fressfeindes. Da der Fresseint in der Regel über mehr Masse verfügt, muss die Masse des als Futter für andere Arten produzierten Nachwuchses genauso groß sein, was die Produktion einer höherer Anzahl von Kindern bedeutet). Statt von Energiebedarf des Fressfeindes zu sprechen, könnte man nun unter Verwendung der Idee Schrödingers auch zusätzlich den Bedarf an negativer Entropie berücksichtigen und zur Produktion eines Kindes hinzufügen. Diese negative Entropie bzeichne ich als Anti-Entropie, um zu verdeutlichen, dass das lebende System aktiv der Entropie entgenarbeitet, also Energie aufwendet, um bestimmte Substanzen herzustellen, also um Atome in eine bestimmte Ordnung zu bringen. Diese Anordnungen von Atomen nennen die Chemiker beispielsweise "Aminosäuren", "Nucleinsäuren" oder "Fettsäuren". Der Einzeller produziert also aus der seiner Umwelt entnommenen relativ ungeordneten Materie (Materie mit hoher Entropie) Materie mit weniger hoher Entropie, also mehr Ordnung (Antientropie). Im Rahmen der Nahrungskette wird diese Anti-Entropie ständig vergrößert und vermehrt, da aus den geordneten, noch relativ kurzkettigen Molekülen mit wiederkehrender Struktur längerkettige Moleküle und mehr dieser Moleküle gebildet werden. Der Mensch (und andere Tiere) spaltet so im Rahmen seiner Verdauungstätigkeit beispielweise Eiweiße nur bis zur Größenordnung von Aminosäuren auf, die bereits einen bestimmten Betrag von Antientropie enthalten, und setzt diese zu seinen arteigenen Eiweißen zusammen. Damit haben seine Nahrungspflanzen und -tiere (die Pflanzen und Tiere, die er als Nahrung benutzt) bereits einen erheblichen Aufwand an Antientropiearbeit für ihn geleistet. Wir sehen nun auch, wofür Tiere die von ihnen aufgenommene Energie nutzen. Sie nutzen sie zur Herstellung von Antientropie, oder betrachtet als Tätigkeit: sie erbringen Antientropiearbeit. Ihr Energiebedarf (EB) wird für Antientropiearbeit genutzt. Die Selbsterhaltungstätigkeit des Individuums kann also auch als Antientropiearbeit beschrieben werden. Indem die Nahrungkette darin besteht, dass größere Tiere kleinere als Nahrung verwenden, also der Wirkungsgrad der individuellen Tiermasse sich in der Evolution verringert (da die Tiermasse größer wird, s.o.), erhöht sich gleichzeitig parallel dazu jedoch der Grad von Ordnung, den die Tiere durch die Selbserhaltung ihres lebenden Körpers ständig neu durch ihren Stoffwechsel aufrecht erhalten.
EBI = ESI + 1K + EBFF + aEnBFF
(Energiebedarf des Individuums gleich Energiebedarf für seine Selbsterhaltung plus für die Erhaltung der Art (ein Kind) plus Energiebedarf zur Erhaltung des Fressfeindes plus anti-Entropiebedarf des Fressfeindes) mit aEnBFF für den anti-Entropiebedarf des Fressfeindes, also dessen bedarf an Aminosäuren usw.. Hier wird stillschweigend davon ausgegangen, dass das Beutetier seine anti-Entropie selbst herstellt, was nur bedinft der Fall ist, weil es ja auf die anti-EntropieArbeit der lebenden Systeme zurückgreift, die es selbst gefressen hat.
Bei der Vergrößerung der anti-Entropie arbeiten also alle Arten lebender Systeme zusammen.
Da sich im Verlauf der Nahrungskette die Tiermasse immer weiter vergrößert und vor allem komplexer wird, erhöht sich damit der Ordnungsgrad der Atomanordnungen, und zwar durch einen minimalen Energieeinsatz. Da auch hier der Satz von der Erhaltung der Energie/Materie im Universum gilt, kann man formulieren, dass
durch die Aktivität der lebenden Materie bis zur Entwicklung des Systems Mensch zwar der Wirkungsgrad der lebenden Materie der Ordnungshöhe Individuum sinkt, dafür jedoch der Ordnungsgrad von Atomen (Materie) steigt, also die Antientropie steigt.
Es nimmt also bis zur Entwicklung des Menschen nicht nur die Entropie durch das thermodynamische Verhalten nichtlebender Materie zu, sondern auch die Antientropie nimmt zu durch das Verhalten der lebenden Materie.
Der erste Teil dieses Satzes muss allerdings relativiert werden, da die Natur einen großen Energieaufwand bereits dabei betreibt, aus relativ chaotisch angeordneter Materie geordnete nichtlebende Materie herzustellen. Auf der Erde hat ja der enorme Einsatz der Sonnenenergie über Jahrmillionen zusammen mit der Rotationsenergie der Erde (Windenergie), der Wärmeenergie der Erde (Vulkane) und der elektrischen Energie der Erde (Blitze) zur Bildung der Vorstufen lebender Materie geführt und schließlich auch die Bildung erster lebender Materie auf der Erde bewirkt. Kurz: die langzeitige Einwirkung verschieneder Energien auf relativ ungeordnete Materie hat bereits vor der Entstehung lebender Materie zur Bildung von geordneterer Materie geführt, also anti-Entropie erzeugt. Diese Erzeugung von anti-Entropie setzen die lebenden Systeme fort. Dabei sinkt zwar ihr energetisch dargestellter Wirkungsgrad, aber es wird immer mehr anti-Entropie erzeugt
7. Die Herkunft der Energie und der anti-Entropie
Tatsächlich liegen die Verhältnisse so, dass die anti-Entropie (die Ordnung der Aminosäuren und Nucleinsäuren) bereits vom Einzeller hergestellt wurde und von diesem in der Nahrungskette immer weiter gegeben wird.
Betrachten wir die Herkunft der Energie, so ist deren Herkunft die Sonnenenergie, in die in Form von Photonen von der Sonne zur Erde gelangt, von denn Pflanzen mit des Chlorophylls in der Glucose bzw. größeren eindimensionalen "Kristallen", der Stärke und anderen Kohlenwasserstoffen, gespeichert wird und dann von Tieren als Nahrung verwendet wird. Die Pflanzen, also die sesshaften lebenden Systeme, und die Einzeller leisten also die wesentliche Basisarbeit bei der Vergrößerung der anti-Entropie.
Für das System Erde lässt sich also sagen, dass die Energie zur Herstellung von anti-Entropie im wesentlichen aus dem Zusammenspiel von Sonnenenergie (Photonenbeschuss der Erde) und Erdenergie ("Gravitation" und"Trägheit") entspringt. Vermittelt wird diese Energie dem System Mensch und anderen Tiersystemen über die Pflanzen, die die Sonnenenergie in der Glucose speichern und dabei Sauerstoff aus dem Wasser herauslösen und den Einzellern, die aus anorganischer Materie organische Materie herstellen, die bereits anti-entropisch "geladen" ist. Diese anti-entropische Ladung ist beispielsweise in den Aminosäuren, Nucleinsäuren und Festtsäuren enthalten und wird von der lebenden Materie "Tier" gegessen bzw. "aufgesogen" (Schrödinger).
8. Andere Modellierungen der anti-Entropie
Nebenbei sei noch bemerkt, dass die Beobachtung, die hier als Bildung von anti-Entropie bezeichnet wird, auch anders modelliert wird. Die Beschreibung als anti-Entropie knüpft an die Thermodynamik an. Den geichen Sachverhalt kann man jedoch auch als Strukturbildung bezeichnen, deren Komplexität im Lauf der Zeit zunimmt, oder aber auch als inhaltlicher Information. Eine chaotische Ansammlung von Materie enthält danach die Informationsgrad 0 (null), erst wiederkehrende Strukturen enthalten Information, da sie sich vom unstrukturierten Chaos unterscheiden und damit neue Ereignisse auslösen. Information ist stets Information über einen Unterschied, eine Differenz. Gregory Bateson2 formuliert präzise: Information ist "irgendein Unterschied, der bei einem späteren Ereignis einen Unterschied ausmacht, …". (Bateson 1985, S.488). Bateson beschreibt in diesem Aufsatz Leben als Zustand ständigen Energieverbrauchs. So lange dieser Energieverbrauch ständig mindestens ausgeglichen werden könne, halte dieser Zustand an. Überwiege der Energieverbrauch, trete der Tod ein. "Kräfte" seien hier, bei lebenden Systemen, nur Mittel zum Zweck, nicht Ursache von Bewegung. Ursache sei eine Differenz, definiert als Information.
Während Begriffe wie "anti-Entropie" oder "Struktur" deskriptiv (beschreibend) und damit "naturwissenschaftlich" bleiben, verweist der Begriff "Information" bei gleichem Sachverhalt auf eine völlig andere Beschreibungsmöglichkeit. Inhaltlich verstandene "Information" (nicht als Mengenbegriff wie in der Informationstheorie verstanden) ist nämlich etwas Geistiges. Geistiges, wie ein Gedanke, ein Begriff, eine Idee, Hypothese, aber auch eine Wahrnehmung, wie ein Bild, ein Ton, eine Gefühlsqualität (Geruch, Geschmack, Berührung) usw. als empirische Realität (Kant) und somit Erkenntnisgrundlage, ist im Gegensatz zur Materie ausdehnungslos. Geistiges nimmt keinen Raum in Anspruch. Allerdings ist die Speicherung und der Transport des Geistigen an Materie gebunden. So ist ein Plan etwas Geistiges; der Plan zur Konstruktion von Eiweißen aus Aminosäuren (das Geistige) wird in Form einer Sequenz von Nucleinsäuren als sogenannter "genetischer Code" im Zellkern lebender Systeme der Ordnungshöhe "Zelle" gespeichert. Das Chromosom lässt sich also auch als eine Art Buch verstehen, in dem die Anweisungen zur Herstellung von anti-Entropie gespeichert ist. Bildung von Struktur, Regelmäßigkeit, auch die Bildung unregelmäßiger Strukturen ist somit Ergebnis eines Plans, eines geistigen Inhalts. Genau genommen beginnt diese Speicherung von Geistigem bereits bei der Bildung nichtlebender materieller Strukturen. So enthält in dieser Sicht der Sachlage ein Wasserstoffatom bereits die Information darüber, aus welchen Bestandteilen das Gebilde besteht, das der Chemiker als Wasserstoffatom bezeichnet. Der Wissenschaftler hat dann also dem materiellen Gebilde "Wasserstoffatom" und seinen Bestandteilen lediglich Namen gegeben, ihnen Begriffe zugeordnet, um mit Hilfe von Experimenten seinen Mitmenschen Zusammenhänge erklären zu können (Hypothesen zu "verifizieren"). Die Information als solche war aber bereits seit Jahrbillionen vorhanden, bevor sie der Wissenschaftler entziffert hat.
9. Die Verbesserung des Wirkungsgrads durch menschliche Aktivität
das "System Mensch"
Zur Verfolgung der Phylogenese lebender System bzw. deren "Evolution" (Darwin 18593) möchte ich noch einmal auf den Wirkungsgrad des Verhaltens lebender Materie zurückkommen. Oben hatte ich gezeigt, dass der Wirkungsgrad lebender Materie durch die Massenzunahme sinkt. Diese Beziehung betrifft natürlich nur den lebenden Teil von Materie, weil nur dieser Energie zur Aufrechterhaltung seiner Struktur, seiner Homöostase, seiner anti-Entropie, benötigt.
Wie gezeigt, hat lebende Materie die Fähigkeit, einen enormen Energieüberschuss zu produzieren, der zur Bildung eines Nachkommens zur Erhaltung seiner Art dient und der zusätzlich zur Herstellung und Weitergabe von anti-Entropie an andere Arten (die "Fressarten") zu deren Verwendung als "Nahrung" verwendung findet. Der Mensch hat nun durch Verwendung seiner geistigen Fähigkeiten und seiner Hände irgendwann begonnen, "zusätzliche Organe" (Hans Hass, 19944) , die außerhalb seines lebenden Körpers liegen und keine Eigenenergie benötigen, zu produzieren. Dienen diese der Verbesserung von Bewegung, nennt die PhilS diese Organe "körperexterne Effektoren". Durch deren Verwendung erhöht er den Wirkungsgrad seiner Aktionen ohne sich zusätzliche Energie zuführen zu müssen. Die Nahrungsbeschaffungsenergie und die Energie zur Aufrechterhaltung des Grundumsatzes für derartige Organe entfällt nämlich, da sie mit Fremdenergie, mit Kohle, Benzin, Gas oder Strom betrieben werden. Während bis dahin die Zunahme der anti-Entropie, die Zunahme der strukturierten oder organisierten Materie, die Zunahme von Information, mit der Zunahme des lebendes Körperanteils und dadurch mit der Abnahme des Wirkungsgrades verknüpft war, wird mit dieser Tätigkeit des Menschen die anti-Entropie erhöht ohne eine gleichzeitige Abnahme des Wirkungsgrads. Parallel dazu hat der Mensch es vermocht, seinen lebenden Körper der Verwendung als Futter für Fressarten zu entziehen. Durch sein Gruppenbildung und die Verbesserung der Sprache zur Verbesserung der Koordination bei der Gruppenjagd, sowie durch die Erfindung von körperexternen Organen, wie Speer und später Schusswaffen, hat er sich seiner Fressfeinde entledigt und muss nicht mehr anti-Entropie erzeugen, um damit größere Tierarten mittels seines lebenden Körpers zu ernähren.
Der Zeitpunkt, an dem die Wende auftritt, an dem bei gleich bleibendem Wirkungsgrad die anti-Entropie weiter zunimmt, ist der Beginn der extrazellulären Speicherung von Gedanken, Ideen, Begriffen und Plänen, der Beginn der Zivilisation. Die Evolution geht an diesem Zeitpunkt der Entwicklung von der Evolution in die Zivilisation über. Der Mensch verändert nunmehr durch die Herstellung körperexterner Organe, vor allem durch seine Industrieproduktion, nichtlebende Materie in der Weise, dass er ihren Komplexitätsgrad erhöht, sie sozusagen mit Antientropie aufläd. Und dieser Prozess der Vermehrung von Antientropie findet mit Sicherheit nicht nur in unserem Sonnensystem statt, sondern könnte sich in jedem Sonnensystem - möglicherweise auch auf andere Art - abspielen.
10. Die biochemische Betrachtungsebene
Pflanzen wandeln Kolendioxid (6 Moleküle CO2) aus der Erdatmosphäre und aus der Erde entnommenes Wasser (6 Moleküle H2O) mit Hilfe des Chlorophylls, das sich dabei nicht verändert, und der Sonnenenergie um in Sauerstoff (6 Moleküle O2) und Glucose (ein Molekül C6H12O6). Es entstehen also aus summenmäßig 12 Molekülen "mittlerer Größe" 6 Moleküle "kleinerer Größe" (O2) und 1 Molekül "größerer Größe" Glucose (siehe den “Kreislauf des Wassers”). Die "Größe" der Moleküle ist ein Maß für deren Komplexität, für deren Gehalt an Antientropie. Ich habe zwar noch keine Maß für diesen Gehalt an Antientropie eingeführt, so dass ich die Antientropiesumme vor und nach dieser Reaktion nicht vergleichen kann, aber ich kann dennoch bereits sagen, dass ein Riesenmolekül (Glucose) im Vergleich zu den 12 vorher vorhandenen Molekülen (Wasser und Kohlendioxid) entstanden ist, dessen Unwahrscheinlichkeitsgrad (Antientropie) bedeutend höher ist als der Antientropiegehalt jedes Ausgangsmoleküls. Es sind also aus 12 Molekülen geringeren oder kleinem Antientropiegehalts zumindest 1 Molekül größeren, relativ zu den Ausgangsmolekülen viel größerem Entropiegehalt entstanden (Glucose), sowie ein "Abfall" von 6 Molekülen mit geringerem Entropiegehalt (Sauerstoffmoleküle). Insgesamt, in der Summe, mag der 2. Hauptsatz der Thermodymanik gar nicht verletzt worden sein, aber es ist hier im Kleinen eine Spaltung des Universums aufgetreten. Das Universum ist durch die Tätigkeit eines Lebenden Systems vom Typ Pflanze gespalten worden in einen Teil mit höherer Entropie als vorher und einem Teil des Universums mit höherer Antientropie, nämlich dem Glucosemolekül.
Nun wird jedoch der "Abfall" (Sauerstoff) zusammen mit dem höher antientropischen Molekül Glucose, das von den nunmehr agierenden Lebenden Systemen von Typ "Tier" als Energieträger benutzt wird, wieder in Kohlendioxid und Wasserstoff zurückverwandelt, was nach folgender Summenformel geschieht:
C6H12O6 + 3O2 --> 6CO2 + 12H+ + 12e-
Betrachten wir diesen Vorgang etwas genauer, so wird zunächst die Glucose zu Kohlendioxid oxidiert, wobei Protonen und Elektronen freigesetzt werden:
Bei der anschließenden Wasserbildung werden pro Wassermolekül 68,3 kcal frei nach der Formel
3O2 + 6H2 --> 6H2O + 409,8 kcal
Diese Energie wird im ATP (Adenisintriphosphat, das aus Adenosindiphosphat hergestellt wird) gespeichert und nun für die Zelltätigkeit verwendet, wobei Körper entstehen, die einen noch höheren Komplexitätsgrad aufweisen, also mit noch mehr Antientropie aufgeladen sind, nämlich "Baustoffe" wie Fette und Eiweiße, mit deren Hilfe sehr große vielzellige Lebende Systeme aufgebaut werden.
Diese Weiterverwendung findet im übrigen auch bereits in den pflanzlichenlebenden Systemen statt, die ihre Glucose zu vielkettigen Kohlenwasserstoffen (Stärke) vergrößern und andere Produkte herstellen, wie Aminosäuren und Fettsäuren, die ihrerseits auch schon einen höheren Antientropiegehalt als die Glucose haben.
Die Pflanze produziert also bereits Großmoleküle mit höherer Antientropieladung (Glucose), von vom Tier weiterverwendet werden. Daneben findet eine Energiespeicherung in der Pflanze statt: die Pflanzenzelle speichert Sonnenenergie im Glucosemolekül, und diese Energie wird von der Tierzelle weiterverwendet zur Bildung von Großmolekülen noch höheren Gehalts an Antientropie. Die Regel setzt sich offensichtlich fort, nach der zwar die Gesamtenergie im Universum erhalten bleibt (1. Hauptsatz der Thermodynamik) und auch die Entropie (der Grad an Unordnung) in der Summe zunehmen könnte (2. Hauptsatz der Thermodynamik), aber dennoch bilden sich innerhalb des Universums Herde zunehmender Antientropie, die sich möglicherweise in der Summe verkleinern, deren Antientropie jedoch zunimmt. Die Teilung des Universums in größer werdenden Entropiezonen und kleiner werdende aber größenordnungsmäßig wachsende Antientropieherde setzt sich fort.
11. Die globale Betrachtungsebene auf dem System Erde
Der Mensch, der aus biologischer Sicht, nämlich unter Berücksichtigung der Energiegewinnung, zu den Tieren zählt, hat nunmehr nach Ansicht der PhilS einen weiteren Schritt unternommen. Er hat ein neues Speichermedium für Energie erfunden, das Geld, das inzwischen zum virtuellen Geld geworden ist. Unter Verwendung dieses Energiespeichers bildet er soziale und kommunikative Strukturen, die sich netzartig über den gesamten Globus verteilen (daher der Begriff "global"). In kollektiver Arbeit konstruiert und vermehrt der Mensch weitere materielle Gebilde, die einerseits seine Fähigkeiten immer weiter verbessern, andererseits auch die Komplexität von Materie weiter erhöhen: die Riesenmoleküle innerhalb der individuellen Körper erweitert er um zusätzliche kollektiv errichtete Riesenmoleküle außerhalb der menschlichen Körper, die sogenannten “körperexternen Effektoren”. Diese Bauwerke und Maschinen, individuelle Werkzeuge und Hilfsmittel zur Verbesserung der Körperfunktionen (z.B. Autos und Computer) und kollektiv genutzte immer größere Wolkenkratzer, Weltraumraketen und atomar betriebene Maschinen, auch die Nuclearbomben, erhöhen weiter die Antientropie und steigern weiter die Effektivität des Handelns von Menschen und Menschengruppen. Während dieses Prozesses ist auch hier global zu beobachten, dass eine Konzentration des neuen Energiespeichers in den Händen immer weniger Menschen sich vollzieht. Es entwickelt sich auch hier eine globale Zweiteilung von immer weniger Menschen, die einen immer höheren Komplexitätsgrad erreichen und immer größere Geldmengen akkumulieren, während die Menge der Armen mit weniger körperexternen Zusatzorganen, also geringerer Komplexität und damit geringerem Antientropiegehalts, zunimmt.
Auch hier gilt ein offenbar universelles Gesetz der Zweiteilung, das besagt, dass trotz universeller Entropiezunahme Antientropie herdförmig konzentrierend wahrscheinlich vernetzt organisiert zunimmt. Antientropie wächst in mengenmäßig immer kleiner werdender aber konzentrierterer Form, während außerhalb dieser Herde und in der Summe Entropie zunimmt. Am Ende dieser Entwicklung stände ein einziger superkomplexer materieller Körper mit maximaler Verfügung über Energie - also maximaler Antientropie - dem Restkörper des Universums, bestehend aus unendlich vielen Minikörpern mit gleichmäßig verteilter Energie - also maximaler Entropie -, gegenüber.
12. Das Wachstum und die Evolution
Dem aufmerksamen Leser wird nicht entgangen sein, dass ich mich bisher auf die Betrachtung des Wirkungsgrads bei der individuellen Selbsterhaltung (Kap. 1.) beschränkt habe, der hier null beträgt. Betrachten wir das vielzellige Individuum jedoch realistisch, so besteht es nach seiner Zeugung zunächst aus einer Zelle, die sich bei Mehrzellern, also auch beim Menschen, nun zu teilen beginnt und wächst, bis das Individuum “erwachsen” ist. Biologisch betrachtet ist es danach geschlechtsreif und produziert Nachkommen. Die Beschränkung der bisherigen Erörterung auf die Selbsterhaltung ist also eine Idealisierung, realitätsgerechter habe ich daher bereits vom Energiebedarf des Individuums gesprochen (=EBI), der sich aus dem Energiebedarf für seine Selbsterhaltung und der Selbsterhaltung seiner Art zusammensetze (EBI =ESI + ESA). Nunmehr führe ich die vollständige Realität ein. Zu dieser für die Selbsterhaltung erforderlichen Energie rechne ich nun den Energiebedarf hinzu, der zum Wachstum erforderlich ist. Dieser ist enorm. Zunächst handelt es sich um den für das individuelle Wachstum erforderlichen Aufwand, insbesondere die dafür erforderlichen Zellteilungen, im Anschluss daran folgt zeitlich der Energieaufwand für die Partnersuche, die Balz, die Paarung und die Aufzucht des Nachwuchses, der statistisch über ein Kinderindividuum pro Erwachsenenindividuum hinausgeht. Genau genommen handelt es sich also um das individuelle Wachstum und das Wachstum der Art, der es angehört. Produziert ein Elternpaar nämlich mehr als 2 Kinder, dann wächst seine Art. Wer meine Veröffentlichungen, meine Philosophie, kennt, dem ist bereits bekannt, dass ich für dieses Wachstum, diese Vergrößerungstendenz, bereits vor 10 Jahren (Philosophie lebender Systeme. Berlin. 2000) den Begriff der Selbstentfaltung eingeführt habe.
Zur individuellen Selbstentfaltung von der Befruchtung der Eizelle bis zum erwachsenen Individuum brauche ich nichts zu sagen, da ich dieses Wachstumsphänomen bei jedem Leser als bekannt voraussetze. Die danach in der Regel jedoch aufgewendete Energie zur Selbstentfaltung der Art muss kurz erörtert werden. Zu diesem Energieaufwand rechne ich den Energbedarf für die Partnersuche und die Balz, worunter alle Aktivitäten fallen, die diesen Vorgängen dienen, was im Tierrech beispielsweise auch die Bildung bestimmter Organe, wie den Federschweif des Pfaus betrifft, dessen Bildung nicht nur energieaufwändig ist, sondern der bei jeder Fortbewegung mittransportiert werden muss, auch wenn er gar nicht beötigt wird. Auch die Rivalenkämpfe, die sich im Tierreich, also auch beim Menschen, abspielen, sind ein Teil dieses Aufwands sowie der Aufwand für die Aufzucht der Jungen. Letzteres ist einerseits ein Aufwand zur Selbsterhaltung der Art - wie bereits ausgeführt -, zusätzlich jedoch auch für die Selbstentfaltung der Art, also deren Vergrößerung. Selbst ohne den Kalorienverbrauch für die individuelle Selbsterhaltung und diesen erwähnten Energieaufwand für Partnersuche, Paarung und Kinderaufzucht auszurechnen, ist völlig klar, das der letztere Aufwand für die Art den Aufwand für die reine Selbsterhaltung des Individuums bei weitem übersteigt. Betrachtet man nun den Umstand, dass die Überproduktion (= mehr als ein Nachkomme pro Individuum) von Nachkommen im Tierreich tatsächlich nicht zum Mengenwachstum, also zur Vergrößerung der Art, führt, sondern dass diese Überproduktion anderen Arten als Futter dient, so ist dieser Aufwand nicht “vergebens”, sondern es handelt sich zunächst um einen Aufwand zur Erhaltung des ökologischen Gleichgewichts auf dem System Erde. Dies auch beim Menschen, der nach seinem Tod in der Regel vergraben wird und so anderen Lebewesen ebenfalls als Nahrung zur Verfügung gestellt wird. Innerhalb dieses ökologischen “Gleichgewichts” unter energetischem Gesichtspunkt kommt es jedoch unter Wahrscheinlichkeitsüberlegungen (atomare Verteilung der Materie) zu der beschriebenen Vergrößerung der Antientropie.
Da der Mensch keinen Fressfeind mehr fürchten muss und sich dennoch in der Summe, als Menschheit betrachtet, übervermehrt, fällt er aus diesem ökologischen Gleichgewicht heraus. Dies betrifft nun jedoch nicht nur die Überproduktion von Nachkommen, die nicht von anderen Arten verwertet werden und somit zum tatsächlichen Wachstum der Art führen, sondern es betrifft zusätzlich das Wachstum der Individuen. Die Individuen Mensch wachsen nämlich nach Abschluss des Größenwachstums ihres lebenden Körperanteils weiter, indem sie die oben erwähnten körperexternen Organe bilden (konstruieren, bauen und handeln).
Hier möchte ich jedoch einen anderen Gesichtspunkt in den Vordergrund stellen, nämlich Entwicklung der Arten, die “Evolution”. Aufgrund der Tendenz zur individuellen Selbsterhaltung versucht jedes Individuum, dem frühzeitigen Tod durch Verhungern oder Gefressenwerden zu entgehen. Daher kommt es zu Selektion. Die Tiere, die das Verhungern und das Gefressenwerden am besten vermeiden, überleben länger und haben eine höhere Reproduktionsrate. Die hierfür erforderlichen Fähigkeiten werden also selektiert. Die Veränderung der Arten, deren Evolution, ist also das Resultat des Zusammenwirkens zweier Kräfte: einerseits stellt die Wachstumstendenz der Art, also die Überproduktion von Nachkommen ohne Begrenzung auf das zu ihrer Selbsterhaltung erforderliche Maß eine Kraft dar, die auf ständige Vergrößerung (Entfaltung) gerichtet ist. Diese Kraft trifft jedoch einerseits auf die Gegenkraft von Fressarten, die ja ebenfalls ihrerseits auf ständiges Wachstum (genetisch) programmiert sind und auf die Konkurrenz anderer Arten mit gleichem Nahrungsbedarf, andererseits auch auf die Kräfte der unbelebten Natur, die mit Änderungen der Wasserversorgung, der Versorgung mit Photonen (Sonnenenergie, Wärme) usw. verbunden sind, also auch wachstumshemmend sich auswirken können. Diese Außenbedingungen aus Sicht der Art, die ihrem Wachstum entgegengerichtet sind, machen es im Grenzfall erforderlich, dass die Wachstumstendenz (Überproduktion von Nachkommen) statistisch zur Veränderung der Fähigkeiten einer Art führt. Darwin bezeichnet dieses Phänomen als Evolution aufgrund von Selektion. Physikalisch, nämlich als Kräftespiel betrachtet, handelt es sich jedoch darum, dass die Wachstumskraft der Arten naturgesetzlich zur Veränderung der Arten führen muss, wenn sie überleben “wollen”, oder physikalisch formuliert:
die Veränderung der Eigenschaften einer Art ist bisweilen Voraussetzung dafür, dass diese überlebt.
Oder: Die Kraft des Wachstums, die Selbstentfaltung, nämlich die ständige Zeugung von Nachkommen, ist eine notwendige Bedingung für Evolution. Eine weitere Bedingung für Evolution ist die räumliche und damit die energetische Begrenztheit der Erde, deren Folge naturgesetzlich die Konkurrenz um das begrenzte Nahrungsangebot und damit zur Selektion führt.
Letztlich führt also die räumliche Begrenztheit des Systems Erde zur ständigen Erhöhung der Antientropie durch lebende Materie. Lebende Materie bildet unter dem Druck dieser Begrenztheit im Lauf der Zeit immer komplexere Strukturen, womit die Antientropie innerhalb dieses Systems kontinuierlich zunimmt.
Rudi Zimmerman
Literatur
1) Schrödinger, Erwin: Was ist Leben? Die lebende Zelle mit den Augen eines Physikers betrachtet. Piper Verlag GmbH. München. 1987, ISBN 3-492-21134-8. (Original 1944).
2) Bateson, Gregory: Ökologie des Geistes. Anthropologische, biologische, und epistemologische Perspektiven. suhrkamp taschenbuch wissenschaft 571. Frankfurt am Main. 1985. ISBN 3-518-28171-2
3) Darwin, Charles (1963): Die Entstehung der Arten durch natürliche Zuchtwahl. Reclam. Stuttgart. ISNB 3150030714. Original 1859.
4) Hass, Hans (1994): Die Hyperzeller. Das neue Menschenbild der Evolution. Carlsen. Hamburg. ISBN 3551850178 |
