Dr. Wolfgang Stegemann
Dr. Wolfgang Stegemann

Biologische Selbstorganisation und funktionelles organismisches Modell

Selbstorganisation findet sich in der unbelebten wie in der belebten Natur. Materie organisiert sich aufgrund der Kräfte im Universum quasi selbst. Aus Atomen werden Elemente, diese  verbinden sich zu Molekülen und diese wiederum bilden unter bestimmten Bedingungen gleichmäßige Formen, etwa Eiskristalle an der Fensterscheibe.

Was aber bringt Leben dazu, sich selbst zu organisieren?  Was ist das Wesen dieser Art von Selbstorganisation? Leben ist entstanden durch den Zusammenschluss von Molekülen und der Bildung von Reaktionsketten und Reaktionszyklen und deren Stabilisierung in Form einer Zelle. Diese erste Lebensform praktizierte die Zellteilung, und dies geschah durch das Überschreiten einer kritischen Größe, also durch Wachstum. Mit der Entstehung eines Zellkerns mit genetischem Code wurde die Evolution in Gang gesetzt, wie wir sie kennen. Selbstorganisation hatte ein neues Niveau erreicht. Mit der Bildung von Mehrzellern verlor die einzelne Zelle ihre Autonomie, ebenso wie die Mehrzeller die Ihre mit der Entstehung einfacher Organismen, also der Entstehung von Organen, verloren. Schließlich wurde der Organismus durch die Entstehung zentralisierter Nervensysteme gesteuert. Diese Abfolge von Regulationsniveaus, die ihre eigene Systemlogik behielten, findet sich auch beim Menschen wieder. Hier stehen sie in einem kausalen Verhältnis als emergente Systeme. Alle diese Systeme organisieren sich selbst, wobei das entwickeltste, bei uns also das Zentralnervensystem, die führende Rolle in der Regulation der Umweltbeziehung wie auch der internen Regulation spielt. Und in jeder Art der Selbstorganisation findet sich ein und dasselbe Prinzip wieder: Wachstum sowie darauffolgend Reduktion in Form von Differenzierung und Komprimierung.

Wachstum bedeutet auf der allgemeinsten Beschreibungsebene Agglomeration von Proteinen, von Zellen, von Gewebe, von neuronalen Mustern. Die Basis allen Denkens ist das assoziative Denken, also die Verbindung neuer mit gespeicherten Mustern. Sobald Reduktion als Differenzierung und Komprimierung hinzukommt, erreicht unser Denken jenes Niveau, auf dem wir abstrakte Operationen durchführen können.

Selbstorganisation ist also keine Zauberei, sondern ein sehr einfaches Naturprinzip.  Betrachtet man die Evolution unter diesem Aspekt, so sind Mutation und Selektion Phänomene vom Standpunkt des äußeren Betrachters. Vom Standpunkt des inneren Betrachters wächst Leben in die Möglichkeitsräume hinein, welche die Umwelt zur Verfügung stellt, die Reduktion bildet Varianten aus, die sowohl der inneren Systemlogik wie auch den äußeren Bedingungen am besten entsprechen.

Gestörtes Wachstum bzw. gestörte Reduktion führt zu Krankheit, auf allen Regulationsebenen gleichermaßen.

Hier ein paar Kritikpunkte gegen die Vorstellung von endogener Mutation und Selektion als Triebfeder der Evolution, welche ja nicht nur die klassische Evolutionstheorie berührt, sondern ebenso die Molekularbiologie: 

 

1. Zufällige Mutationen am Genom eines Individuums können keine neue Art entstehen lassen. Hat man es mit Mutationen am Genom der gesamten Population zu tun, handelt es sich um keinen Zufall mehr.

 

2. Ist eine zufällige Genmutation nachhaltig genug, um eine Änderung der Spezies herbeizuführen, bedeutet das, dass die Reparationsmechanismen der Art nicht effektiv genug sind, um ihr Überleben zu sichern.

 

3. Selektion geschieht immer am Individuum, nicht am einzelnen Gen. Die zufällige Mutation eines einzelnen Gens bewirkt nichts.

 

4. Bei artspezifischen Veränderungen sind immer Hunderte von Genen beteiligt. Eine zufällige Mutation hunderter Gene kann nicht mehr als endogener Zufall bezeichnet werden.

 

5. Die teils extreme Anpassung von Leben an Umwelt kann kaum durch endogenen Zufall erklärt werden. Woher ‚weiß‘ der Zufall, dass er etwa Farbmutationen generieren soll, um einen Käfer in grüner Umgebung grün werden zu lassen?

Zufall ist immer Zufall von außen, also von der Umwelt veranlasst.

 

6. Auf dem ganzen Planeten hat die Natur für dieselben Probleme nahezu dieselben Lösungen gefunden. Gäbe es den endogenen Zufall, müssten zum Teil sehr verschiedene Lösungen selektiert worden sein.

 

Darwin hat mit seiner Theorie zur Entstehung der Arten eine offene Tür eingerannt, die Zeit war quasi reif dafür. Mutation und Selektion war plausibel genug, allerdings war eher de äußere Zufall gemeint, denn von Genetik wusste man noch nichts. Und der ihm innewohnende Naturalismus entsprach und entspricht dem mechanischen Maschinendenken. Gleichzeitig funktionieren technische Anwendungen nach dem ähnlichen Versuch-Irrtums-Prinzip, das man der Natur abzuschauen glaubt. Ein klassisches Missverständnis bzw. ein Zirkelschluss. Das Paradigma der Selbstorganisation gab es zu Darwins Zeiten noch nicht. Sonst wäre man vielleicht eher auf die Idee gekommen, dass naturalistische Reduktion nur für die unbelebte Natur, also für Physik und Chemie gilt, nicht aber für Leben, denn das lässt sich nicht, wie die ersten auf Elemente reduzieren, sondern auf Systeme, in ihrer einfachsten Form, auf Reaktionszyklen. Reduziert man sie weiter, geht ihre Funktionsweise oder Emergenz verloren.

 

Genetische Veränderungen könnten besser über einen Phasenraum definiert werden, in welchem sich die diskrete Kommunikation zwischen Genom und Epigenom abspielt und die aufgrund der Umweltbedingungen für ganze Populationen ähnlich sind. Das Genom sollte als Emergenz betrachtet werden, seine evolutionäre Entwicklung als Phasenverschiebung.

 

Diese Vorstellungen scheinen hier empirisch bestätigt zu werden: Monroe, J.G., Srikant, T., Carbonell-Bejerano, P. et al. Mutation bias reflects natural selection in Arabidopsis thaliana. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04269-6

 

Im Einzelnen lässt sich dies aber auch als Random-Walk des Genoms beschreiben. So haben die Borwein-Integrale gezeigt, dass Folgen immer gleicher Muster mathematisch nach dem n-ten Schritt plötzlich abweichen, und zwar durch eine Kausalität, bei der eine Nachricht, die sich mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet, die Existenz einer Grenze signalisiert (Satya N. Majumdar, Emmanuel Trizac, When Random Walkers Help Solving Intriguing Integrals Phys. Rev. Lett. 123, 020201, July 2019). Das wären dann die Grenzen der oben erwähnten Möglichkeitsräume.

 

Um Krankheiten, deren Entstehungen nicht lokal eindeutig zugeordnet werden können, besser zu verstehen, soll hier ein Modell vorgestellt werden, das den Informationsfluss im Organismus abbilden kann. Es handelt sich um einen systemtheoretischen Ansatz, der organische Prozesse unter einem Makroaspekt betrachtet.

Der menschliche Organismus als System besteht aus Teilsystemen, die regulativ sind. Sie sind phylogenetisch entstanden und repräsentieren jeweils die führende Rolle bei der Auseinandersetzung mit der Umwelt sowie der Anpassung an diese. Die eukariotische Zelle ist der Ursprung, auch als Basis unseres Organismus, der Zellverband, Organe sowie das Zentralnervensystem sind die regulativen Ebenen, in denen und durch die hindurch organismische Information verarbeitet wird bis hinunter zum Genom.

Diese Teilsysteme sind kausal miteinander verbunden. Um diese Kausalität zu verstehen, bietet sich das Konzept der kausalen Emergenz an, das Eric Hoel und andere anhand von künstlichen neuronalen Netzen entwickelt und mathematisch begründet haben. Daraus ergeben sich vor allem zwei Konsequenzen: 1. werden in Systemen die Einzelteile durch das System bestimmt. Als Beispiel kann das Leben selbst dienen, das etwa Moleküle „zwingt“, Dinge zu tun, die sie in der unbelebten Natur nicht tun würden. 2. entsteht in einem System eine hierarchische Struktur, bei der die „höchste“ Ebene die Steuerung der anderen übernimmt. Diese zeichnet sich durch die höchste Informationsdichte aus, was auf der Funktionsebene etwa der höchsten Komplexität der Verbindungen in einem Netzwerk entspricht.

Übertragen wir dieses Modell auf den gesamten Organismus, so können wir als Regulationsebene mit der höchsten Informationsdichte das Zentralnervensystem angeben, welches nicht nur die führende Rolle in der externen Informationsverarbeitung übernimmt, sondern auch regulativ auf die „unteren“ Ebenen wirkt.

Betrachtet man in diesem Modell Krankheit, dann läßt sich diese allgemein als Störung der Systemintegrität beschreiben, die auf jeder Ebene induziert werden kann (physikalische, chemische und biologische Einwirkungen in Form von Gewalt, Strahlen, Toxinen, Viren u.a. auf zellulären und organischer Ebene, sensorische Einwirkungen und ihre zentralnervöse Modulierung, wie wir es aus der Psychosomatik kennen).  Je weiter unten die Einwirkung, desto unmittelbarer die Wirkung. Bei positiven Einwirkungen verhält s sich ebenso, je höher die Einwirkungsstufe, desto mehr fluktuiert der positive Effekt (siehe Placebo).

Jeder Impuls entfaltet auf der jeweiligen Ebene seine Wirkung gemäß der Ebenenspezifik und bewirkt auf der „darunter“ liegenden Ebene bestimmte Effekte. Für das Verständnis der Signalwegung nach unten kann auf den Formalismus der Schrödingergleichung zurückgegriffen werden. Man stelle sich den Signalweg wie einen Entscheidungsbaum nach unten vor. An jeder Verzweigung wird ein Überlagerungszustand nach Maßgabe der Umgebungsvariablen „aufgelöst“. Die Auflösung der Interferenz bedeutet die Aufrechterhaltung der Systemintegrität und damit dem systemkonformen Entropieexport. Wird die Überlagerung nicht bzw. pathogen aufgelöst, entsteht in der Ebene darunter Chaos. Dieses Chaos bedeutet, daß einzelne Elemente (z.B. Gene) nicht mehr zielgerichtet im Sinne des Organismus arbeiten, sondern sie verhalten sich zufallsgesteuert, was zu dem phänomenologischen Effekt des An- und Abschaltens von Genen führt. In Bezug auf die Krebsentstehung wäre also die Steuerungs- bzw. Nichtsteuerungsebene diejenige, die über der einzelnen Zelle liegt, also der Zellverband. Hier könnte nach krebsneutralen Stoffen gesucht werden, die beim Krebspatienten vorhanden sind aber beim Gesunden nicht oder umgekehrt und die möglicherweise als Therapeutika gelten könnten.

Während in diesem Modell die top-down Richtung regulativ ist, ist die bottom-up Richtung konstitutiv. In dieser Weise ergibt sich ganz oben ein plastisches neuronales Netz, dessen Plastizität vom phylogenetischen und ontogenetischen Alter abhängen dürfte, unten finden wir ein ebenso plastisches Mosaik an Genen, dessen Plastizität ebenso mit jüngeren Strukturen zunehmen dürfte.

Ein solches Modell kann sowohl Aussagen zu psychosomatischen Krankheiten und deren Therapie machen wie auch zu solchen, an denen genetische Strukturen wesentlich beteiligt sind. Sowohl für die Systembiologie wie auch die Epigenetik erweitert sich die Sichtweise auf den gesamten Organismus. Ziel könnte es sein, ein solches Modell quantitativ und qualitativ zu erweitern, um möglichst viele empirische Daten integrieren zu können.

Bad Iburg 2019.