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Physikalische Motivation

In der Physik werden seit einigen Jahrzehnten Phänomene der Selbstorganisation insbesondere in chaotischen Systemen untersucht. Phänomene dieser Art sind z.B. ,,Inseln der Ordnung im Chaos``, wie etwa in der BENARDschen Konvektion [8] oder sogar in der Dynamik unseres Sonnensystems. Eine für einen naiven Betrachter zunächst überraschende Eigenschaft solcher Systeme ist die Tatsache, daß aus chaotischen Zuständen durch geringe Veränderungen einzelner Parameter Zustände der relativen Ordnung entstehen können. Im BENARDschen Konvektionsexperiment wird die Entwicklung einer Flüssigkeit in einem von unten erhitzten Behälter beobachtet. In einem solchen Behälter ist die Bewegung der Flüssigkeitsmoleküle im allgemeinen ungeordnet, d.h. auf mikroskopischer Ebene chaotisch. Wenn jedoch durch Steigerung der Temperaturdifferenz zwischen dem Boden und der Oberfläche der Flüssigkeit eine instabile Situation erzeugt wird, zeigen sich häufig geordnete Zustände, sogenannte Konvektionszellen in der Flüssigkeit. Dies sind z.B. sechseckige Zellen in einem oben offenen flachen Behälter oder parallele, mit abwechselndem Drehsinn rotierende ,,Rollen`` in einem geschlossenen aufgefüllten Quader. Viele der möglichen Anfangs- und Nebenbedingungen sind bei diesem Phänomen dadurch ausgezeichnet, daß sie zu Ordnungszuständen der Selbstorganisation führen. Das System geht dabei von einem unspezifischen in einen spezifischen Zustand über, im scheinbaren Widerspruch zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Wesentliche Voraussetzung für die Verwendung des Begriffs ,,Selbstorganisation`` zur Beschreibung eines Systems scheint die Existenz eines gewisses Minimums von Komplexität zu sein, siehe [32] und [46]. Obwohl angemerkt werden muß, daß keine eindeutige (mathematische) Definition der Komplexität existiert (Definitions-Beispiele sind in [32] und [45] zu finden), läßt sich intuitiv nachvollziehen, daß Systeme mit unterschiedlicher Komplexitat im Aufbau auch unterschiedliches Verhalten zeigen. An vielen Beispielen wird in diesem Zusammenhang deutlich, daß offensichtlich immer ein ausgezeichneter Bereich der (wie auch immer definierten) Komplexität existiert, in dem Selbstorganisation entstehen kann. Dies wird von LANGTON in [44] am Beispiel der ,,zellulären Automaten`` diskutiert, wo offensichtlich ein Phasenübergang zweiter Art beim Übergang von wenig komplexen zu komplexeren Regeln auftritt. Auch in der Physik sind viele Systeme mit einfachen Regeln aber dennoch hohem Komplexitätsgrad bekannt. Ein Beispiel dafür sind sogenannte ,,frustrierte`` Systeme wie etwa Spingläser, in denen sich die Spins gegenseitig in eine andere Position zwingen wollen. Charakteristisch für derartige Gebilde ist eine ,,rauhe Energielandschaft`` im jeweiligen Phasenraum mit vielen lokalen Minima der Energie, deren Werte nahe am Wert des globalen Minimums liegen. Die dazu korrespondierenden metastabilen Zustände bestimmen die Dynamik solcher Systeme. Die Analogie von Gebilden dieser Art zur Evolution in der Natur ist erkennbar, wenn man das von DARWIN [12] entdeckte Prinzip ,,Survival of the Fittest`` (zu interpretieren als:,,Überleben der Geeignetsten``) als Grundlage der Evolution betrachtet. Die ,,Fitness`` der Individuen, d.h. der Grad der Anpassung an die Umgebung oder die Geeignetheit, wurde von DARWIN als das dominante Kriterium für die natürliche Evolution betrachtet. Als Konsequenz dieser Auffassung ist die Selektion der an die jeweilige Umgebung bestangepaßten Individuen einer Population die wesentliche Auswirkung der Evolution. Durch diese Auslese aus dem vorhandenen Potential wird eine Population lokal in Richtung höherer Fitness getrieben. Die ,,Fitnesslandschaft`` im Phasenraum von derartigen Systemen ist von vielen lokalen Maxima der Fitness geprägt, analog zu den lokalen Minima der Energie in den oben genannten physikalischen Beispielen, weshalb einige Gemeinsamkeiten in wesentlichen Eigenschaften zu erwarten sind, wie z.B. die Metastabilität der Zustände.

Der Physiker ANDERSON [1] hat sogar vorgeschlagen, ein Spinglas-Modell für die präbiotische Evolution (genauer: für die Polymerisation von Molekülen) zu verwenden. Andere Physiker, z.B. DYSON [15], haben ähnliche, in der Beschreibung der Dynamik an physikalischen Systemen orientierte Modelle für die präbiotische Evolution vorgestellt, wobei im wesentlichen auf chemische und thermodynamische Aspekte der Modell-Systeme eingegangen wird. Der Physiker TORRES spekuliert gar (anhand von Überlegungen zur ATP-Synthese), daß die DARWINsche Fitnessfunktion thermodynamisch bedingt ist[63].


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RW 2008-07-16