Alfred Gierer

254 Pages·2004·1.3 MB·German

Alfred Gierer (1985) ”Die Physik, das Leben und die Seele”, Piper Mu¨nchen
Erstver¨offentlichung Piper 1985, ab 1988 als Taschenbuch
Die vorliegende Ausgabe mit ver¨anderten Seitenzahlen auf homepage/Diskette/ CD
(cid:13)cAlfred Gierer, Max-Planck-Institut fu¨r Entwicklungsbiologie, D-72076 Tu¨bingen
In diesem Buch zeigt der Phy-
siker und Biologe Alfred Gierer -
er ist Direktor am Max-Planck-
Institut fu¨r Entwicklungsbiologie
- die Reichweite, aber auch die
prinzipiellen Grenzen naturwissen-
schaftlichen Denkens auf. Beides
wird nirgends so deutlich wie im
Verh¨altnis der Biologie zur Phy-
sik: Hier stellen sich die Fragen,
was Leben ist, wie es entstand
und sich bis zur H¨ohe des Men-
schen entwickelte, wie der Reich- Alfred Gierer, geboren 1929
tum der Formen zu verstehen ist in Berlin, 1946-1953 Studium der
und in welcher Beziehung das Be- Physik in G¨ottingen, 1953 Pro-
wußtsein,die“Seele”,zueinemwis- motion, 1954-1960 Wissenschaft-
senschaftlichen Verst¨andnis der Le- licher Mitarbeiter am Max-Planck-
bensvorg¨ange steht. Institut fu¨r Virusforschung in
“Die Physik, das Leben und die Tu¨bingen, Forschungsaufenthalte
Seele” informiert u¨ber diese wichti- am MIT (Cambridge, USA) und
gen Zusammenh¨ange in allgemein- am CalTech (Pasadena, USA),
verst¨andlicher Form und regt in be- 1958 Dozent fu¨r Biophysik, seit
sonderem Maße die Freude am kri- 1960 Wissenschaftliches Mitglied
tischen Mitdenken an. Das Buch der Max-Planck-Gesellschaft und
schl¨agt einen weiten Bogen von der Leiter der Abteilung Molekularbio-
Grundlagen der Physik und Logik logie am Max-Planck-Institut fu¨r
u¨ber die neuen Erkenntnisse der Virusforschung (seit 1984 MPI fu¨r
Biologie bis zu der Frage, was uns Entwicklungsbiologie)inTu¨bingen,
die Naturwissenschaften u¨ber den seit 1965 Direktor am Institut und
Menschen und sein Bewußtsein leh- Professor fu¨r Biophysik an der Uni-
ren k¨onnen - und was nicht. versit¨at Tu¨bingen.
Gierers Fazit: Die moderne Na- Forschungsschwerpunkte: Mole-
turwissenschaft, die auch ihre ei- kularbiologie (Funktion der Nu-
genen Voraussetzungen hinterfragt, kleins¨aure als Erbsubstanz der Vi-
fu¨hrt keineswegs zu einem nur ma- ren, Mechanismus der Proteinsyn-
terialistischen Weltbild; sie ist viel- these), Entwicklungsbiologie (bio-
mehr offen fu¨r sehr verschiedene logische Struktur- und Gestaltbil-
philosophische, religi¨ose und kul- dung, Entwicklung des Nervensys-
turelle Interpretationen des Men- tems im Gehirn), wissenschafts-
schen und der Welt. theoretische Fragen.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Einleitung und Vorschau
1 Physik - die Grundlage der objektiven Naturwissenschaf-
ten 15
1.1 Was ist Physik? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2 Die Zukunft ist offen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3 Die Physik als Grundlage der Naturwissenschaften . . . . 26
1.4 Geltungsanspruch und Selbstbescheidung der modernen
Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2 Logisches Denken, m¨ogliches Wissen und Grenzen der
Entscheidbarkeit 31
2.1 Logik der Logik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2 Grenzen der Entscheidbarkeit und das menschliche Denken 36
2.3 Endlichkeit der Welt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.4 Finitistische Erkenntnistheorie . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5 Das Wissen vom Wissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 Grundprozesse des Lebens 53
3.1 Was ist Leben? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2 Gilt die Physik in der Biologie? . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3 Molekulare Biologie der Vermehrung und Vererbung . . . 60
4 Vererbung, Information und Evolution 73
4.1 Erbinformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.2 Stufen des Lebens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3 Entstehung und Entwicklung des Lebens auf der Erde . . 81
4.4 Naturwissenschaftliche Erkl¨arung der Evolution . . . . . 87
4.5 Deutung der Evolution: Offene Fragen . . . . . . . . . . 91
1
2 INHALTSVERZEICHNIS
5 Biologische Strukturbildung 99
5.1 Neubildung von Gestalten im Generationszyklus . . . . . 100
5.2 R¨aumliche Organisation durch
“Selbstgliederung” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3 Selbstgliederung im Wechselspiel von Aktivierung und
Hemmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.4 Physik und Dynamik biologischer Strukturbildung . . . . 117
5.5 R¨aumliche Ordnung der
Zelldifferenzierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.6 Formbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6 Gestaltbildung, Gestalterkennung, Gestalterkl¨arung 135
6.1 Logik und Physik des Generationszyklus . . . . . . . . . 136
6.2 Die Entwicklung der Organismen im Vergleich mit ande-
ren
Strukturbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.3 Gestaltbildung und
Gestaltwahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.4 Mathematik und Materie:
Erkl¨arungsgrundlagen biologischer
Gestaltbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7 Verhalten und Gehirnprozesse 149
7.1 Verhalten und Physik des Nervensystems . . . . . . . . . 150
7.2 Architektur und Funktion des Gehirns . . . . . . . . . . 157
7.3 Ged¨achtnis, Lernen, Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . 164
7.4 Entwicklung des Nervensystems: Angeborene und erlernte
Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.5 Der Mensch - objektiv betrachtet . . . . . . . . . . . . . 170
8 Physik, Bewußtsein und das Leib-Seele-Problem 175
(cid:28) (cid:29)
8.1 Die Leib-Seele-Beziehung als wissenschaftliches Problem. 176
8.2 Theorien des Glu¨cks und der Gefu¨hle . . . . . . . . . . . 184
8.3 CharakteristikdesBewußtseins:Zeitintegration,Selbstbe-
zug, Verhaltensdisposition . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
8.4 Ein Gedankenexperiment zur Beziehung zwischen phy-
sikalischen Gehirnzust¨anden und Dispositionen fu¨r
zuku¨nftige Verhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
8.5 Grenzen der Decodierbarkeit der Leib-Seele-Beziehung . 201
8.6 Der metatheoretische Witz: Mit Widerspru¨chen leben . . 204
INHALTSVERZEICHNIS 3
9 Einheit der Natur, Mehrdeutigkeit der Welt 209
9.1 Physik und Biologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
9.2 Determinismus und Willensfreiheit . . . . . . . . . . . . 213
9.3 Die metatheoretische Mehrdeutigkeit der Wissenschaft . 215
9.4 Naturphilosophie und
Weltverst¨andnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
10 Wissenschaft, Religion und kultureller Pluralismus 223
10.1 Religion und die Rationalit¨at der Wissenschaft . . . . . . 224
10.2 Lebensform und wissenschaftlich-technische Entwicklung 232
10.3 Wissenschaft und kultureller Pluralismus . . . . . . . . . 237
Literaturhinweise und Anmerkungen
4 VORWORT
Vorwort
Ziel der Naturwissenschaften ist es, die Natur zu erkl¨aren - das gilt heu-
te wie schon zu Keplers Zeiten; und doch verlieren wir dieses Ziel in
der Gegenwart bisweilen aus den Augen, es geht leicht unter in der Spe-
zialisierung der wissenschaftlichen Disziplinen, der Fu¨lle des Stoffes im
Schul- und Lehrbetrieb, der Informationsflut und den wechselnden Mo-
destr¨omungen der Publizistik. So ist es heute fu¨r Laien und Fachleu-
te gleichermaßen schwer geworden, wissenschaftliche Tatsachen noch im
Kontext mit Fragen an “die” Natur zu sehen.
Mir wurde das seinerzeit viel leichter gemacht. Fu¨r Physikstudenten
im G¨ottingen der ersten Nachkriegsjahre, besonders im Kreis des Max-
Planck-Instituts fu¨r Physik, war es durch die Anregungen von Werner
Heisenberg, Carl Friedrich von Weizs¨acker und anderen Wissenschaft-
lern eigentlich selbstverst¨andlich, außer der Einzelforschung auch den
philosophischen Hintergrund zu diskutieren, den “Teil und das Ganze”
(so der sp¨atere Titel von Heisenbergs Lebenserinnerungen) im Blickfeld
zu behalten; das lebhafte geistige Klima dieser Zeit begu¨nstigte ohnehin
Fragen nach fachu¨bergreifenden, allgemeinen Zusammenh¨angen.
Besonders faszinierend war der Kontakt mit Forschern, die zwei Jahr-
zehnte zuvor die wissenschaftlich revolution¨are Entwicklung der Quan-
tenphysik eingeleitet hatten - faszinierend allerdings nicht ohne einen
Hauch von Nostalgie: Die “reine” Physik von 1950 war allzu offensicht-
lich nicht mehr, oder noch nicht wieder, die der zwanziger Jahre. Dafu¨r
schien ein anderer Problemkreis immer interessanter und verlockender zu
werden: Die Frage, ob auch die Grundvorg¨ange des Lebens auf der Ba-
sis physikalisch- chemischer Gesetze zu verstehen sind. Wie weit ist dies
u¨berhaupt m¨oglich, inwiefern entzaubert oder erkl¨art ein solcher Zugang
denBereichdesLebendigen,genu¨gtdafu¨rdiealte,oderbrauchtmaneine
neue Physik? Die Probleme lagen auf dem Tisch, aber L¨osungen schie-
nen zun¨achst sehr weit entfernt, denn biologische Vorg¨ange haben den
Ruf, kompliziert zu sein. Damals geriet ich an das Buch von Linus Pau-
ling u¨ber die “Natur der chemischen Bindung”. Er zeigte, daß man mit
einer grob vereinfachten Physik in erstaunlichem Maße Eigenschaften or-
5
6 VORWORT
ganischer Moleku¨le verstehen kann, und zwar auch großer Moleku¨le, die
an Grundprozessen des Lebens beteiligt sind. Es war eine Anstiftung
zum Optimismus; diese Stimmung, gef¨ordert durch die Diskussionen im
G¨ottinger Kreis, fu¨hrte mich schließlich von der Physik in die Biologie.
Anfang der Fu¨nfziger Jahre entdeckten Watson und Crick die Struktur
der Erbsubstanz - die “Doppel-Helix” - und fanden damit den Schlu¨ssel
zur Aufkl¨arung von Mechanismen der Vererbung. Im folgenden Jahr-
zehnt wurde das Grundwissen der molekularen Biologie gewonnen, das
inzwischen l¨angst Eingang in die Schule und die allgemeine Bildung ge-
funden hat. Es machte viel Freude, diese Entwicklung mitzuerleben und
dabei auf Teilgebieten mitzuforschen.
Mitte der sechziger Jahre glaubten manche Wissenschaftler, die Mo-
lekularbiologie h¨atte die wichtigsten biologischen Probleme im Prinzip
gel¨ost - alles weitere w¨aren Detailfragen. Das allerdings erwies sich als
falsche, zudem als u¨berhebliche Auffassung - und zwar nicht nur, weil wir
u¨ber die molekulare Biologie selbst noch viel zu lernen haben, sondern
auch, weil sie grunds¨atzlich nie die ganze Biologie sein kann. Die Eigen-
schaften der belebten Natur, die wir am meisten bewundern, betreffen
Gestalten und Verhalten. Sie haben zwar auch etwas mit Moleku¨len zu
tun; doch die Physik und Chemie der beteiligten Moleku¨le ergibt fu¨r
sich noch keine Erkl¨arung der Ph¨anomene. Eine Schneeflocke ist gefro-
renes Wasser, aber das zu wissen hilft nicht viel, wenn man eine Flocke
zeichnen und ihre Form verstehen will. Entsprechendes gilt erst recht fu¨r
biologische Muster und Formen. Nur die Verknu¨pfung von physikalisch-
chemischen, biologischen und mathematisch-systemtheoretischen Ein-
sichten kann schließlich die Entstehung r¨aumlicher Ordnung bei der Ent-
wicklung der Organismen erkl¨aren. Dem Problemkreis der biologischen
Strukturbildung gilt seit einigen Jahren das besondere Forschungsinter-
esse unseres Tu¨binger Max-Planck-Instituts, sowohl im Rahmen der all-
gemeinenEntwicklungsbiologiealsauchimHinblickaufdieOrganisation
des Nervensystems im Gehirn bei der Entwicklung h¨oherer Organismen.
Tragweite und Grenzen einer physikalischen Begru¨ndung der Biologie
- dies ist ein zentrales Thema des vorliegendes Buches. An ihm zeigt sich
besondersdeutlich,wieweitu¨berhauptobjektivesWeltverst¨andnisreicht
und wo es endet. Physik, Chemie und Biologie demonstrieren den um-
fassenden Geltungsbereich und Erkl¨arungswert allgemeiner Naturgeset-
ze - die genaue Analyse der Voraussetzungen wissenschaftlichen Denkens
fu¨hrt aber auch an Grenzen objektiver Erkenntnis und damit zu einem
bescheidenerenSelbstverst¨andnismodernerWissenschaft,vergleichtman
es mit materialistisch-deterministischen Denkweisen des vorigen Jahr-
hunderts: Auf der wissenschaftsphilosophischen Ebene der Reflexion ist
VORWORT 7
die “Welt als Ganzes” mehrdeutig und fordert eben deshalb zum Nach-
denken u¨ber Sinn- und Zielfragen heraus.
Der erste Gedanke, diesen weitreichenden Themenkreis einmal zum
Gegenstand eines Buches zu machen, kam mir anl¨aßlich eines Sommer-
seminars des “Europ¨aischen Forum Alpbach” vor zwanzig Jahren. Es
war fachu¨bergreifenden, vor allem wissenschaftsphilosophischen Fragen
gewidmet, und ich war eingeladen, einen Kursus u¨ber das Thema “Phy-
sikalisierung der Biologie” zu leiten. Die Tagung brachte viele Anregun-
gen. Herbert Feigl belegte in eindrucksvoller Weise, daß das “Leib-Seele-
Problem” unter Wissenschaftlern zu Unrecht tabuisiert wird, daß es ech-
te, wenn auch schwierige wissenschaftliche Fragestellungen enth¨alt. Paul
FeyerabendundErnstBlochkritisierten-mitganzunterschiedlichenphi-
losophischenArgumenten-dieverbreiteten,sehrformalistischenAns¨atze
der Wissenschaftstheorie: Sie wu¨rden wesentlichen Fragen - Was ist
(cid:28)
Wissenschaft? , Wie wird sie gemacht? und Wozu ist sie gut? -
(cid:29) (cid:28) (cid:29) (cid:28) (cid:29)
nicht gerecht. Grundfragen dieser Art k¨onnte man nur mit Denkweisen
begegnen, die sich selbst keine allzu engen Fesseln anlegen.
Das vorliegende Buch ist u¨ber einen l¨angeren Zeitraum hinweg ent-
standen; seine Themen waren zuletzt Gegenstand meiner Vorlesung im
Rahmen des “Studium Generale” der Universit¨at Tu¨bingen fu¨r Studen-
tenundBu¨rgerderStadt.BeimSchreibenu¨bereinesovielseitigeProble-
matik wird dem Autor allzu oft bewußt, daß man dazu eigentlich mehr
wissen mu¨ßte, als man weiß, mehr sagen sollte, als man kann, und daß,
je hintergru¨ndiger die Fragen werden, desto mehr die Sicherheit unse-
res Wissens auch abnimmt; dazu spu¨rt man bei manchen Problemen die
N¨ahe zu Emotionen, den eigenen wie denen der Leser. Damit wird aber
eine Grundthese des Buches eher unterstrichen als zuru¨ckgenommen,
n¨amlichdaßwir gerade in denfu¨runs wichtigsten Fragestellungen immer
daraufangewiesenbleiben,unsaufGrundeinesstetsbegrenzten,niemals
vollst¨andigen Wissens n¨aherungsweise zu orientieren. In diesem Sinne ist
das vorliegende Buch zu verstehen: als eine Einladung zum Mitdenken
und als Anregung fu¨r weiterfu¨hrende U¨berlegungen.
Schließlich m¨ochte ich denjenigen danken, die mir bei dieser Arbeit
geholfen haben - Freunden, Kollegen und G¨asten, vor allem im Umkreis
der Tu¨binger Max-Planck-Institute fu¨r Entwicklungsbiologie und bio-
logische Kybernetik, fu¨r viele kl¨arende Diskussionen zu verschiedenen
Problemen - insbesondere Prof. V. Braitenberg, Dr. H. Meinhardt, Dr.
G. Palm und Dr. G. Wagner fu¨r die kritische Durchsicht einzelner Kapi-
tel, sodann Herrn Dr. H. Meinhardt fu¨r die Computergraphik, Frau A.
Tanaka-Ingold fu¨r die Zeichnungen, ihr und Frau E. Du¨rr fu¨r das Schrei-
ben des Manuskripts. Ganz besonders m¨ochte ich meiner Frau Dr. Lucia
8 VORWORT
Gierer danken, die die Entwu¨rfe zum Buch im Gesamtzusammenhang
gelesen, eingehend diskutiert und u¨berarbeitet hat.