Charles Darwin fasst am Schluss seines grundlegenden Werks „Über die Entstehung der Arten durch natürliche Zuchtwahl“ die Gesetze zusammen, die die biologische Evolution prägen: „Wachstum mit Fortpflanzung; Vererbung, ... Variabilität in Folge der indirekten und direkten Wirkungen äusserer Lebensbedingungen ... ; rasche Vermehrung in einem zum Kampfe um’s Dasein und als Folge dessen zu natürlicher Zuchtwahl führenden Grade, welche letztere wiederum die Divergenz des Characters und das Erlöschen minder vervollkommneter Formen bedingt. So geht aus dem Kampfe der Natur, aus Hunger und Tod unmittelbar die Lösung des höchsten Problems hervor, das wir zu fassen vermögen, die Erzeugung immer höherer und vollkommenerer Tiere.“ 1) Abstrahieren wir von den Einzelheiten biologischer Evolution geht es darum, die Selbstorganisation eines dynamischen Systems zu beschreiben. Eine große Leistung Darwins ist seine Erläuterung des Zusammenspiels von äußeren Umständen und Selektion, das an den auftretenden kleinen Unterschieden der Systemkonstituenten angreift. Er beschreibt und belegt sorgfältig anhand zahlreicher Beispiele die auslesende Wirkung von Wettbewerb und Variation.

Biologische Systeme sind notwendig komplex. Die Frage der Selbstorganisation in einem dynamischen System lässt sich aber bereits an folgendem, stark reduzierten physikalischen Mechanismus verdeutlichen: der spontanen Emergenz lokaler Ordnung in thermodynamischen Phasenübergängen. Diesen Mechanismus der Selbstorganisation möchte ich Darwins Vorgehen gegenüberstellen.

Bei der Selbstorganisation in einem thermodynamischen System tritt neben den  Begriff der Variation der der Korreliertheit der Konstituenten des Systems. Demgegenüber rechnet Darwin die Korrelierung noch zum unbetretenen Feld seiner Untersuchungen 2). Ich werde im folgenden die Schlüsselrolle dieses Begriffs erläutern. - Die Korrelierung zwischen Teilen eines Systems wird auch durch das Bild einer Kooperation zwischen diesen ausgedrückt.

2. Ein physikalisches Beispiel für Selbstorganisation

Ein einfaches, gut durchschaubares Beipiel für einen thermodynamischen Phasenübergang ist die Kondensation von Wasserdampf. Wir betrachten einen Behälter mit gesättigtem Wasserdampf. Wenn wir in diesem Behälter die Temperatur senken, kann die Dampfphase nicht länger alle Wassermoleküle fassen. Der die Sättigung des Dampfes übersteigende Teil der Wassermoleküle kondensiert. In der flüssigen Phase gehören die Wassermoleküle nicht mehr zur Dampfphase. Dieser Phasenübergang von reinem Dampf zu einem System, in dem Dampf und Flüssigkeit koexistieren, ist beipielsweise in einem geschlossenen Raum mit hoher Luftfeuchtigkeit zu beobachten, dessen Temperatur abnimmt. Die Kondensation tritt insbesondere bei tiefen Außentemperaturen an der Innenseite der Fenster ein.

Ein Wassermolekül H2O besteht aus einem Sauerstoffatom O und zwei Wasserstoffatomen H. Jedes der beiden Wasserstoffatome teilt sein Elektron mit je einem der beiden äußeren Elekt-

ronen des Sauerstoffatoms, wodurch eine Bindung zwischen dem jeweiligen Wasserstoffatom und dem Sauerstoffatom zustande kommt. Der Abstand zwischen dem Kern des Sauerstoffatoms und dem Kern eines der Wasserstoffatome beträgt 0,096 Nanometer, der Abstand zwischen den beiden Wasserstoffatomen 0,152 Nanometer. Der Winkel H-O-H in dem aus den drei Atomkernen  gebildeten gleichschenkligen Dreieck beträgt 105°. Die Wasserstoffelektronen werden stärker zum zweifach negativ geladenen Sauerstoffion gezogen als die beiden an der Bindung beteiligten Sauerstoffelektronen jeweils zu einem der einfach positiv geladenen Wassertoffionen. Dadurch entsteht entlang der Winkelhalbierenden des Winkels H-O-H eine elektrische Ladungsverschiebung: Zum Sauerstoffatom hin überwiegt die negative Ladung, entgegengesetzt dazu die positive Ladung. Das Wassermolekül bildet einen sogenannten elektrischen Dipol. Ein Ende des Dipols ist positiv, das andere negativ. Dadurch können sich Ketten von Dipolen (+,-) bilden, die durch die zwischen den jeweiligen Dipolenden wirkenden elektrischen Anziehungskräfte zusammengehalten werden:
(+,-) – (+,-) – (+,-) – (+,-) ...
Durch das Auftreten des 105° großen Winkels H-O-H wird also das Wassermolekül bindungsfähig, gewissermaßen „kooperationsfähig“.

Die attraktive Bindungskraft zwischen den Wassermolekülen steht in Konkurrenz zur immer vorhandenen Wärmebewegung. Bei hoher Temperatur ist die Wärmebewegung stark. Dadurch kommt die elektrische Anziehungskraft zwischen den Molekülen, van-der-Waals-Kraft genannt, nicht zum Tragen, denn jede Bindung wird durch die Bewegung sofort wieder aufgerissen. Wir befinden uns in der Gasphase. Wir haben dann ausschließlich Wasserdampf. Senken wir die Temperatur, wird die Wärmebewegung schwächer, die Anziehungskäfte beginnen zu wirken. Es bilden sich Dipolketten, also Ketten von Wassermolekülen. Durch die Wärmebewegung werden sie zwar immer wieder aufgelöst, zugleich aber wieder neu gebildet. Diese Ketten konstitutieren die flüssige Phase des Wassers, also Wasser im eigentlichen Sinn. Bei weiterer Temperatursenkung im System kommt bei der Gefriertemperatur des Wassers das Aufreißen der Wassermolekülketten zum Stillstand, es bilden sich Eiskristalle.

Bei der Bildung von Wasser durch die Kondensation des Dampfes nimmt lokal Ordnung zu: Die spontan entstehenden Ketten von H2O-Molekülen sind eine Struktur, die es in der Dampfphase nicht gibt. Beim weitergehenden Übergang zur Eisphase findet ein Sprung zu einer noch höheren Ordnung statt: Der Eiskristall bedeutet eine neue Struktur, die es weder in der flüssigen noch in der gasförmigen Phase gibt. Parameter für die spontan emergierende Ordnung sind für die flüssige Phase die Länge der H2O-Ketten und für die Eisphase die Gitterkonstanten des Eiskristalls.

3. Die Universalität von Quantenkorrelationen

Bei der Kondensation von Wasserdampf ist die elektrische Anziehungskraft der Molekül-Dipole entscheidend. In ganz anderen Systemen gibt es andere Wechselwirkungen, die die Systemkonstitutenten korrelieren und dann in der Konkurrenz zur Wärmebewegung Phasenübergänge hervorbringen. Die van-der-Waals-Wechselwirkung zwischen den Wassermolekülen ist also keineswegs ein universelles Merkmal thermodynamischer Phasenübergänge, auch wenn die Struktur des Phasenübergangs universeller Natur ist. Demgegenüber gibt es in Quantensystemen zwischen den Systemkonstituenten eine immer vorhandene Wechselwir-

kung, die weder elektrischer, magnetischer oder gravitativer oder daraus abgeleiteter Natur ist. Das sind die nicht abschaltbaren, stets präsenten Quantenkorrelationen.

So finden wir in einem nach klassischen Gesichtspunkten ideal wechselwirkungsfreien Quantengas einen der Kondensation von Wasser vergleichbaren Phasenübergang, wenn die Konstituenten des Gases sogenannte Bose-Teilchen sind. Diese Teilchen gehorchen der nach ihrem Entdecker, dem indischen Physiker Satyandra Nath Bose benannten Quantenstatistik, der sogenannten „Bose-Statistik“ 3). Albert Einstein entdeckte im November 1924 diesen Phasenübergang, den er in einer im Januar 1925 veröffentlichten Arbeit 4) „Kondensation“ nannte, in Anlehnung an die Kondensation von Wasserdampf. Werden in einem gesättigten idealen Bose-Gas einer bestimmten Temperatur weitere Teilchen eingefüllt, haben sie in der Gasphase keinen Platz mehr, fallen aus und bilden ein „Bose-Einstein-Kondensat“.

Die durch die Bose-Statistik hervorgerufenen Quantenkorrelationen konkurrieren mit der Wärmebewegung der Quantenteilchen. Betrachten wir ein Bose-Gas in einem Behälter und kühlen es ab, erreichen wir eine Temperatur, bei der es gesättigt ist. Oberhalb dieser Sättigungstemperatur dominiert die Wärmebewegung der Teilchen die Quantenkorrelationen und wir bewegen uns ausschließlich in der Gasphase. Kühlen wir weiter ab, haben nicht mehr alle Bose-Teilchen Platz in der Gasphase. Entsprechend Einsteins Voraussage fallen sie aus der Gasphase aus und bilden ein „Kondensat“. Einsteins theoretisch gefundene Voraussage wurde erst 70 Jahre später in einem Gas von Rubidium-Atomen bei extrem tiefer Temperatur experimentell bestätigt 5). Das Bose-Einstein-Kondensat von Atomen, das inzwischen auch für weitere Atomsorten wie Natrium, Wasserstoff u. a. gefunden wurde, stellt eine völlig neue Form von Materie dar. Mithilfe des Mechanismus dieses quantenstatistischen Phasenübergangs lassen sich aber auch so spektakuläre makroskopisch beobachtbare Phänomene wie die Suprafluididät des Heliums, die Supraleitung und der Laser erklären. Auch die Voraussage einer Bose-Einstein-Kondensation von Photonen folgt zwingend aus der mathematisch-physikalischen Analyse eines aus dem Planckschen Wärmegleichgewicht ausgelenkten Photonengases. Weitergehende Literaturangeben finden sich in 6). All diese Phänomene sind durch das spontane Auftreten lokaler Ordnung charakterisiert. – Die schiere Präsenz der Quantenkorrelationen lässt sich bereits in einem Photonengas im Planckschen Wärmegleichgewicht feststellen. Die mittler Energie pro Photon (Äquipartitionsgesetz) ist im Photonengas 10% kleiner als im Modell eines klassischen Photonengases. Diese Energie steckt gewissermaßen als eine Art Bindungsenergie im System.

4. Fassen wir das entscheidende Argument zusammen.

Die Selbstorganisation in einem thermodynamischen System entsteht aus dem Zusammenspiel von Korrelation und „Wettstreit“ der Systemkonstituenten in Form ihrer ungeordneten Wärmebewegung. Dieses Durchlaufen der thermodynamisch zulässigen Systemzustände, diese ständige Variation der thermodynamischen Systemkonfiguration entspricht im Darwinschen Evolutionsmodell dem ständigen Wettkampf der Arten. Im biologisch-evolutionären Wettkampf wird die am besten passende Art ausgelesen. Bei der Variation der thermodynamischen Konfigurationen die entropisch am besten passende Konfiguration, deren Realisierung mit der größten Wahrscheinlichkeit auftritt. Die Lösung des thermodynamischen Variatonsproblems ist derjenige Zustand, der die Entropie des Gesamtsystems maximal macht. Das schließt Zustände, die lokal zu einer höheren Ordnungsbildung und damit zu Selbstorganisation führen, mit ein und keineswegs aus.

Ein Beispiel dafür ist unsere Biosphäre selbst. Während die Entropie unseres gesamten Sonnensystems durch die Abstrahlung der Sonnenenergie in den Weltraum ständig anwächst, nimmt die Entropie der irdischen Biosphäre infolge der  evolutionären Höherorganisation ab. 7) Dabei nutzt die Biosphäre den Temperaturunterschied zwischen dem einfallenden Sonnenlicht mit der mittleren effektiven Temperatur der Sonnenoberfläche von 5 780 K und der in die Stratossphäre und den Weltraum abgestrahlten Wärme von durchschnittlich 288 K (15°C). Die hohe Temperatur der Sonnenstahlung wird dadurch erträglich, dass ihre Intensität durch die große Entfernung der Erde von der Sonne um den Faktor 46 200 abgeschwächt wird. Durch den anthropogenen Klimawandel steigt die mittlere Temperatur der Biosphäre von 287 K (14°C) vor Beginn der industriellen Revolution über gegenwärtig 288 K weiter an. Damit wird der entropische Spielraum für die weitere evolutionäre Höherentwicklung abgechwächt 8).

Selbstorganisation entsteht durch das Zusammenspiel von Korrelation und Variation. Ohne Korrelation ist Selbstorganisation, ist Höherentwicklung nicht verständlich. Dem Darwinschen Evolutionsparadigma fehlt, zumindest in seiner populären Verkürzung auf Variation und Auswahl, das zentrale und unverzichtbare Element der Korrelation, der Kooperation.

5. Bemerkung zu den weltanschaulichen, gesellschaftlichen und ökonomischen Folgen eines defizitären Darwinismus

Mit seiner argumentativen Kraft und seinem Erklärungsanspruch ist der Darwinsche Ansatz zu einem rationalen Verständnis der Evolution in den Rang eines Paradigmas aufgestiegen. Das Darwinsche Evolutionsparadigma hat Einzug gehalten im wissenschaftlichen Bereich, insbesondere in der Biologie, und es hat sich darüberhinaus zu einer lebensweltlich bedeutsamen Haltung entwickelt.

So findet der Erklärungsanspruch für die Höherentwicklung der biologischen Evolution eine Parallele im liberalen Credo des freiheitlichen wirtschaftlichen Wettbewerbs: Der freie Markt ist die beste Voraussetzung für wirtschaftliche Prosperität, für das Funktionieren von Wirtschaft überhaupt. Konkurrenz sei Antrieb, sei Motor für Fortschritt. Regeln seien für den Markt und damit für eine florierende Wirtschaft hinderlich, Eingriffe in den Markt schädlich. Die „unsichtbare Hand“ des Marktes (Adam Smith) richte alles zu einem guten Ergebnis hin aus.

Eine weitere Parallele gegenwärtigen „Darwinschen Denkens“ lässt sich im Sozialen ausmachen: So wie es „gut“ sei, dass sich die biologisch „Starken“ durchsetzen, so sei es „gut“, dass sich auch im Sozialen, in der Gesellschaft die „Starken“ durchsetzten. Wenn Reichtum und Armut nebeneinander stehen, wenn es Gebildete und Ungebildete nebeneinander gibt, sei dies normal. Jeder habe seine Chance und könne sie nutzen. Wenn nicht, sei dies eben der Lauf der Dinge. Schwache, Kranke, Behinderte, Zurückgebliebene, von einem harten Schicksal Getroffene werden in dieser Ideologie sozial ausselektiert. Wird eine solche Ideologie mit dem biologisch verstandenen Kampf ums Dasein kombiniert, ist die Nähe zum Rassismus fließend.

Es ist ganz offensichtlich, dass diese darwinistischen Auffassungen relativiert werden müssen, wenn der Kooperationsgedanke zum Zug kommt. Wissend, dass Selbstorganisation ohne Kooperation nicht funktionieren kann, ist die Ausschließlichkeit des Konzepts eines zügellosen Kampfes ums Dasein im Wirtschaftlichen und Sozialen ein verhängnisvoller Irrweg. Das lehrt eigentlich schon der gesunde Menschenverstand. Wenn ich als Unternehmer ein Produkt herstelle und am Markt anbiete, habe ich vielleicht eine kleine Zahl von Konkurrenten, gegen die ich mich behaupten muss. Aber ich brauche eine sicherlich größere Zahl von wirtschaftlichen Partnern, mit denen ich kooperieren muss, um das Produkt überhaupt herstellen zu können. Wohin der brutale Einsatz egoistischen, auf shareholder value und schnellen Vorteil um jeden Preis gerichteten Wirtschaftens führt, zeigt die beipiellose globale Finanz- und Wirtschaftskrise, in der wir uns aktuell befinden. Eine für einen längeren Zeitraum und ein breites Wirtschaftssegment eingeforderte Kapitalrendite von 25% und mehr ist nur über ein ruinöses Ausplündern meiner Geschäftspartner möglich. Und mit dem absehbaren Systemabsturz wird das rettende staatliche Eingreifen einkalkuliert, das den bereits realisierten Gewinn unangetastet lassen soll.

Das Wissen, dass Korrelationen die Welt im Innersten zusammenhalten, taugt zu einer nachhaltigen Prämisse über unsere physikalisch-materielle Existenz hinaus. Der Korrelationsgedanke repräsentiert aber nicht nur ein Strukturgesetz unserer Existenz. Er ist aus der Systematik von Prozessen der Selbstorganisation und Höherentwicklung nicht wegzudenken. Der Korrelations- und Kooperationsbegriff hat eine wechselseitige Reziprozität, ein wechselseitiges aufeinander Angewiesensein der Systempartner zur Folge. Den Nächsten achtsam zu behandeln, wie man es für sich selbst einfordert, ihn zu lieben, wie man sich selbst liebt, sind Ausdruck gelingender Korrelation. Nichts weniger als Menschenwürde, Gerechtigkeit, Toleranz ermöglichen Menschen in sozialen und wirtschaftlichen Beziehungssystemen wertvolles und produktives Kooperieren.

Literatur

1)  Charles Darwin, „Über die Entstehung der Arten durch natürliche Zuchtwahl.
    Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt, 1988, S. 565.

2)    S. o., S. 562.

3)    Satyandra Nath Bose, „Plancks Gesetz und Lichtquantenhypothese“,
     Zeitschrift für Physik 26 (1924), S. 178-181.

4)   Albert Einstein, „Quantentheorie des einatomigen idealen Gases. Zweite Abhandlung“,
    Sitzungsberichte der preussischen Akademie der Wissenschaften I (1925), S. 18-25,
    Sitzung der physikalisch-mathematischen Klasse vom 8. Januar 1925.

5)   M. H, Anderson, J. R. Ensher, M. R. Matthews, C. E. Wiemann, and E. A. Cornell,
    “Observation of Bose-Einstein condensation in a Dilute Atomic Vapor“, Science 269
    (1995), S. 198-201.
 

6)  Eberhard Müller, “Bose-Einstein Condensation of Photons, Does it Play a Vital Role in the
    Understanding of Life?. In “What is Life?“, H.-P. Dürr, F.-A. Popp & W. Schommers,
     editors, S. 343-355. World Scientific Publishing Co., Singapore, 2002.

7)  Die Entropie beschreibt das Maß der Unordnung in einem abstrakten thermodynamischen
     oder informationstheoretischen System. Eine anwachsende Entropie beschreibt
     anwachsende Unordnung, eine abnehmende Entropie ein Zunehmen von Ordnung. In der
     Nähe des Wärmegleichgewichts ist die Entropie eine Wärmeenergie pro Temperatur und
     beschreibt damit die Qualität von Wärmeenergie. Das Verständnis von Wärme als eine
     ungeordnete Bewegung von Atomen und Molekülen machen den thermodynamischen und
     den informationstheoretischen Zugang zur Entropie wechelseitig anschlussfähig.

8)  Das lässt sich am Carnot-Wirkungsgrad # ablesen, der durch den Temperaturunterschied
     zwischen den beteiligten Wärmereservoirs gegeben wird:  # = (TSonne – TErde) / TSonne

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