Metaanalyse des Paradigmas der Selbstorganisation unter Einschluss der nichtlinearen dynamischen komplexen Systeme

Eine wissenschaftstheoretisch-naturwissenschaftliche Kurzeinführung

Harald Maurer

• Verlag: Books on Demand
• Jahr: 2017
• ISBN drucken:
  9783744855136
• eBook-ISBN:
  9783744806794
• Auflage: 1
• Thema: Biowissenschaften
• Thema: Wissenschaft Allgemein

Das Buch bietet eine kurze Einführung in das Thema der Selbstorganisation aus einer naturwissenschaftlich-wissenschaftstheoretischen Perspektive. Das Buch richtet sich vor allem an Student(-inn-)en aus den Disziplinen der Kognitionswissenschaft, der komputationalen und kognitiven Neurowissenschaften, der Neuroinformatik, der Neurophilosophie, und der Neurolinguistik sowie an diejenigen, die sich für den Themenbereich der Künstlichen Intelligenz interessieren.

1. WISSENSCHAFTSGESCHICHTE DES SELBSTORGANISATIONSPARADIGMAS

1.1 Seit den vierziger Jahren des 20. Jhdt.'s hat sich – mit dem Aufkommen der Kybernetik (WIENER (1948 (1961)), ASHBY (1947); System Dynamics: FORRESTER (1971)) – das allgemeine Prinzip der Selbstorganisation, einschließlich der Theorie der nichtlinearen dynamischen komplexen Systeme, in einer Vielzahl von Wissenschaftsdisziplinen zu dem vorherrschenden (Forschungs-)Paradigma bzw. zu dem vorherrschenden interdisziplinären Forschungsprogramm (weiter-)entwickelt (KROHN, KÜPPERS & PASLACK (1987), PASLACK (1991), KROHN & KÜPPERS (1990, 1992), MUSSMANN (1995), JAEGER (1996), MAINZER (1999), KANITSCHEIDER (1981, 2000, 2006), KÜPPERS (2008), BANZAF (2009)).

1.2 In der Philosophie und Wissenschaftstheorie hingegen ist diese neue Forschungsströmung bisher nur von ganz wenigen Autoren aufgegriffen worden (s. im einzelnen MAURER (2014a)):

1.21 Mit seinem “Dynamical Mechanistic Approach” in der Wissenschaftstheorie der Bio- und Neurowissenschaften beschäftigt sich in neuerer Zeit der U.S.-amerikanischer Wissenschaftstheoretiker und Philosoph William BECHTEL mit der Analyse der komplexen, selbstorganisierten Dynamik von (neuro-)biologischen Mechanismen anhand einer dynamisch-mechanistischen Erklärung (engl. “dynamic mechanistic explanations”) (s. z.B. BECHTEL (2008); s. auch CRAVER (2007); einführend MAURER (2014a: Kap. 6.15.02.1)).

1.22 Ferner hat sich seit den neunziger Jahren des 20. Jhdt.'s der deutsche Wissenschaftstheoretiker und Philosoph Klaus MAINZER mit der Theorie der nichtlinearen komplexen Systeme auseinandergesetzt, auch in Verbindung mit Themen aus der Neuroinformatik und Neurophilosophie, der Robotik, der Künstlichen Intelligenz (KI) und des Konnektionismus (MAINZER 1994a, 1999, 2004a, b, 2008, 2010).

1.23 Desweiteren haben seit der Mitte der siebziger Jahre des 20. Jhdt.'s die deutschen Wissenschaftstheoretiker und Philosophen Hans LENK und Günter ROPOHL die Position vertreten, daß die (allgemeine) Systemtheorie mit ihrer Systemanalyse eine die philosophische Analyse überformende neue – oder erneuerte – „Synthetische Philosophie“ mit metatheoretischem Charakter begründet (LENK (1975, 1978, 2001), ROPOHL (1978, 1979, 2005, 2012) mit Hinweis auf den deutschen Wissenschaftstheoretiker und Philosophen Bernulf KANITSCHEIDER (1985/1986 a,b)).

1.24 Mit seiner schon in den zwanziger Jahren des 20. Jhdt.'s begonnenen „Allgemeinen Systemlehre“ hat weiterhin der österreichische theoretische Biologe Ludwig von BERTALANFFY (1949 (1972), 1950a,b, 1953, 1968, 1975) den Versuch unternommen, diese zu einem interdisziplinären Forschungsprogramm weiterzuentwickeln in Gestalt einer „Allgemeinen Systemtheorie“ (“General Systems Theory (GST)”), die allgemeine Gesetzmäßigkeiten, z.B. in Form von (logischen) Homologien und allgemeinen Systemprinzipien, zur Beschreibung von formal gleichartigen Erscheinungen in den verschiedenen Wissenschaftsbereichen bereitzustellen in der Lage ist. Dieses organismische Systemdenken zeichnet sich nun vor allem dadurch aus, daß im Rahmen der Analyse eines Organismus als eines lebenden Systems der Prozeß der materiell-energetischen Systemdynamik in Rückkopplungsschleifen (engl. “feedback”) im Fokus steht, wodurch er als ein offenes System, das sich mit seiner Umwelt im „Fließgleichgewicht“ (engl. “steady state”, “flux equilibrium”) befindet, zu betrachten ist.

Als einen Vorläufer dieses allgemeinen Systemansatzes kann auch der russische Mediziner und Philosoph Alexander BOGDANOV (1922 (1980)) betrachtet werden, der zu Beginn des 20. Jhdt.'s sein Programm einer allgemeinen Organisationslehre, der “Tektology”, entworfen hat.

1.3 Schließlich sind ansonsten bisweilen lediglich einzelne Aspekte einer (allgemeinen) System- und Selbstorganisationstheorie in der Philosophie angegangen worden (s. die Sammelbände: KRATKY & WALLNER (Hrsg.) (1990), NIEGEL & MOLZBERGER (Hrsg.) (1992), PORT & VAN GELDER (Eds.) (1995), KRAPP & WAGENBAUR (Hrsg.) (1997), GLOY, NEUSER & REISINGER (Hrsg.) (1998), EDLINGER, FEIGL & FLECK (Hrsg.) (2000), FELTZ, CROMMELINCK & GOUJON (Eds.) (2006), VEC, HÜTT & FREUND (Hrsg.) (2006), BREUNINGER (Hrsg.) (2008)) (s. z.B. die Einzelabhandlungen in der Philosophie: FISCHER (1990), BACHMANN (1998), HEIDELBERGER (1990), HEUSER (1986, 1989, 1990), ZIEMKE (1992), HOFER (1996)), und in der Wissenschaftstheorie: LENK (1978), ROPOHL (1979), KRATKY (1990), KNOBLOCH (1992), MÜNDEMANN (1992), SCHLOSSER (1993), SCHWEITZER (1997), GLOY (1998a,b), HOFKIRCHNER (1998), OESER (1998), NEUSER (1998), WUKETITS (2000), BUNGE (2000), LORENZEN (2000), ROCKWELL (2005), KRALEMANN (2006), BREIDBACH (2007), FREUND, HÜTT & VEC (2004, 2006), HÜTT (2006), HÜTT & MARR (2006), LIVET (2006), MAURER (2006 (2009), 2014a)).

2. TERMINOLOGISCHE ANALYSE DES SELBSTORGANISATIONSPARADIGMAS

2.1 Im Gegensatz hierzu wird eine Neufassung der philosophischen Begriffsanalyse des (allgemeinen) Selbstorganisationsprinzips vorgenommen (s. z.B. einführend HEYLIGHEN (2001, 1995), HEYLIGHEN & JOSLYN (2001), DI MARZO SERUGENDO et al. (2004), DI MARZO SERUGENDO et al. (2006), HOOKER (2011); s. auch JANTSCH (1980)), orientiert an der theoretischen Terminologie, wie sie in der Mathematik, z.B. in der (allgemeinen) nichtlinearen Dynamischen Systemtheorie (engl. “Dynamic Systems Theory (DST)”), verwendet wird (s. Kap. 1.1, MAURER (2014a): Kap. 1.21, 1.22), und an den neuesten (system-)theoretischen Konzepten aus den Natur- und Humanwissenschaften (MAURER (2014a): Kap. 1.25). Dabei wird eine fluide Konzeption von Selbstorganisationsmechanismen in das Zentrum der Betrachtung gerückt, die in neuester Zeit vor allem in der Neuroinformatik und der komputationalen Neurowissenschaft (MAASS & NATSCHLÄGER & MARKRAM (2002), MAASS (2007), JAEGER ((2002) 2008), WERNING (2001, 2005a, 2005b, 2012), PIPA (2010)), in der kognitiven Neurowissenschaft (PASEMANN (1995, 1996), REMPIS et al. (2013)), SINGER (2013)), in der Kognitionswissenschaft (STROHNER (1995), KURTHEN (1996)) sowie in der theoretischen (Neuro-)Philosophie und Wissenschaftstheorie (BECHTEL (2008), CRAVER (2007), MAINZER (1994a, 2006)), z.B. vor allem im Rahmen eines fluiden Modells der (Neuro-)Kognition (MAURER (2004 (2009), 2006 (2009), 2009, 2014a, 2014b, 2016a,b), zunehmend als entscheidend betrachtet wird.

2.2 Dabei wird im allgemeinen (ASHBY (1962, 2004); GLANSDORFF & PRIGOGINE (1971), NICOLIS & PRIGOGINE (1977): “order through fluctuations”; VON FOERSTER (1960), VON FOERSTER & ZOPF (Eds.) (1962): “order from noise”; KAUFFMAN (1993)) als zentral für das Prinzip der Selbstorganisation der zu beobachtende Sachverhalt angesehen, daß, entgegen dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, relativ (system-)autonom, spontan qualitativ neue, „emergente“ (STEPHAN (1999, 2006), HOYNINGENHUENE (2007), KORNWACHS (2008)) und relativ stabile Strukturen und Prozesse, oder allgemein: (Ordnungs-)Muster bzw. Eigenschaften eines Systems als Ganzem auftreten und aufrechterhalten werden, die – mit Bezug auf die Analyseebene der Systemkomponenten – grundsätzlich nicht ableitbar oder vorhersehbar sind (HEYLIGHEN (2001), EBELING et al. (1998), SCHMIDT (2008)). Diese spontanen Strukturbildungsprozesse entstehen dadurch, daß ein dynamisches System einen Systemzustand höherer Ordnung einnimmt, indem ein „Export von Entropie“ stattfindet, sodaß „die Entropieproduktion auf ein Minimum beschränkt wird” (EBELING (1976, 1982, 1989), EBELING et al. (1990, 1998), SCHRÖDINGER (1944)). Ferner hat man dabei die „konservative Selbstorganisation“ im thermischen Gleichgewicht von der „dissipativen Selbstorganisation“ (PRIGOGINE (1980), NICOLIS & PRIGOGINE (1977)); s. auch von BERTALANFFY (1950b), HAKEN ((1982) 1990) abzugrenzen (JANTSCH (1981), MAINZER (1994a, 1997)). Ein offenes Nichtgleichgewichtssystem, d.h. ein System fern des thermischen Gleichgewichts, zeichnet sich dadurch aus, daß seine Phasenübergänge und die Stabilität seiner (Ordnungs-)Strukturen durch eine kritische Balance aus nichtlinearen und dissipativen Mechanismen bestimmt werden, d.h. sich neue, emergente (makroskopische) (Ordnungs-)Strukturen ausbilden durch eine Vielzahl von komplexen nichtlinearen Wechselwirkungen von (mikroskopischen) Systemelementen, wenn der Austausch von Materie, Energie und Information des offenen dynamischen (dissipativen) Systems mit seiner Umgebung einen kritischen Wert erreicht (MAURER (2014a): Kap. 1.23).

3. CHARAKTERISTIKA VON SELBSTORGANISIERTEN DYNAMISCHEN SYSTEMEN

Ausgehend davon kann man nun eine notwendige, wenn auch nicht hinreichende (Mindest-)Anzahl von (Haupt-)Merkmalen bzw. (Haupt-)Eigenschaften von selbstorganisierten (dynamischen) Systemen aufzählen, die dadurch als ein Ausgangspunkt einer weitergehenden Analyse der (allgemeinen) Prinzipien der Selbstorganisation dienen kann, wobei manche dieser Eigenschaften bei allen physikalischen, physikalisch-chemischen, biochemischen bis hin zu den komplexeren (neuro-)biologischen und (neuro-)kognitiven Systemen anzutreffen sein werden (Kap. 4.1, 4.7, 4.9), während andere vor allem bei letzteren auftreten (Kap. 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6, 4.8).

4. FUNDAMENTALPRINZIPIEN DES SELBSTORGANISATIONSPARADIGMAS

4.1 SYSTEMEMERGENZ BZW. SPONTANE GLOBALE SYSTEMORGANISATION

Eine der grundlegendsten Haupteigenschaften, die der Systememergenz, wie bereits erwähnt, besteht darin, daß sich eine spontane globale Systemorganisation eines (offenen) dynamischen Systems herausbildet, indem auf lokaler Ebene eine hinreichend hohe Anzahl von Systemelementen, d.h. Systemobjekte, Systemattribute, Systemprozesse oder lokale Subsysteme, mittels eines Kohärenz erzeugenden (Prozeß-)Mechanismus miteinander koordiniert interagieren, z.B. über einen korrelativen Synchronisationsmechanismus, wie z.B. bei der Binding-By-Synchrony (BBS) Hypothesis (GRAY & SINGER (1989), SINGER (1999), MAURER (2014a): Kap. 3.4), beim Laser (HAKEN ((1982) 2004, 1988a,b), MAURER (2014a): Kap. 1.25.02) oder bei den Konvektionszellen im BÉNARD-Experiment (BISHOP (2008, 2012)). M.a.W., anhand von recht einfachen, physikalischen Nahbereichs- oder Nachbarschaftsregeln werden anfänglich zufällige und statistisch unabhängige Aktivitäten der Systemkomponenten kausal selbstorganisiert derart graduell ansteigend verstärkt, daß sich mit zunehmender Wahrscheinlichkeit ein komplexerer Gesamtordnungszustand des Systems als Ganzem einstellt, einhergehend mit einem qualitativ neuen Systemverhalten auf einer höheren Analyseebene, wobei diese wiederum vermehrt den einzelnen Systemkomponenten kausal aufgezwungen wird.

4.2 ZIRKULÄRE KAUSALE AUTOKATALYTISCHE UND CROSSKATALYTISCHE SYSTEMDYNAMIK

Diese fluiden, prozessualen Selbstorganisationsmechanismen, auch als „Prozeßstruktur“ bezeichnet (MAURER (2006 (2009)), (2014a), JANTSCH (1979), WOLSTENHOLME (1990), s. auch SCHMIDT (2008)), die die kohärente (Gesamt-)Aktivität der einzelnen Systemkomponenten erzeugen, bestehen – vor allem bei komplexeren physikalisch-chemischen, (neuro-)biologischen und (neuro-)kognitiven Systemen – aus kausalen, zirkulär strukturierten und ineinandergeschachtelten Zusammenschlüssen von positiven oder negativen Rückkopplungsschleifen bzw. Rückkopplungskreisläufen (engl. “feedback loops”), sodaß sich eine zirkulärkausale autokatalytische oder crosskatalytische Systemdynamik entwickeln kann, wie z.B. bei den oszillierenden (chemischen) (Reaktions-)Systemen im Rahmen der sog. „BELOUSOV-ZHABOTINSKY-Reaktion“ und bei den selbstinstruktiven und selbstreproduktiven Biosynthese-(-reaktions-)zyklen, den „Hyperzyklen“, im Rahmen der Selbsterhaltung von biologischer Information in biomolekularen Systemen (EIGEN (1971a), EIGEN & SCHUSTER (1977, 1979)).

Dabei beginnt ein Selbstorganisationsprozeß im allgemeinen mit einem prozessualen Selbstorganisationsmechanismus mit einer positiven, d.h. (sich selbst) verstärkenden Rückkopplung, die zumeist zu einer – mit übermäßiger (Wachstums-)Beschleunigung ablaufenden – stabilen Systemkonfiguration im Sinne eines (Fließ-)Gleichgewichts führt, während ein solcher Prozeß dann mit einer negativen, d.h. (sich selbst) dämpfenden oder (sich selbst) unterdrückenden Rückkopplung, ein dann eintretendes, übermäßig negativ abweichendes Systemverhalten – im Rahmen einer Fehlerkorrektur – zu einer stabileren Systemkonfiguration zurückbringt, wobei im Rahmen einer zirkulärkausalen Analyse noch ein Zeitverzögerungsparameter (engl. “delay”) zwischen den kreisförmig angeordneten Ursachen und Wirkungsbeziehungen zu beachten ist.

4.3 FERN-VOM-GLEICHGEWICHTSDYNAMIK BZW. FLIESSGLEICHGEWICHTSDYNAMIK

Im Gegensatz zu den konservativen Selbstorganisationsmechanismen in der Nähe des thermischen Gleichgewichts bei zumeist physikalisch-anorganischen (abgeschlossenen) Systemen, wie z.B. der Dipolausrichtung eines Ferromagneten (ISING-Modell (HÜTT (2006); HÜTT & MARR (2006)) oder der Kristallisation, erzeugen die fluiden prozessual-zirkulären Selbstorganisationsmechanismen (s. Kap. 4.2) von (offenen) dynamischen Systemen eine Fern-vom-Gleichgewichtssystemdynamik, auch Fließgleichgewichtssystemdynamik genannt (PRIGOGINE (1980), NICOLIS & PRIGOGINE (1977)); s. auch von BERTALANFFY (1950b), HAKEN ((1982) 1990), SCHRÖDINGER (1944); einführend (MAINZER (1999, 1994a,b, 1993, 2005), JANTSCH (1981)). Diese zeichnet sich dadurch aus, daß sich im Rahmen von (positiven und negativen) Rückkopplungskreisläufen Fließmuster bilden, indem andauernd Systemkomponenten im Austausch mit der Systemumgebung derart durchlaufend ersetzt werden, sodaß sich ein beständig sich erhaltendes Fließgleichgewicht einstellt, sofern anhaltend der Austausch von Materie, Energie und Information des Systems mit der Umgebung gewährleistet ist. M.a.W., während man in der klassischen Thermodynamik ein von der Umgebung isoliertes System betrachtet, dessen thermodynamische Entropie gemäß dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nur zunehmen kann, bis es auf Grund von irreversiblen, d.h. zeitlich nicht umkehrbaren, Prozessen in seinen thermodynamischen Gleichgewichtszustand überführt worden ist, entwarf der russisch-belgische Physikochemiker Ilya PRIGOGINE eine nichtlineare Nichtgleichgewichts-Thermodynamik, wonach ein offenes dynamisches System ständig freie Energie mit niegriger Entropie aus der Umgebung derart importiert, daß sich die innere Erzeugung von Entropie und der Export von Entropie an die Umgebung einander die Waage halten, wodurch das System seine interne Systemstruktur unter den Bedingungen „fernab vom Gleichgewicht“ aufrechtzuerhalten vermag, d.h., „das System erneuert sich ständig selbst“ (JANTSCH (1979)). Damit konnte man erstmals spontane Selbstorganisationsprozesse in oszillierenden (chemischen) (Reaktions-)Systemen erklären, wie z.B. der sog. „BELOUSOV-ZHABOTINSKY-Reaktion“, indem, solange ein beständiger Durch...

Inhaltsverzeichnis

• Autor
• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• Abkürzungsverzeichnis
• 1. Wissenschaftsgeschichte des Selbstorganisationsparadigmas
• 2. Terminologische Analyse des Selbstorganisationsparadigmas
• 3. Charakteristika von selbstorganisierten dynamischen Systemen
• 4. Fundamentalprinzipien des Selbstorganisationsparadigmas
• 5. Exkurs: Selbstorganisation(-smechanismen) in der Neurokognition
• 6. Wissenschaftstheoretische Analyse der dynamischen fluiden Selbstorganisationsmechanismen
• 7. Selbstorganisation und „Einheitswissenschaft“
• Literatur
• Impressum