Förderkeis Industrie- und Technikgeschichte / ACHEMA 2003

Water crisis
Wir danken Prof. Dr.-Ing. Vollrath Hopp

Von Systemen in der Natur

Definitionen von Begriffen
Ein System ist eine abgegrenzte und gegliederte Anordnung von Bau- oder/und Funktionselementen, die alle durch verknüpfte Wechselwirkungen miteinander im Zusammenhang stehen und voneinander abhängig sind.
Schert eines dieser Elemente aus der Anordnung aus oder zeigt es ein nicht reparables systemfremdes Verhalten, dann wird das System funktionsunfähig oder es bricht in sich zusammen.
Bau- und Funktionselemente können Gedanken, Begriffe, Kräfte, Materie- bzw. Stoffteilchen und Zellen sein.
- Systemlehre
  Die Systemlehre stellt die Zusammenhänge in den Vordergrund, weniger die isolierten Einzelelemente.
  Systemdenken heißt Denken in Vorgängen, in Zusammenhängen und im Kontext.
- Biologisches System
  Ein biologisches System ist eine abgegrenzte Zelle oder eine gegliederte Anordnung von Zellen, die sich fortpflanzen, regenerieren und sich bei Störungen aus sich selbst heraus reparieren (heilen).
  Lebewesen (species) manifestieren sich als Zellenstaat, das ist eine hochorganisierte Gemeinschaft von sehr vielen und verschiedenen Zellindividuen.
  Ein wesentliches Charakteristikum lebender Organismen und sozialer Systeme ist ihre Fähigkeit, sich der Umwelt anzupassen.
  Höhere Organismen sind zu drei Anpassungsarten fähig:
  1. Stressüberwindung, d.h. kurzfristige Belastung, Anpassung durch Inflexibilität.
  2. Somatischer Wandel, Anpassung an Dauerbelastung durch Flexibilität.
  3. Anpassung der Arten durch Evolution, d. h. Mutation und Selektion bzw. genetische Veränderungen.
Wesentliche Eigenschaften des biologischen Systems
- Biologische Systeme sind offene Systeme. Sie stehen mit ihrer Umgebung im ständigen Energie-, Stoff- und Informationsaustausch, die unter dem Begriff des Stoffwechselprozesses zusammengefasst werden. Daraus folgt, dass Leben an Stoff- und Energiesysteme gebunden ist (Abb. 1).
  Ihre Umwandlungsprozesse sind irreversibel, d.h. einseitig gerichtet und immer zukunftsorientiert.
  Diese einseitige Zukunftsorientierung äußert sich in der Fortpflanzung (Reproduktion) und der Fähigkeit der begrenzten Selbsterneuerung von Organen (Heilung von Verletzungen).
- Biologische Systeme sind somit auch regenerative Systeme, deren Rhythmen die Generationsfolgen einer Spezies sowie von biologischen Systemen sind. Rhythmen sind das Zeitmaß für biologische Prozesse.
  Dynamische Prozesse von biologischen Systemen, einschließlich die des Menschen, müssen in Generationsfolgen dargestellt werden.
  Die Zeitphase „eine Minute“ hat bei einem Mikroorganismus eine andere Bedeutung als die von einer Eintagsfliege oder die von einem Menschen. Zeitlich adäquat ist die Generationsphase von 20 min eines Escherichia Coli zu der von 12 Stunden einer Eintagsfliege und der Generationsphase von 20 Jahren beim Menschen.
  Nimmt man die Existenz des homo sapiens seit ca. 3 Mio. Jahren an, so hat er bis zur Gegenwart 150 000 Generationen durchlebt, mutiert und selektiert und ist zu dem geworden, wie er sich heute begreift. Dagegen benötigen Bakterien mit einer Generationsphase von 20 min für 150 000 Generationsfolgen eine relative Zeit von 5,7 Jahren wen verwundert da noch die relativ schnelle Mutationsfähigkeit von Mikroorganismen bzw. die Entwicklung ihrer Resistenz gegenüber toxischen Substanzen, wie z.B. Antibiotika? Der Mensch muss seinen Zeitbegriff relativieren, um zu neuen Erkenntnissen über Biologie, Wirtschaft und Gesellschaft zu gelangen.
- Die Zeit ist im biologischen Sinne eine Abfolge von Ereignissen, die Stoffe und Energie umwandeln. Ein Teil der Energie wird dabei in irreversible Formen, wie z.B. Wärmeenergie überführt. Sie erhöht die Gesamtentropie der Umgebung. Die Generationsfolgen ermöglichen den biologischen Systemen, dass sie sich vorübergehend entgegen dem Entropiesatz entwickeln. Nach dem Ablauf einer Generationsphase (Abb. 2) mündet der Lebensverlauf einer Spezies in die Auflösungsphase, d.h. in den Zerfall bzw. der Dissipation und damit in eine Entropiesteigerung.
  Die Offenheit der biologischen Systeme beinhaltet auch, dass es keine Begrenzung der biologischen Vielfalt an Formen, Strukturen, Komplexität und Spezien gibt. Sie sind gekennzeichnet durch innovative Entwicklungen. Alles ist möglich, was Leben erzeugt und erhält, sowohl im Mikro- als auch im Makrobereich. Die Anzahl der Freiheitsgrade für die Gestaltung von Leben ist in einem offenen System unerschöpflich. Auftretende angebliche Fehlentwicklungen oder sogenannte Schwachstellen innerhalb einer Spezies sind zugleich die Chance für sich entwickelnde neue Systeme.
- Biologische Systeme sind somit auch innovative Systeme. Eine Bewertung nach Qualität schließt sich von selbst aus. Sie erfordert ein biologisches Wertesystem, das es nicht gibt. Jede Spezies und jedes Teilsystem hat ihre arteigene spezifische Qualität. Auf molekularer Ebene zeigen sich die innovativen Entwicklungen durch verändernde Variationen und Kombinationen der Bausteine der Biopolymeren wie Kohlenhydrate, Phospholipide, Proteine, DNS, Nukleinsäuren u. a. (Abb. 3 u. Abb. 4).
  Innovative Systeme beinhalten auch das evolutionäre Potential. Das ist die vererbbare Fähigkeit, sich veränderten Lebensbedingungen zur Stärkung der Überlebenschancen anzupassen.
  Typische Kriterien der biologischen Evolution sind die Mutation und Selektion. Ihr eigen sind die Selbsterneuerung, Selbstorganisation, Selbststeuerung und Fortpflanzung.
- Biologische Systeme sind symbiotische Systeme. Im weitesten Sinne stehen die biologischen Systeme und dessen Spezies im wechselseitigen Abhängigkeitsverhältnis zum gegenseitigen Nutzen. Jedes Teilsystem nutzt einem anderen, sie ergänzen sich.
- Schlussfolgerungen
  Im biologischen Sinne gibt es keine Fehlentwicklungen. Jede Spezies und jedes Teilsystem ist in sich gleichwertig und trägt zur Aufrechterhaltung des gesamten biologischen Systems bei. Aus menschlicher Sicht kann die Evolution der Vergangenheit gedanklich nachvollzogen werden. Das evolutionäre Ziel für die Zukunft ist dagegen nicht auszumachen.
  Daraus folgt weiter, dass Krankheiten nicht ausgerottet werden. Es können immer nur Heilmittel entwickelt werden, um Krankheitsursachen und -symptome zu erkennen, zu lindern oder vorübergehend zu heilen. Das Evolutionspotential der biologischen Systeme ist unerschöpflich, so dass das Auftreten neuer Krankheiten und ihre Bekämpfung zu keiner Zeit beendet sein wird.
  
  Abb. 1: Essentielle Eigenschaften biologischer Systeme
  Entwurf: Prof. Dr.-Ing. Vollrath Hopp
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  Abb. 2: Irrevesible biologische Phasenumwandlungen als fließende Übergänge
  Entwurf: Prof. Dr.-Ing. Vollrath Hopp
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  Abb. 3: Das Fließgewicht im Ökosystem Boden-Mikroorganismen-Pflanzen-Tier und Mensch
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  Abb. 4: Wichtige Kohlenhydrate in der Natur
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  Zellulose ist der am häufigsten vorkommende Naturstoff. Ihr Baustein ist Glucose.

Life Sciences – Lebenswissenschaften

Definition
Lebenswissenschaft ist eine Ganzheitswissenschaft, sie umfaßt alle Wissenschaften, die den Menschen mittelbar oder unmittelbar betreffen. In den Mittelpunkt aller ihrer Betrachtungen stellt sie den Menschen auf der Suche nach Erkenntnissen über sich selbst und sein Verhalten in der Umwelt und seine Wechselbeziehungen mit der Natur.
Dieses bedeutet nicht, dass der Mensch zum Maßstab und zur Bezugsgröße für die Beurteilung der Umwelt und der ihn umgebenden biologischen Systeme wird. Durch die Lebenswissenschaften wird der Mensch in die Pflicht genommen, sich als Teil aller biologischen Systeme zu begreifen. Dadurch wird für ihn der Weg geöffnet, zu erkennen, dass seine optimalen Lebens- und Überlebensbedingungen nur in der Erhaltung und der gegenseitigen Ergänzung aller Systeme liegen (Abb. 5).
Das schließt auch seine soziale und psychologische Komponente mit ein. Sie wird den Menschen mit zunehmender Weltbevölkerung bewusst werden. Die Erhaltung der optimalen Regenerationsfähigkeit aller biologischen Systeme im weitesten Sinne ist das Aufgabenfeld der Lebenswissenschaften.
Wie vermag der Mensch sich auf begrenztem Lebensraum einzurichten, um mit seinen Nachbarn ohne Aggressionen zusammenleben zu können.

Interdisziplinarität

Die Lebenswissenschaften umfassen Themen aus der Biologie, Biochemie, Gentechnik, Biotechnik, Pharmakologie, Ökologie, Ökotrophologie, Agrikultur, Medizin, Soziologie und Psychologie. Das ist mehr als interdisziplinär, das ist Ganzheitswissenschaft. Die Gesamtheit ist mehr als die Summe der Teile (Heisenberg, Werner, 1901–1976, in Der Teil und das Ganze (1969), R. Piper u. Co. Verlag, München).
Allen diesen vordergründig so unterschiedlichen Disziplinen ist eines gemeinsam: Sie befassen sich mit Stoffen der biologischen Systeme allgemein und mit Wirkstoffen im speziellen. Die oben genannten Teilwissenschaften beobachten und untersuchen die Wechselbeziehungen zwischen den Energieträgerstoffen und den spezifisch reagierenden Wirkstoffen, z. B.

Mikroorganismen, Pflanze, Tier, Mensch Stoffwechselprozesse

Pflanzen und Boden Saat, Düngemittel, Pflanzenschutzmittel

Wild, Nutz- und Haustiere Futtermittel, Tierarzneien, Impfstoffe

Mensch Nahrungsmittel, Hygieneschutzmittel, Arzneimittel, Impfstoffe

Besonders großes Interesse wird den Sekundärmetaboliten gewidmet. Das sind Stoffwechselparallelprodukte der Zelle, die aus dem Stoffwechselzyklus ausgeschieden werden. Sie zeichnen sich häufig durch seltene spezifische Wirkstoffeigenschaften aus. Eine weitere Gemeinsamkeit besteht in der Energetik des Stoffwechsels, die mit Hilfe der Gesetze der freien Reaktionsenthalpien, der Entropie sowie der Wärmeenergie beschrieben werden können.
Einen Überblick über die Energieträgerstoffe ist relativ leicht zu gewinnen: Kohlenhydrate, Zellulose, Fette, Proteine sowie deren Zwischen- und Abbau- und Aufbauprodukte (Abb. 3 u. Abb. 4).
Schwieriger wird es bei den natürlichen und synthetischen Wirkstoffen. Die Zahl der chemischen Stoffklassen und der damit einhergehenden biochemischen Eigenschaften sind aufgrund der verschiedenen funktionellen Gruppen, des unterschiedlichen Molekülaraufbaus und der Molekularstruktur um Zehnerpotenzen größer.
Hier gilt es u. a. innerhalb der biologischen Systeme, den Mechanismus zwischen Rezeptor und der aktiven Wirkstoffstruktur herauszufinden, um dann schließlich gemeinsame Reaktionsstrategien zu erkennen.

Technologie der Lebenswissenschaften
Die praktische Seite der Lebenswissenschaften konkretisiert sich in ihrer Technologie, die eine komplexe Verknüpfung der Biotechnologie und Gentechnologie mit der

Nahrungsmitteltechnologie,
Landwirtschaft,
Pharmakologie und Medizin,
Kosmetika und
dem Pflanzenschutz u. a: ist.
Bevölkerungswachstum und ihre Folgen
Nahrung - Gesundheit - Umwelt
Versorgung mit ausreichendem Wasser, Nahrungsmitteln, Sicherung der Gesundheit und Erhaltung der Regenerationsfähigkeit der Natur sind die zentralen Forderungen an die Menschen in der Zukunft.
Die Stoff- und Energievorgaben in der Natur haben die Versorgung der Menschheit mit physiologischer Energie, d.h. Nahrung und technischer Energie problematisiert und damit Grenzen gesetzt.
- Der Mensch vermag keine Zellulose als Nahrungsmittel zu nutzen, obwohl sie überreichlich von der Natur dargeboten wird. Sein Enzymsystem ist nicht geeignet, Zellulose abzubauen wie es z.B. die Wiederkäuer (Rinder, Ziegen, Schafe u.a.) vermögen.
- Von allen Energiearten nimmt die Wärmeenergie eine Sonderstellung ein. Es ist nicht möglich, die Wärmeenergie vollständig in die anderen freien Energieformen zu überführen. Ihre Nutzung als Arbeit ist begrenzt. Der 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik formulieren dieses Naturgesetz.
  Regenerationsfähigkeit der Natur - Wasser, Luft und fruchtbarer Boden - das ist mehr als integrierter Umweltschutz und Recycling. Sie schließt auch den Menschen mit ein, sowohl sein körperliches Erholungspotential, als auch seine soziale Mentalität, die ihn erst zum aktiven Leben anregt und motiviert.
- Von einer makroskopischen Betrachtung der biologischen Systeme zu einer mikroskopischen – zum Nanosystem.
  Aus der Sicht der Evolution ist erst die mikroskopische Welt entstanden, die sich danach als Makrowelt manifestiert hat (Abb. 6).
  Mit zunehmenden naturwissenschaftlichen Erkenntnissen erfährt der Mensch, dass seine ihn umgebende Welt sowie seine technischen Erfindungen und Entwicklungen ein grobes Abbild der biologischen Mikrowelt der Nanogramm-Dimensionen sind. Biologische Vorbilder werden in Zukunft den Weg zu weiteren Verbesserungs- und Optimierungsinnovationen eröffnen (Abb. 7).
  Neue technische Prozesse mit ihren Apparaten, Geräten, Maschinen und Kontrollsystemen werden sich mehr und mehr an biologischen Vorgaben für eine optimale menschenadäquate Gestaltung orientieren. Das gilt z. B. für die Herstellung von Gebrauchsgegenständen, technische Ausrüstungen für den Bau von Produktionsanlagen und für das Handhaben von Kommunikationsnetzen.
  
  Abb. 5: Lebenswissenschaften, ein interdisziplinäres Arbeitsgfeld gegen Durst, Hunger und Krankheit
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  Abb. 6: Evolutionsspirale - von den Bioelementen zu den komplexen Strukturen
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  Abb. 7: Größenordnungen Makro- und Nanosystemen
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Erläuterungen:

Nanotechnologie ist die Lehre von der technischen und biologischen Nutzung stofflicher und energetischer Wechselwirkungen zwischen Teilchen auf der molekularen und atomaren Ebene. Sie untersucht Systeme in Technik und Natur und führt ihre Eigenschaften auf die Verhaltensweisen von elementaren Bestandteilen zurück, wie z.B. Kleinstpartikel, Oberflächenstruktur, Membranen, Zellen, Energiequanten u.a. Deshalb ist Nanotechnologie eine interdisziplinäre Wissenschaft.

Logik ist die Lehre von den formalen Regeln folgenrichtigen Denkens.
logos (grch.) – Wort – Rede.

Technik sind schöpferische Maßnahmen, Verfahren, Einrichtungen und Anwendungen zur Handhabung der von der Natur gebotenen Energien und Rohstoffe.
techne (grch.) – Kunst, Fertigkeit

Technologie ist die Lehre von der zweckmäßigen Nutzung der Naturgesetze über Energie und Stoffe sowie von deren Zusammenhängen zur Entwicklung von technischen Einrichtungen und Verfahren.

nano bezeichnet als Vorsilbe den milliardsten Teil einer Maßeinheit, z.B. 10^-9 Meter = 1 milliardstel Meter; hergeleitet von nanus (lat.) – Zwerg.

Die Entropie ist ein Maß für den Unordnungsgrad eines stofflichen Systems bzw. für die Nichtverfügbarkeit von Energie durch Zerstreuung, Verteilung oder Ausbreitung über alle Grenzen des Systems hinaus (s. Schaltegger, S. 287 (Schaltegger, H. (1984), Theorie der Lebenserscheinunhgen, S. Hirzel Verlag, Stuttgart))

Was ist Unordnung?

Unordnung ist ein Maß für die Vielzahl der verschiedenen Möglichkeiten von Zuständen, die ein Stoffsystem einnehmen kann (Lit. Hermann Haken).

Unordnung ist ein Maß der Wahrscheinlichkeit für die Vielzahl von Zuständen, die ein Materiesystem einnehmen kann.

Phasenübergänge sind Übergänge von Unordnung zur Ordnung und umgekehrt. Entropie ist auch ein Maß für die Energiequalität, d.h. für die Energieintensität. Große Entropieänderungen erfolgen immer bei hoher Qualitätsminderung, wenn z.B. Wärme von einem Reservoir mit hoher Temperatur auf ein Reservoir mit niedriger Temperatur übergeht (Atkins, S. 105).

Entropie ist diejenige Energiemenge, die nicht mehr in Arbeit umgewandelt werden kann (Lit. Rifkin).

Die Entropie ist ein mikroskopisch ewiger Ungleichgewichtszustand und statistisch makroskopisch ein finaler Gleichgewichtszustand. Diese Definition wird als das Boltzmann-Maxwellsche Gleichgewicht (Boltzmann, Ludwig (1844-1906), österr. Physiker, Maxwell, James Clark (1831-1878), engl. Pyhsiker) bezeichnet (s. H. Schaltegger, S. 24).

Schlussbemerkung

Lebende Systeme können mit den Gesetzen von den Energien (Thermodynamik) und Stoffen (Chemie) beschrieben werden. Aber Leben ist mehr! Was ist dieses mehr? (Abb. 6)

Literaturhinweise

[01] Aristoteles, Physik V, 1 225 a 34.
[02] Atkins, P. W. (1981), The Creation, W. H. Freeman and Company Limited, Oxford, dtsch. Ausgabe: (1984), Schöpfung ohne Schöpfer, Copyright Rowohlt Verlag GmbH, Reinbeck bei Hamburg. (1995) The periodic kingdom, A journay into the land of the chemical elements, Orion Group Ltd./Basic Books, dtsch. Ausgabe: 1997, Im Reich der Elemente: ein Reiseführer zu den Bausteinen der Natur, Spektrum Akademischer Verlag GmbH, Heidelberg, Berlin.
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[15] Rifkin, J. (1980), Entropy, a new world view, Foundation on Economic Trends, published by arrangement with the Viking Press, 27 Wright Lane Londeon W8 TZ.
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