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Selbstorganisation

Diese Aussagen entstammen nicht wissenschaftlichen Veröffentlichungen.

Ich bin kein Fachmann auf dem Gebiet der Selbstorganisation und habe deshalb nur beschränkte Kenntnisse darüber. Wer also genaue Informationen über selbstorganisierende Systeme haben will, wird sie hier nicht erfahren. Jedoch konnte ich aus der Theorie der Selbstorganisation einige interessante Antworten auf verschiedene Fragen gewinnen. Deshalb möchte ich hier einige meiner Erkenntnisse vorstellen.

Grundlagen

Selbstorganisation ist ein Prinzip, das in verschiedenen Systemen, den selbstorganisierenden Systemen, auftritt. Dazu ist es notwendig, dass diese Systeme aus Teilobjekten bestehen, die miteinander in Wechselwirkung treten. Weiterhin muss es noch eine Wechselwirkung zwischen diesem System bzw. dessen Teilobjekten und der Umgebung geben. Somit muss das System ein offenes System sein, d.h., es erfolgt ein Energie- und bei stofflichen Systemen auch ein Stoffaustausch. Weiterhin müssen die Wechselwirkungen nichtlinear sein und das System muss weit vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt sein. Ein thermodynamisches Gleichgewicht ist ein Zustand, in dem die Temperatur, d.h. die mittlere ungeordnete kinetische Energie, d.h. die mittlere Geschwindigkeit überall konstant ist. Somit müssen die Teile eines selbstorganisierenden Systems sich unterschiedlich verhalten. Außerdem muss ein selbstorganisierendes System Entropie nach außen exportieren können. Entropie ist ein Maß für die Unordnung im System und gleichzeitig ein Maß für die Wahrscheinlichkeit eines Zustands dieses Systems. Anders ausgedrückt, ein selbstorganisierendes System muss die Fähigkeit haben, sich im Innern zu ordnen.

Einfache Beispiele

Häufig werden bereits sehr einfache Systeme als selbstorganisierend bezeichnet. Ein einfaches Beispiel ist die Membranbildung, allein bedingt durch den Molekülaufbau der beteiligten Moleküle. Ein weiteres ist die Herausbildung von Strukturen in Flüssigkristallen durch die zwischenmolekularen Wechselwirkungskräfte. Dabei ist es lediglich notwendig, dass das System einen stabilen Zustand, d.h. eine stabile Ruhelage, hat und durch die Wechselwirkung der Teilobjekte das System vom Ausgangszustand aus diesem stabilen Zustand erreichen kann. Weitere eindrucksvolle Beispiele dafür sind Seifenhäute an Drahtgeflechten. Eine Anwendung dafür gibt es im Bauwesen. Wenn das Drahtgeflecht durch Stützen (Pfeiler, Balken o.ä.) ersetzt wird, ist es statisch am günstigsten, die Dachkonstruktion so wie die Seifenhäute zu gestalten. Dies zeigt, dass Selbstorganisation, wenn sie funktioniert, Planungs- und Konstruktionsvorgänge ersetzen kann. Für viele andere Personen sind diese Beispiele noch keine selbstorganisierenden Systeme. Wenn sie erst einmal ihren stabilen Zustand erreicht haben, verändern sie sich nämlich ohne äußere Einwirkungen nicht mehr.

Kompliziertere Formen

Was ich aber eigentlich unter Selbstorganisation verstehe, ist komplexer. Neben den genannten Voraussetzungen müssen die Systeme noch weitere Bedingungen erfüllen. Die Teilobjekte müssen auf ihre Umgebung reagieren können, sie müssen sich verändern und ihre Eigenschaften an andere, eventuell von ihnen neu zu bildende Teilobjekte weitergeben können ("Fortpflanzung, Vererbung und Vermehrung"). Die dazu benötigten Ressourcen (Energie bzw. Stoffe) entnehmen sie aus der Umgebung. In selbstorganisierenden Systemen versuchen die Teilobjekte einerseits, einen stabilen Zustand zu erreichen, andererseits entfernen sie sich durch eigene Änderungen ständig auch wieder aus diesem stabilen Zustand. Je nach System ergibt sich daraus ein unterschiedliches Verhalten. Sollten die Gleichgewichtszustände der Teilsysteme indifferent sein, so sind größere Veränderungen möglich. Ein indifferentes Gleichgewicht ist bekanntlich dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbarzustände ebenfalls Gleichgewichtszustände sind. Wenn dagegen ein Gleichgewichtszustand sehr stabil ist, werden die Teilobjekte nur wenig um diesen schwanken. Welche Zustände wie stabil sind, ergibt sich aus den Umgebungsbedingungen der Teilobjekte. Diese werden einerseits durch die Umgebung des Gesamtsystems, andererseits durch die Zustände der Teilobjekte im Gesamtsystem bestimmt. Wenn sich diese ändern, kann sich auch die Stabilität eines Zustands ändern. Stabile Zustände können sich verlagern oder in mehrere stabile Zustände aufspalten, zwischen denen instabile Zustände liegen. Es ist auch möglich, dass ein lokal stabiler Zustand ganz verschwindet oder neu entsteht. So kann sich ein instabiles Gleichgewicht in 2 instabile Gleichgewichte mit einem dazwischen liegenden stabilen Gleichgewicht verzweigen. Oder es kann gleichzeitig ein stabiles und ein instabiles Gleichgewicht entstehen. Diese Vorgänge können auch umgekehrt ablaufen.

Die nächste Frage ist, ob die Teilobjekte um alle möglichen stabilen (bzw. indifferenten) Gleichgewichtszuständen schwanken oder ob nur gewisse ausgewählt werden. In einem selbstorganisierenden System ergeben sich die zukünftigen Zustände aus dem aktuellen Zustand durch die bisher beschriebenen Veränderungen. Somit werden nur Zustände angenommen, die durch diese Veränderungen erreichbar sind. Außerdem kann die Anzahl der Teilobjekte auch kleiner als die Anzahl der (lokal stabilen oder indifferenten) Gleichgewichtszustände sein. Auch dadurch kann die Anzahl der angenommenen kleiner als die der möglichen Zustände sein. Ein weiteres Auswahlkriterium ergibt sich bei begrenzten Ressourcen.

Wenn die Ressourcen nur im beschränktem Umfang vorhanden sind, kann es zu einem Wettbewerb um die Ressourcen kommen. Dabei gibt es meist keine direkten Auseinandersetzungen zwischen den Teilobjekten, sondern für bestimmte Teilobjekte sind einfach nicht genügend Ressourcen da. So entsteht Auslese. Eine weitere Auslesemöglichkeit besteht darin, dass bestimmte äußere Einflüsse zur Zerstörung der Teilobjekte führen können. Insgesamt werden also bei der Auslese jene Teilobjekte bevorzugt, die die benötigten Ressourcen für sich nutzen können, die den Gefahren am besten widerstehen bzw. die ihre Eigenschaften in ausreichendem Maße weitergeben können. Dafür haben sich verschiedene Vorgehensweisen als sinnvoll erwiesen. Dazu gehören z.B. die Bildung von Gruppen von Teilobjekten, also von Untersystemen, in denen sich die Teilobjekte gegenseitig unterstützen, die sparsamere Verwendung der benötigten Ressourcen, die Nutzung von Ressourcenaneignungs- und Gefahrenabwehrstrategien usw. All dies braucht in selbstorganisierenden Systemen nicht zielgerichtet eingesetzt zu werden. Es reicht aus, wenn diese Strategien per Zufall irgendwann erworben wurden, einen Auslesevorteil bewirkten, deshalb verstärkt weitergegeben wurden und sich so verbreiteten. Mit diesem Veränderungs-Auslese-Prinzip kann auch eine stetige Anpassung an sich ändernde Umgebungsbedingungen erfolgen. Wenn genügend Ressourcen vorhanden und die Gefahren nicht zu groß sind, können nicht nur die bei der Auslese bevorzugten, sondern in geringerem Maße auch die nicht so sehr bevorzugten Teilobjekte überleben und ihre Eigenschaften weitergeben. Bei einer stärkeren Veränderung der Umgebung können aus dieser Entwicklungslinie später bevorzugte Teilobjekte entstehen.

Anwendungen

Beispiele für selbstorganisierende Systeme sind die Organismen einer Art, eines Biotops, eines Ökosystems bzw. der ganzen Erde, die menschliche Gesellschaft bzw. bestimmte Teilgruppen von ihr und die Gesamtheit von Theorien, Meinungen bzw. Auffassungen, beispielsweise zu einem bestimmten Thema. Selbstorganisation kann beispielsweise auch in Computerprogrammen auftreten. Ein weiteres Beispiel sah ich in einer Fernsehsendung. Dabei ging es um Ribonukleinsäuremoleküle. Diese kommen in allen Organismen vor. Bei einfachen Organismen sind sie Träger der Erbinformation. Beim Menschen übertragen sie die Erbinformation aus dem Zellkern zum Ort der Stoffsynthese. In der Fernsehsendung wurde in ein Gefäß mit Ribonukleinsäuremolekülen, die Stränge bilden konnten, ein Stoff gegeben, der diese Stränge im Regelfall zerstört. Nur wenn die Moleküle sich in den Strängen in einer bestimmten Anordnung befanden, wurden diese Stränge nicht zerstört. Innerhalb einiger Minuten befanden sich in diesem Gefäß sehr viele solche Stränge, die nicht zerstört wurden.

Schlussfolgerungen

Wenn das bisher Geschriebene stimmt, heißt das, dass in selbstorganisierenden Systemen sehr gute Lösung für auftretende Probleme erfolgen können, ohne dass irgendeine Zielstellung dahintersteht. Viele Ergebnisse der Selbstorganisation können vom Menschen noch nicht einmal durch zielgerichtete Konstruktion gewonnen werden. Somit kann in selbstorganisierenden Systemen nicht von einer zielgerichteten Entwicklung zu einem festen und von den Umweltbedingungen unabhängigen Ziel die Rede sein, und es ist auch kein äußerer Gestalter notwendig. Somit lässt sich z.B. nicht sagen, dass die Entwicklung immer vom Niederen zum Höheren erfolgt. Wenn sich die Umweltbedingungen ändern, kann ein bisheriger Vorteil zum Nachteil werden und umgekehrt.

Uwe unter fachlicher Beratung von Annette Schlemm
Haftungs Ausschluss

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