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The paper addresses the formation of striking patterns within originally near-homogenous tissue, the process prototypical for embryology, and represented in particularly puristic form by cut sections of hydra regenerating a complete animal with head and foot. Essential requirements are autocatalytic, self-enhancing activation, combined with inhibitory or depletion effects of wider range - “lateral inhibition”. Not only de-novo-pattern formation, but also well known, striking features of developmental regulation such as induction, inhibition, and proportion regulation can be explained on this basis. The theory provides a mathematical recipe for the construction of molecular models with criteria for the necessary non-linear interactions. It has since been widely applied to different developmental processes.
Der Artikel verweist auf die eindrucksvollen Beiträge moderner bewusstseinsnaher Hirnforschung zum Verständnis höherer Leistungen und Fähigkeiten des menschlichen Gehirns, geht dann aber auf Gründe für prinzipielle Grenzen einer naturwissenschaftlichen Erklärung unseres Bewusstseins ein. Insbesondere stehen entscheidungstheoretische Gründe vermutlich einer vollständigen Dekodierung der Gehirn-Geist-Beziehung entgegen, zumal hinsichtlich selbstbezogener Aspekte. Dies impliziert unter anderem, dass dem Einstieg in fremdes Bewusstsein Grenzen gesetzt sind, was die Gedanken, das Wissen und den Willen Anderer angeht - und doch gibt es oft zu wenig Bescheidenheit und Zurückhaltung im Urteil über angeblich genau bekannte fremde Motive.
Physical principles underlying biological pattern formation are discussed. In particular, the combination of local self-enhancement and long-range (“lateral”) inhibition (Gierer and Meinhardt, 1972) accounts for de-novo pattern formation, and for striking features of developmental regulation such as induction, spacing and proportion regulation of centers of activation in tissues and cells. Part I explains physical principles of spatial organisation in biological development. Part II demonstrates in mathematical terms that and how short-range activation and long-range inhibition are conditions for the generation of spatial concentration patterns. The conditions can be expressed in terms of ranges, rates and orders of reactions. These conditions, in turn, can also be derived by analysis of dynamic instabilities by means of Fourier waves, showing the neither obvious nor trivial relation between the latter approach and the theory based primarily on autocatalysis and lateral inhibition.
Unsere Kulturfähigkeit ist ein Ergebnis der biologischen Evolution der Spezies “Mensch”; die einzelne Kultur selbst jedoch ist ein Produkt gesellschaftlicher Entwicklungen, Differenzierungen und Traditionen. Der Kulturvergleich zeigt uns erhebliche Spielräume für Ausprägungen von Gemeinsinn. Da dessen Aktivierung wesentlich zur Lebensqualität einer Gesellschaft beiträgt, sind Versuche einer realistischen Einschätzung kultureller Gestaltungsspielräume in dieser Hinsicht sinnvoll. Sie sind nicht zuletzt durch die biologischen Grund- und Randbedingungen der Spezies Mensch gegeben und begrenzt, zumal hinsichtlich von Anlagen zu altruistischem und kooperativem Verhalten. Während bis vor kurzem Soziobiologen und Sozialwissenschaftler oft wenig Neigung zu gegenseitigem Verständnis zeigten, zumal manche Biologen relativ extreme Theorien über genetisch angelegte egoistische Verhaltensanlagen vertraten, verstehen sich neuere, durch die Spieltheorie beeinflusste und sehr allgemeine psychische Disposition betonende Linien soziobiologischen Denkens dazu, auch ausgesprochen freundliche Eigenschaften unserer Spezies zu erklären und zu begründen. Sie kommen sozialwissenschaftlichen Bestrebungen entgegen, zum Beispiel in Zusammenhang mit Theorien begrenzt rationalen Verhaltens, in denen die Fairness eine wesentliche Rolle spielt. Besondere Aufmerksamkeit verdienen in diesem Zusammenhang die biologisch angelegte Fähigkeit zu kognitionsgestützter Empathie sowie die fragile Anlage “Vertrauensbereitschaft”, von denen die Effizienz und das Wohlbefinden in einer Gesellschaft wesentlich abhängen. Insgesamt kann eine - keineswegs unkritische - Beachtung evolutionsbiologischer Aspekte menschlicher Verhaltensdispositionen zu einer realistischen Einschätzung der knappen Ressource “Gemeinsinn” beitragen. Sie ist in Grenzen durchaus ein auch in der Natur des Menschen angelegtes Potential. Dies ist jedoch - unter Beachtung eben dieser Grenzen - behutsam zu aktivieren. Moralische Überforderungen, welche die natürlichen Anlagen des Menschen missachten, sind kontraproduktiv.
Modern brain research related to consciousness has resulted in many interesting in- sights, for example into the neurobiological basis of attention and of language. In biological terms, human consciousness appears as a system’s feature of our brain, with neural processes strictly following the laws of physics. This does not necessarily imply, however, that there can be a general and comprehensive scientific theory of consciousness. Predictions of the extent to which such a theory may become possi- ble vary widely in the scientific community. There are reasons - not only practical but also epistemological - why the brain-mind relation may not be fully decodable by finite procedures. In particular, analogies with mathematical theorems of un- decidability suggest that self-referential features of consciousness, such as multiple self-representations like those involved in strategic thought, may not be fully resolv- able by brain analysis. Assuming such limitations exist, this implies that ob jective analysis cannot exhaust sub jective experience in principle. A person’s consciousness and will are accessible to external observation only within limits. In some respects, we do not even learn to know ourselves except by our actions. It thus appears that a scientific look at consciousness and the human mind, combining universal physi- calism with epistemological scepticism, is not inconsistent with certain concepts of sub jectivity that are current in the humanities, despite all the differences in the style and terminology of discourse.
Die volle Anwendbarkeit der Physik auf die Biologie des menschlichen Gehirns bedeutet nicht notwendig, dass es ein finitistisches und zugleich vollständiges, algorithmisches Verfahren der Korrelation mentaler mit physikalischen Zuständen geben kann. Vielmehr gibt es Gründe für die Hypothese, dass eine umfassende Theorie der psychophysischen Beziehung prinzipiell unmöglich sein könnte. Diese Auffassung verbindet die Universalität der Physik mit der logischen Begrenztheit des menschlichen Denkens (z. B. in Bezug auf sich selbst) und betrachtet Bewusstsein - die ursprünglichste menschliche Erfahrung - nicht als Randphänomen. ++++ Die Zeitschrift RATIO erschien bis 1987 in einer deutschen und in einer englischen Ausgabe. Die englische Version des Artikels lautet: A. Gierer, The physical foundations of biology and the problems of psychophysics. RATIO XII, No. 1, 1970. S. 47-64.
Die moderne Naturwissenschaft zeigt eindrucksvoll die große Reichweite des menschlichen Denkens - sie wirft aber auch die Frage nach ihrer menschengerechten Anwendung auf und führt an unüberwindliche Grenzen jeder Erkenntnis. Tragweite und Grenzen der Wissenschaft verweisen uns zurück auf uralte Fragen der Philosophie, zum Beispiel auf die Suche altgriechischer Denker nach den Urprinzipien der Natur oder auf das „Wissen vom Nichtwissen“ des Nikolaus von Kues. Der Blick auf 2500 Jahre Geschichte des Denkens über die Natur soll dabei helfen, die moderne Naturwissenschaft wieder in die großen Sinn- und Wertzusammenhänge menschlichen Lebens zu stellen.
In diesem Buch zeigt der Physiker und Biologe Alfred Gierer - er ist Direktor am Max-Planck- Institut für Entwicklungsbiologie - die Reichweite, aber auch die prinzipiellen Grenzen naturwissenschaftlichen Denkens auf. Beides wird nirgends so deutlich wie im Verhältnis der Biologie zur Physik: Hier stellen sich die Fragen, was Leben ist, wie es entstand und sich bis zur Höhe des Menschen entwickelte, wie der Reichtum der Formen zu verstehen ist und in welcher Beziehung das Bewußtsein, die “Seele”, zu einem wissenschaftlichen Verständnis der Lebensvorgänge steht. “Die Physik, das Leben und die Seele” informiert über diese wichtigen Zusammenhänge in allgemeinverständlicher Form und regt in besonderem Maße die Freude am kritischen Mitdenken an. Das Buch schlägt einen weiten Bogen von der Grundlagen der Physik und Logik über die neuen Erkenntnisse der Biologie bis zu der Frage, was uns die Naturwissenschaften über den Menschen und sein Bewußtsein lehren können - und was nicht.
Aside from the increasing, impressive evidence on chemical identification of graded molecules involved, it is the capability of axons for approaching the target position from different aspects in a two-dimensional field which is per se a strong indication for the involvement of gradients. Targeting requires, in the target field, counter-graded effects, either by antagonistic gradients, or by a single gradient in each dimension exerting attractive effects at low, reverting to inhibitory (repulsive) effects at high concentrations. A further requirement for mapping is the modulation of the counter-graded effects by components of the growth cone itself which depends on the origin of the corresponding axon.Transduction and processing of graded signals in the navigating growth cones are proposed to be strongly enhanced by intra-growth-cone pattern formation. The concept also encompasses regulatory and branching processes including the formation of the terminal arbors.
Ancient Greek philosophers were the first to postulate the possibility of explaining nature in theoretical terms and to initiate attempts at this. With the rise of monotheistic religions of revelation claiming supremacy over human reason and envisaging a new world to come, studies of the natural order of the transient world were widely considered undesirable. Later, in the Middle Ages, the desire for human understanding of nature in terms of reason was revived. This article is concerned with the fundamental reversal of attitudes, from “undesirable” to “desirable”, that eventually led into the foundations of modern science. One of the earliest, most ingenious and most interesting personalities involved was Eriugena, a theologian at the Court of Charles the Bald in the 9th century. Though understanding what we call nature is only one of the several aspects of his theological work, his line of thought implies a turn into a pro-scientific direction: the natural order is to be understood in abstract terms of ‘primordial causes’; understanding nature is considered to be the will of God; man encompasses the whole of creation in a physical as well as a mental sense. Basically similar ideas on the reconciliation of scientific rationality and monotheistic religions of revelation were conceived, independently and nearly simultaneously, by the Arab philosopher al-Kindi in Bagdad. Eriugena was more outspoken in his claim that reason is superior to authority. This claim is implicit in the thought of Nicholas of Cusa with his emphasis on human mental creativity as the image of God’s creativity; and it is the keynote of Galileo’s ‘Letter to the Grand Duchess Christina’ some 800 years later, the manifesto expressing basic attitudes of modern science. This article in English is based on the monography (in German): A. Gierer “Eriugena, al-Kindi, Nikolaus von Kues - Protagonisten einer wissenschaftsfreundlichen Wende im philosophischen und theologischen Denken”, Acta Historica Leopoldina 29 (1999), Barth Verlag in MVH Verlage Heidelberg, ISBN: 3-335-00652-6
Naturwissenschaftliches Denken, wie es von altgriechischen Naturphilosophen begründet und in der Antike weiterentwickelt wurde, verfiel mit dem Aufstieg der monotheistischen Offenbarungsreligionen, die die Neugier auf die natürliche Wirklichkeit als eitle Bemühung ansahen, welche nichts zum Seelenheil beitrage. Die neuzeitliche Naturwissenschaft nahm ihren Ausgang in der Renaissance, die die kreativen Fähigkeiten des menschlichen Denkens wiederentdeckte. Sie verdankt aber auch sehr viel dem Aufbruch philosophisch-theologischen Denkens im Mittelalter, der dem „Buch der Natur“ eine Anerkennung als gleichberechtigten Zugang zur Wahrheit neben dem „Buch der Offenbarung“ verschaffte. Die ersten Ansätze hierzu zeigen sich besonders im Werk eines überragenden, wenn auch oft verkannten Denkers des 9. Jahrhunderts - Johannes ERIUGENA. Er postulierte den Vorrang der Vernunft vor der Autorität, erlaubte sich sehr weitgehende sinngemäße Interpretationen biblischer Überlieferungen und sah die Erkenntnis der natürlichen Wirklichkeit mit Begriffen menschlicher Vernunft als gottgewollt und gottgegeben an. Der Mensch selbst sei die Zusammenfassung der gesamten Schöpfung. Gleichzeitig und unabhängig von ERIUGENA forderte AL-KINDI in Bagdad - auf der Grundlage ähnlichen Wissens und ähnlicher philosophischer Ideen - die positive Bewertung wissenschaftlicher Bemühungen ein. In der frühen Renaissance war es besonders CUSANUS, der Ideen von ERIUGENA aufnahm. Mit der Betonung der menschlichen Kreativität, der Forderung nach quantitativen Experimenten, besonders aber mit seiner Philosophie des positiven Wissens um die Grenzen des Wissens, ging CUSANUS aber auch wesentlich über ERIUGENAs Gedanken hinaus. Als dann, über sieben Jahrhunderte nach ERIUGENA, GALILEI die moderne Naturwissenschaft begründete, rechtfertigte er sein freizügiges Denken im „Brief an CASTELLI“ mit Argumenten, die in erstaunlichem Maße mit Vorstellungen ERIUGENAS übereinstimmen.+++++++ An abbrived English version is also available online (17 pages): <a href="http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:b4360-1001048">Alfred Gierer (2000), Eriugena and al-Kindi, Nineth century protagonists pro-scientific cultural change</a>.
Applying mild methods of preparation, part of the ribosomes of rabbit reticulocytes are found in aggregates (later called polyribosomes) of up to six ribosomal units. Upon treatment with RNA-ase, they desintegrate into single ribosomes. The fast-sedimenting aggregates are found to be more active in protein synthesis in terms of incorporation of radioactive amino acids, whereas the single ribosomes are more receptive to stimulation by the artificial messenger RNA poly-U. The findings indicate that the linkage of ribosomes into aggregates is due to the messenger RNA. They support a tape-reading mechanism of protein synthesis whereby growth of the peptide chain is accompanied by shifting the active site of the ribosome from one coding group of nucleotides of the messenger RNA to the next.
Modern science, based on the laws of physics, claims validity for all events in space and time. However, it also reveals its own limitations, such as the indeterminacy of quantum physics, the limits of decidability, and, presumably, limits of decodability of the mind-brain relationship. At the philosophical level, these intrinsic limitations allow for different interpretations of the relation between human cognition and the natural order. In particular, modern science may be logically consistent with religious as well as agnostic views of humans and the universe. These points are exemplified through the transcript of a discussion between Kurt Gödel and Rudolf Carnap that took place in 1940. Gödel, discoverer of mathematical undecidability, took a proreligious view; Carnap, one of the founders of analytical philosophy, an antireligious view. By the time of the discussion, Carnap had liberalized his ideas on theoretical concepts of science: he believed that observational terms do not suffice for an exhaustive definition of theoretical concepts. Then, responded Gödel, one should formulate a theory or metatheory that is consistent with scientific rationality, yet also encompasses theology. Carnap considered such theories unproductive. The controversy remained unresolved, but its emphasis shifted from rationality to wisdom, not only in the Gödel-Carnap discussion but also in our time.
Biological evolution and technological innovation, while differing in many respects, also share common features. In particular, the implementation of a new technology in the market is analogous to the spreading of a new genetic trait in a population. Technological innovation may occur either through the accumulation of quantitative changes, as in the development of the ocean clipper, or it may be initiated by a new combination of features or subsystems, as in the case of steamships. Other examples of the latter type are electric networks that combine the generation, distribution, and use of electricity, and containerized transportation that combines standardized containers, logistics, and ships. Biological evolution proceeds, phenotypically, in many small steps, but at the genetic level novel features may arise not only through the accumulation of many small, common mutational changes, but also when distinct, relatively rare genetic changes are followed by many further mutations. New evolutionary directions may be initiated by, in particular, some rare combinations of regulatory sections within the genome. The combinatorial type of mechanism may not be a logical prerequisite for biological innovation, but it can be efficient, especially when novel features arise out of already highly developed systems. Such is the case with the evolution of general, widely applicable capabilities of the human brain. Hypothetical examples include the evolution of strategic thought, which encompasses multiple self-representations, cognition-based empathy, meta-levels of abstraction, and symbolic language. These capabilities of biologically modern man may have been initiated, perhaps some 150 000 years ago, by one or few accidental but distinct combinations of modules and subroutines of gene regulation which are involved in the generation of the neural network in the cerebral cortex. This hypothesis concurs with current insights into the molecular biology of the combinatorial and hierarchical facets of gene regulation that underlie brain development. A theory of innovation encompassing technological as well as biological development cannot per se dictate alternative explanations of biological evolution, but it may help in adding weight and directing attention to notions outside the mainstream, such as the hypothesis that few distinct genetic changes were crucial for the evolution of modern man.
This is the invited evening lecture of the biannual workshop on hydroid development of 1999. Its topic is the role of hydra as a rather puristic model for the de-novo generation of spatial patterns in development, and our work in this field. Emphasis is placed not only on experimental studies, but also on theoretical analysis, because the understanding of spatial order requires a systems approach involving the combination of knowledge on molecules, cells and tissues with mathematical analysis, laws and facts.
Understanding cooperative human behaviour depends on insights into the biological basis of human altruism, as well as into socio-cultural development. In terms of evolutionary theory, kinship and reciprocity are well established as underlying cooperativeness. Reasons will be given suggesting an additional source, the capability of a cognition-based empathy that may have evolved as a by-product of strategic thought. An assessment of the range, the intrinsic limitations, and the conditions for activation of human cooperativeness would profit from a systems approach combining biological and socio-cultural aspects. However, this is not yet the prevailing attitude among contemporary social and biological scientists who often hold prejudiced views of each other's notions. It is therefore worth noticing that the desirable integration of aspects has already been attempted, in remarkable and encouraging ways, in the history of thought on human nature. I will exemplify this with the ideas of the fourteenth century Arab-Muslim historian Ibn Khaldun. He set out to explicate human cooperativeness - "asabiyah" - as having a biological basis in common descent, but being extendable far beyond within social systems, though in a relatively unstable and attenuated fashion. He combined psychological and material factors in a dynamical theory of the rise and decline of political rulership, and related general social phenomena to basic features of human behaviour influenced by kinship, expectation of reciprocity, and empathic emotions.
In dem Buch über „Wissenschaft und Menschenbild“ werden verschiedene Wege zu einem Verständnis unserer Spezies „Mensch“ begangen: Zum einen zeigt uns die Geschichte und die geistige Struktur der modernen Naturwissenschaft sowohl die umfassende Reichweite als auch die prinzipiellen Grenzen menschlicher Erkenntnis auf, und zwar wohl besser und genauer als jede andere Kulturleistung. Zum anderen ergibt die Evolutions- und die Gehirnbiologie Einsichten in menschliche Grundfähigkeiten wie Sprache, Selbstrepräsentation und strategisches Denken. Sie sind Ergebnisse genetischer Evolution, bildeten aber dann die Voraussetzung dynamischer kultureller Entwicklung, die nicht mehr auf genetischen Änderungen beruht. Die moderne Wissenschaft ist, indem sie ihre eigenen Grenzen begründet, offen für verschiedene, natürlich nicht für alle kulturellen und philosophischen Interpretationen des Menschen und der Welt. Menschliches Bewusstsein ist ein Ergebnis der Evolution des Gehirns, und doch ist die Gehirn-Geist-Beziehung aus entscheidungstheoretischen Gründen vermutlich nicht vollständig dekodierbar. Eine wesentliche Fähigkeit unserer Spezies Mensch ist kognitionsgestützte Empathie. Sie entstand vielleicht im Kontext der Evolution strategischen Denkens, indem sie es erleichtert, das Verhalten anderer vorherzusehen, ist aber auch Motivation für altruistisches Verhalten. Stereotype Kontroversen zwischen Sozialwissenschaftlern und Soziobiologen erscheinen heute eher überflüssig; es gibt eine, wenn auch begrenzte, biologische Basis auch für freundliche menschliche Eigenschaften wie Kooperativität und Vertrauen und nicht nur für Egoismus. Moralische Vorstellungen sollten die biologischen Grundlagen menschlichen Verhaltens respektieren: Gemeinwohl ist eine durchaus reale, aber doch begrenzte Ressource unserer Spezies „Mensch“. Sie ist eher behutsam zu aktivieren, und moralische Überforderungen sind kontraproduktiv.
Upon separation of the protein from the nucleic acid component of tobacco mosaic virus by phenol, using a fast and gentle procedure, the nucleic acid is infective in assays on tobacco leaves. A series of qualitative and quantitative control experiments demonstrates that the biological activity cannot depend on residual proteins in the preparation, but is a property of isolated nucleic acid which is thus the genetic material of the virus.
The short paper introduces the concept of possible branches of double-stranded DNA (later sometimes called palindromes): Certain sequences of nucleotides may be followed, after a short unpaired stretch, by a complementary sequence in reversed order, such that each DNA strand can fold back on itself, and the DNA assumes a cruciform or tree-like structure. This is postulated to interact with regulatory proteins.
Die Entstehung der modernen Naturwissenschaften beruhte auf sehr spezifischen Merkmalen der daran beteiligten Kulturen, und doch sind ihre Erkenntnisse und Ergebnisse transkulturell und weltweit akzeptiert. So waren die Elektrizitätslehre und die Elektrotechnik spezifische Produkte der europäischen Kultur der Neuzeit, die ihrerseits auf einer bestimmten Sequenz und Kombination kultureller und interkultureller Entwicklungen bis zurück zur altgriechischen Philosophie aufbauten. Sie entstanden nicht in China, wo die Kraft des theoretischen Denkens nicht in gleicher Weise eingeschätzt wurde. Warum wurden dann aber moderne Wissenschaft und Technik transkulturell wirksam? Ein Hauptgrund dafür dürfte darin bestehen, daß die zugrunde liegenden kognitiven Fähigkeiten - Fähigkeiten der Abstraktion, des symbolischen und strategischen Denkens - auf einer biologischen Basis beruhen, die der gesamten heutigen Spezies Mensch gemeinsam ist. Gegenstand wissenschaftlicher Erkenntnis sind aber auch die prinzipiellen Grenzen der Erkenntnis; sie bedingen, daß naturwissenschaftliches Denken, das seine eigenen Grenzen kritisch reflektiert, auf der metatheoretischen Ebene mit verschiedenen philosophischen und kulturellen Interpretationen des Menschen und der Welt vereinbar ist. Dazu gehören auch religiöse Interpretationen, die die Ordnung der Natur mit dem menschlichen Geist verbinden und es dem Menschen aufgeben, diese Ordnung mit Hilfe seines Denkens zu erleben und zu erfahren.