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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.
The topic of this article is the relation between bottom-up and top-down, reductionist and “holistic” approaches to the solution of basic biological problems. While there is no doubt that the laws of physics apply to all events in space and time, including the domains of life, understanding biology depends not only on elucidating the role of the molecules involved, but, to an increasing extent, on systems theoretical approaches in diverse fields of the life sciences. Examples discussed in this article are the generation of spatial patterns in development by the interplay of autocatalysis and lateral inhibition; the evolution of integrating capabilities of the human brain, such as cognition-based empathy; and both neurobiological and epistemological aspects of scientific theories of consciousness and the mind.
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.
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.
Validity of physical laws for any aspect of brain activity and strict correlation of mental to physical states of the brain do not imply, with logical necessity, that a complete algorithmic theory of the mind-body relation is possible. A limit of decodability may be imposed by the finite number of possible analytical operations which is rooted in the finiteness of the world. It is considered as a fundamental intrinsic limitation of the scientific approach comparable to quantum indeterminacy and the theorems of logical undecidability. An analysis of these limits, applied to dispositions of future behaviour, suggests that limits of decodability of the psycho-physic relation may actually exist with respect to brain states with self-referential aspects, as they are involved in mental processes. Limits for an algorithmic theory of the mind-body problem suggested by this study are formally similar to other intrinsic limits of the scientific method such as quantum indeterminacy and mathematical undecidability which are also related to self-referential operations. At the metatheoretical level, hard sciences, despite their reliability, universality and objectivity, depend on metatheoretical presuppositions which allow for multiple philosophical interpretations.
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.
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.
Alexander von Humboldt widmete einen Teil seiner Forschungsarbeit Erscheinungen, die mit dem Phänomen „Farbe“ zusammenhängen. So erforschte er das Blau des Himmels, interessierte sich für gefärbte Stäube, roten Hagel sowie die Farben von Pflanzen. Mit vielen Wissenschaftler korrespondierte er über damit zusammenhängende Themen - beispielsweise über die Beziehung zwischen Sonnenlicht und der Farbe von Pflanzen, über farbige Schatten, die Blaue Grotte auf Capri, die Farbe von Sternen usw. Interessiert verfolgte Humboldt die Entwicklung von Modellen zur wissenschaftlichen Erklärung der Entstehung von Farben - so beispielsweise für die von Claude-Louis Berthollet entwickelte chemische Vorstellung über die Entstehung des Indigoblaus auf Textilien. Dieser Prozess war für die Textilindustrie von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf Humboldts Interesse am Blau des Himmels, das er mit Künstlern, Schriftstellern und Wissenschaftlern wie Johann Wolfgang von Goethe, Christian Gottfried Lichtenberg, Caspar David Friedrich and Horace Bénédict de Saussure teilte. Während seiner Reisen durch Südamerika benutzte er Saussure´s Cyanometer, um die Intensität des Blaus des Himmels zu bestimmen. Später korrespondierte er mit seinem Freund François Arago, der ein Cyanometer entwickelt hatte, das auf chromatischer Polarisation basierte, über dieses Instrument. Während seiner Arbeit am Werk „Kosmos. Entwurf einer physischen Weltbeschreibung“ erklärte ihm Arago die neuesten Fortschritte der Physik, speziell der Polarographie. Gegen Ende seines Lebens korrespondierte Humboldt mit dem Maler J. G. Schall und räumte ein, irgendwie das Interesse an der physikalischen Aufklärung des Himmelsblaus verloren zu haben.
In der nahezu vergessenen jakobinischen Zeitung „Der Bewohner des West Rheins“ aus Koblenz/Rhein erscheint am 29. Brumaire des Jahres IX (=20. November 1800) die Zusammenfassung eines Briefes, den Alexander von Humboldt mit Datum vom 24. Januar 1800 von Laguaira, Venezuela, an seinen französischen Kollegen Antoine François de Fourcroy (1755-1809) in Paris sendet. Etwa sechs Monate dauert es, bis Humboldts Brief in der französischen Kapitale ankommt, weitere vier Monate später ist er in der (damals) französischen Provinz der linksrheinischen Departementer angelangt. Diese bislang unbekannte, zusammenfassende Publikation eines Humboldt-Briefes im „Bewohner des West-Rheins“, in einem Blatt von regionaler Bedeutung, zeigt anschaulich zwei parallel verlaufende Entwicklungen: einmal die Verbreitung des Wissens vom Zentrum in die Peripherie, von der Kapitale in die Provinz, und zum anderen die Verbreitung des Wissens aus dem bereits hochspezialisierten Wissenschafts-Netzwerk in den allgemeinen publizistischen Betrieb, der Öffentlichkeit herstellt und Wissen popularisiert.
The author’s recently published monograph on Alexander von Humboldt' describes the multiple images of this great cultural icon. The book is a metabiographical study that shows how from the middle of the nineteenth century to the present day Humboldt has served as a nucleus of crystallisation for a variety of successive socio-political ideologies, each producing its own distinctive representation of him. The historiographical implications of this biographical diversity are profound and support current attempts to understand historical scholarship in terms of memory cultures.
Noch vor seinem Studium in Freiberg bei A. G. Werner betrieb Alexander von Humboldt umfangreiche geognostische und salinistische Studien, die schließlich Eingang in die 1790 erschienene Abhandlung „Mineralogische Beobachtungen über einige Basalte am Rhein“ und in „Versuch über einige physikalische und chemische Grundsätze der Salzwerkskunde“ (1792) gefunden haben. Wesentlichen Einfluss auf diese frühen geognostischen Arbeiten, die bis 1795 rund 31 % der wissenschaftlichen Tätigkeit Humboldts ausfüllten, hatten seine ersten Geognosielehrer J. F. Blumenbach und H. F. Link. Auf Grund der zeitlichen Einordnung der Rheinreise von 1789 und der umfassenden Kenntniss der geognostischen Literatur durch Humboldt kann mit einiger Sicherheit davon ausgegangen werden, dass die in diesem Aufsatz zitierten geognostischen Passagen aus dem Tagebuch von Steven Jan van Geuns unter dem direkten Einfluss Humboldts während der Reise entstanden sind. Die zitierten Texte aus dem Tagebuch dürften somit als die frühesten Äußerungen Humboldts zum Vulkanismus, zur Geognosie der Basalte und zur Salinistik gelten.
Alexander von Humboldt hat im Verlauf eines langen Gelehrtenlebens geduldig an der Ausformulierung und Gestaltung einer Wissenschaft von der Welt gearbeitet, an der Vision von jenem Kosmos, dem er während der letzten Jahrzehnte seines Lebens seinen bis heute faszinierenden Entwurf einer physischen Weltbeschreibung widmete. Dabei bildete die selbstkritische Hinterfragung eigener, kulturell geprägter Forschungsansätze im Kontext jeweils spezifischer Kulturen des Wissens ein entscheidendes Kriterium seines wissenschaftlichen Handelns. Wissenschaft von der Welt ist bei Humboldt verbunden mit dem Anspruch, die Welt in ihren komplexen Zusammenhängen neu zu denken: transdisziplinär, interkulturell, kosmopolitisch. So verstanden ist Humboldt keineswegs der "letzte Universalgelehrte", sondern vielmehr Pionier und Vertreter einer neuen Wissenschaftskonzeption, deren Potentiale bis heute noch nicht ausgeschöpft sind.
Der Nachlaß Humboldts in Krakau enthält die von Humboldt über Mexiko und Kuba gesammelten Materialien. Darunter befindet sich ein Manuskript mit der Beschreibung der Pyramidenanlage von Teotihuacan von Juan José de Oteyza, den Humboldt am Real Seminario de Minería in Mexiko-Stadt kennengelernt hatte. Alexander von Humboldt selbst hat diese Pyramidenanlage nicht besichtigt. In derartigen Fällen hat er sein weitreichendes Informationsnetz zur Ergänzung seiner eigenen Beobachtungen in den Tagebüchern genutzt, wie der Vergleich des Manuskriptes von Oteyza mit dem später gedruckten Text Humboldts anschaulich macht.
Der Artikel verfolgt zwei Ziele, die beide mit dem Fund des bisher unbekannten humboldtschen Kuba-Tagebuchs von 1804 (in der Biblioteka Jagiellonska Kraków durch Ulrike Leitner) zusammenhängen. Einmal will er die zwar diskontinuierliche, aber zusammenhängende Entwicklung von Humboldts Sklavereibild darlegen (die im Tagebuch von 1804 in gewissem Sinne kulminiert und in nuce den Essay über Kuba bildet) und zum zweiten die wissenschaftsgeschichtliche Sensation, dass Humboldt wesentliche Elemente der Methode des Vergleichs systematisch auf soziale, historische und sozioökonomische Verhältnisse der Sklaverei anzuwenden begann, als er Anfang 1804 in Veracruz oder Havanna von der Proklamation des Staates „Haity“ auf der Insel Santo Domingo hörte. Diese beiden Erkenntnisse ändern die Einschätzung von Humboldts politischem Verhältnis zu zwei Gruppen der spanisch-amerikanischen Bevölkerung (die Teile der kreolische Elite, die plante „eine weiße Republik“ nach dem Vorbild Frankreichs zu gründen, und die Gruppe oder „Kaste“ der „pardos“) am „Vorabend der Unabhängigkeitsrevolution“.
Auf seinen Reisen traf Alexander von Humboldt wiederholt Personen, die später die zufällige Begegnung oder eine flüchtige Bekanntschaft mit ihm für ihren sozialen bzw. gesellschaftlichen Aufstieg zu nutzen versuchten. So war es auch mit Karolina Jaenisch (1810-1893), der späteren K. Karlovna Pavlova, der Tochter eines in Russland ansässigen deutschen Hochschullehrers. Humboldt begegnete ihr 1829 in Moskau bei einer Soiree, und er soll sie zu weiterem literarischen (dichterischen) Schaffen ermuntern haben. Humboldt nahm damals ein Bruchstück des von ihr aus dem Polnischen ins Deutsche übersetzten Poems „Konrad Wallenrod“ von Adam Mickiewicz, dem späteren polnischen prince des poètes, mit, und übergab es Goethe. Zu jener Zeit war Karolina sehr eng mit Mickiewicz befreundet und beteuerte ihm in Briefen ihre grenzlose und ewige Liebe. Mickiewicz war aber fest entschlossen, Russland für immer zu verlassen. Das tat er 1829. In ihrem Sonett „An Alexander von Humboldt“ drückte sie, nach Meinung von Literaturkritikern, ihren unstillbaren Schmerz über den Verlust des geliebten Mickiewicz aus. Humboldt traf Karolina noch einmal 30 Jahre später in Berlin.
The article provides historical background for Alexander von Humboldt’s expedition into Russia in 1829. It includes information on Humboldt’s works and publications in Russia over the course of his lifetime, as well as an explanation of the Russian scientific community’s response to those works. Humboldt’s ideas on the existence of an active volcano in Central Asia attracted the attention of two prominent Russian geographers, P.Semenov and P.Kropotkin, whose views on the nature of volcanism were quite different. P.Semenov personally met Humboldt in Berlin. P. Kropotkin made one of the most important geological discoveries of the 19th Century: he found the fresh volcanic cones near Lake Baikal. Soon after Humboldt’s Russian expedition, and partly as a result of it, an important mineral was found in the Ilmen mountains - samarskite, which later gave its name to the chemical element Samarium, developed in 1879. At the beginning of the 20th Century, the Russian scientist V.Vernadskiy pointed out that samarskite was the first uranium-rich mineral found in Russia.
We expose analogies between turbulence in a fluid heated from below (Rayleigh-Bénard (RB) flow) and shear flows: The unifying theory for RB flow (S.Grossmann and D.Lohse, J.Fluid Mech. 407, 27-56 (2000) and subsequent refinements) can be extended to the flow between rotating cylinders (Taylor-Couette flow) and pipe flow. We identify wind dissipation rates and momentum fluxes that are analogous to the dissipation rate and heat flux in RB flow. The proposed unifying description for the three cases is consistent with the experimental data.
Non-Oberbeck-Boussinesq (NOB) effects on the Nusselt number Nu and Reynolds number Re in strongly turbulent Rayleigh-Benard convection in liquids were investigated both experimentally and theoretically. In the experiment, the heat current, the temperature difference, and the temperature at the horizontal mid-plane were measured. Three cells of different heights L, all filled with water and all with aspect ratio T close to 1 were used. For each L, about 1.5 decades in Ra were covered, together spanning the ränge 108 < Ra < 1011. For the largest temperature difference between the bottom and top plates of ? = 40K the kinematic viscosity and the thermal expansion coefficient, due to their temperature dependence, varied by more than a factor of two. The Oberbeck-Boussinesq (OB) approximation of temperature independent material parameters thus was no longer valid. The ratio Ï? of the temperature drops across the bottom and top thermal boundary layers became as small as Ï? = 0.83, as compared to the ratio Ï? = 1 in the OB case. Nevertheless, the Nusselt number Nu was found to be only slightly smaller (at most 1.4%) than in the next larger cell with the same Rayleigh number, where the material parameters were still nearly height-independent. The Reynolds numbers in the OB and NOB case agreed with each other within the experimental resolution of about 2%, showing that NOB effects for this parameter were small as well. Thus Nu and Re are rather insensitive against even significant deviations from OB conditions. Theoretically, we first account for the robustness of Nu with respect to NOB corrections: the NOB effects in the top boundary layer cancel those which arise in the bottom boundary layer as long as they are linear in the temperature difference ?. The net effects on Nu are proportional to ?2 and thus increase only slowly and still remain minor despite drastic material parameter changes. We then extend the Prandtl-Blasius boundary-layer theory to NOB Rayleigh-Benard flow with temperature dependent viscosity and thermal diffusivity. This allows the calculation of the shift of the bulk temperature, the temperature drops across the boundary layers, and the ratio Ï? without introducing any fitting parameter. The calculated quantities are in very good agreement with experiment. When in addition we use the experimental finding that for water the sum of the top and bottom thermal boundary-layer widths (based on the slopes of the temperature profiles at the plates) remains unchanged under NOB effects within experimental resolution, the theory also gives the measured small Nusseltnumber reduction for the NOB case. In addition, it predicts an increase by about 0.5% of the Reynolds number, which is also consistent with the experimental data. By theoretically studying hypothetical liquids with only one of the material parameters being temperature dependent, we shed further light on the origin of NOB corrections in water: While the NOB deviation of x from its OB value Ï? = 1 mainly originates from the temperature dependence of the viscosity, the NOB correction of the Nusselt number primarily originates from the temperature dependence of the thermal diffusivity. Finally, we give the predictions from our theory for the NOB corrections if glycerol is used as operating liquid.