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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.
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.
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>.
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.
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.
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.
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.
Der Vortrag über den im Titel „Naturwissenschaft und Menschenbild“ umschriebenen Problemkreis, der natur- und kulturwissenschaftliche Aspekte betrifft, bildete den Abschluss des Symposiums über das Thema „Wie entstehen neue Qualitäten in komplexen Systemen“ am 18. Dezember 1998 in Berlin zum 50-jährigen Gründungsjubiläum der Max-Planck-Gesellschaft. Schwerpunkte sind Reichweite und Grenzen naturwissenschaftlicher Erklärung von Bewusstsein, evolutionsbiologische Grundlagen von Kooperativität und Empathie, sowie die kulturellen Verallgemeinerungs- und Gestaltungsmöglichkeiten biologisch angelegter Fähigkeiten, insbesondere was die Aktivierung der fragilen und begrenzten, aber durchaus realen und wichtigen Ressource „Gemeinsinn“ angeht.
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.
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
Aggregates of previously isolated cells of Hydra are capable, under suitable solvant conditions, of regeneration forming complete animals. In a first stage, ecto- and endodermal cells sort out, producing the bilayered hollow structure characteristic of Hydra tissue; thereafter, heads are formed (even if the original cell preparation contained no head cells), eventually leading to the separation of normal animals with head, body column and foot. Hydra appears to be the highest type of organism that allows for regeneration of the entire structure from random cell aggregates. The system is particularly useful for studying cell interactions, tissue polarity, pattern formation, and cell differentiation.
The generation of viral mutants in vitro was demonstrated by treatment of the isolated RNA of Tobacco Mosaic Virus by nitrous acid. This agent causes deaminations converting cytosine into uracil, and adenine into hypoxanthine. Our assay for mutagenesis was the production of local lesions on a tobacco variety on which the untreated strain produces systemic infections only. A variety of different mutants are generated in this way. Quantitative analysis of the kinetics of mutagenesis leads to the conclusion that alteration of a single out of the 6000 nucleotides of the viral RNA is sufficient for causing a mutation.
Within the sedimentation diagram of infective RNA preparations isolated from Tobacco Mosaic Virus, undegraded molecules form a sharp peak with a molecular weight corresponding to the total RNA content of the virus particle. Degradation kinetics by ribonuclease is of the linear, single-target type, indicating that the RNA is single-stranded. The intact RNA of a virus particle thus forms one big single-stranded molecule. Quantitative evaluation of the effect degradation by RNA-ase on the infectivity of the RNA shows that the integrity of the entire molecule is required for its biological activity.
Die Anwendung der Naturgesetze auf das verhaltenslenkende Gehirn widerspricht auf den ersten Blick der Freiheit des menschlichen Willens. Entsprechendes gilt für die Anwendung der Allmacht Gottes auf alle Vorgänge einschliesslich des menschlichen Verhaltens. Bei einem zweiten Blick auf diese scheinbar so konsequenten Gedankengänge erkennt man aber Verstrickungen in Selbstbezüglichkeiten, die jeweils Mehrdeutigkeiten und Grenzen unseres möglichen Wissens implizieren. Diese zeigten sich schon in Gödels Grenzen mathematisch-logischer Entscheidbarkeit ebenso wie in Heisenbergs Unbestimmtheitsgesetzen der Quantenphysik. Entsprechende Grenzen könnte es für eine vollständige physikalisch begründete Theorie unseres Bewußtseins und damit auch des menschlichen Willens geben - schliesslich würde sie Bewußtsein von Bewußtsein implizieren. In der theologischen Gedankenlinie wiederum kann sich die Allmacht Gottes auch auf die Allmacht selbst richten, indem sie eine weise naturgesetzliche Ordnung ohne ständige göttliche Eingriffe begr ündet und darin den Menschen als Freien will - so etwa sahen es freiheitsfreundliche unter den Theologen wie Eriugena und Cusanus. Mein Essay weist darauf hin, dass selbst bei so verschiedenen Denkweisen wie den naturwissenschaftlichen und theologischen jeweils analoge Selbstbezüglichkeiten auftreten, die unsere Erkenntnis begrenzen.
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.
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.
The development of modern science has depended strongly on specific features of the cultures involved; however, its results are widely and transculturally accepted and applied. The science and technology of electricity, for example, emerged as a specific product of post-Renaissance Europe, rooted in the Greek philosophical tradition that encourages explanations of nature in theoretical terms. It did not evolve in China presumably because such encouragement was missing. The transcultural acceptance of modern science and technology is postulated to be due, in part, to the common biological dispositions underlying human cognition, with generalizable capabilities of abstract, symbolic and strategic thought. These faculties of the human mind are main prerequisites for dynamic cultural development and differentiation. They appear to have evolved up to a stage of hunters and gatherers perhaps some 100 000 years ago. However, the extent of the correspondence between some constructions of the human mind and the order of nature, as revealed by science, is a late insight of the last two centuries. Unless we subscribe to extreme forms of constructivism or historical relativism, we may take the success and the formal structure of science as indications of a close, intrinsic relation between the physical and the mental, between the order of nature and the structure of human cognition. At the metatheoretical level, however, modern science is consistent with philosophical and cultural diversity.