Während meines Doktorstudiums in der Biochemie an der Ohio University habe ich viele langen Tage—und Nächte—in den Laboren im Clippinger Building, wo sich die Chemie und Physik Abteilungen befinden, gearbeitet.
Manchmal war das einzige Essen, das mir zugänglich war—besonders während der späten Nächte, die in die frühen Morgenstunden übergingen— die Snackauswahl im Verkaufsautomat im Aufenthaltsbereich im zweiten Stock.
Leider funktionierte das Snackautomat nicht immer. Es war nicht außergewöhnlich,wenn einer im Aufenthaltsbereich, aus purem Frust an die Maschine hämmerte.
Ein Verkaufsautomat isteine physikalische Instanziierung einer abstrakten Maschine, die man einen endlichen Automaten nennt. (Lesen Sie mehr über endliche Automaten[FSMs] [“Finite-State-Machines”] unten.) Neulich hat ein Team Biophysiker an der University of California, San Francisco (UCSF) entdeckt, dass Einzeller, die der Gruppe Euplotes gehören, einen biochemischen FSM benutzen. Dieser Automatregelt das “Geh-” Verhalten dieser Einzeller, während sie sich über solide Oberflächen mittels bein-ähnliche Gliedmaßen namens “Cirri” bewegen.1
Diese Einsicht hat weitreichende Folgerungen für die Wissenschaft, denn sie weist auf ein allgemeines Modell hin, das vielleicht das ausgefeilte Verhalten vieler unterschiedlichen Einzeller erklärt. Ihre Arbeit bringt mit sich weitreichende philosophischen—auch theologischen—Folgerungen. Sie trägt zur Wiederbelebung des Uhrmacherarguments für Gottes Existenz bei und zeigt auf eine notwendige Rolle für Gott in der Entstehung und das Design des Lebens, wie ich in meinem Buch The Cell’s Design dargelegt habe.
Man braucht ein wenig Hintergrundwissen über FSMs um die philosophische Signifikanz dieser Entdeckungvöllig schätzen zu können.
Endliche Automaten Man hält FSMs für abstrakte Maschinen, die Mathematiker sich ausgedacht haben, so dass sie als mathematische Werkzeuge fürs Modellieren von Rechnungsvorgänge dienen können. Wenn man Beispiele der FSMs in der realen Welt sucht, wird man schnell fündig. Zusammen mit Snackautomaten (die unser Geld gegen Snacks tauschen) sind Drehkreuze, Aufzüge, Verkehrsampel und Zahlenschlösser alltägliche Beispiele.
FSMs lassen sich durch einen Satz von Zuständen und Inputs definieren. Diese Inputs lösen Übergänge von einem Zustand in einen anderen Zustand, der möglicherweise vorbestimmt ist (oder nicht) aus. Ein FSM kann in jedem seiner definierten Zustände existieren. Und er kann sich auch ändern oder in einen neuen Zustand übergehen, wenn eine Sequenz von Ereignissen oder Inputs dem FSM gegeben wird.
Selbstverständlich wird die Maschine den Zustand nicht ändern, wenn die falsche Geldsumme in die Maschine reingegeben wird, weil das Input nicht mit dem vorbestimmten Wert für Input 1 oder Input 2 übereinstimmt.
Im Ausgangszustand (I) ist der Snackautomat voll mit Snacks, die in ein Regal gelegt wurden, von wo aus sie dann gegen Geld ausgegeben werden. Wenn ein hungriger Kunde die richtige Geldsumme in die Maschine eingibt (Input 1) und dann den gewünschten Snack wählt (Input 2)—das übliche Verfahren ist, dass man eine vorbestimmte Sequenz von Zahlen und Buchstaben auf ein Bedienfeld eingibt—dann ändert den Zustand vom Snackautomat (von I auf A) und der Automat liefert den bestellten Snack. Gibt der Kunde eine andere Sequenz von Nummern und Buchstaben ein, (Input 3), geht der Snackautomat in einen anderen Zustand über (von I auf B) und liefert dementsprechend einen anderen Snack.
Man kann einen endlichen Automaten (FSM) als eine Art mechanischer Computer verstehen, der einen begrenzten Speicher hat und deswegen eine begrenzte Anzahl von Zuständen hat, die ihn definieren. In einigen Snackautomaten kann die gleiche Folge der Ereignisse (Inputs) eine andere Folge von Vorgängen auslösen, die vom spezifischen Zustand des Automaten abhängig ist. Zum Beispiel: Wenn der gewünschte Snack im Snackautomaten nicht mehr vorhanden ist, wird das Eingeben von der vorgeschriebenen Sequenz von Nummern und Buchstaben den Übergang von einem Zustand in einen anderen nicht mehr auslösen—mindestens nicht in manchen Snackautomaten—weil der Snackautomat im Ausgangszustand (I’) den erwünschten Snack nicht mehr vorrätig hat und nicht mehr vom I’ auf A übergehen kann.
Ein biochemischer endlicher Automat Während meines Doktorstudiums und meiner Habilitation habe ich Wertvolles gelernt. Eine Lektion war: Manchmal, wenn etwas in einem Experiment schief geht, kann das in einen wissenschaftlichen Durchbruch münden—wenn Sie scharf aufpassen.
Das war der Fall für Ben Larson. Er ist Wissenschaftler im Bereich der Molekularbiologie an der UCSF. Larson wurde durch das Eindringen von einzelligen Raubtieren in seine Experimente zunehmend frustriert, denn sie haben immer wieder die Zellen aufgefressen, die er studieren wollte.2 Schließlich entdeckte er, dass die Eindringlinge der Gattung Euplotes gehörten. Diese einzelligen Organismen leben in Süßwasser- und Salzwasserumgebungen. Sie schwimmen aber sie können auch mittels Gliedermassen auf ihrer Unterseite auf Oberflächen gehen.
Bild 1: Euplotes Bildnachweis: Shutterstock
Larson und zwei Mitarbeiter entwickelten ein Interesse dran, wie Euplotes auf Oberflächen “geht”. Ihr Gehverhalten ist ausgefeilt und komplex, es erinnert einen an die Gangart Vielzeller mit Hirnen und Nervensystemen. Die Tatsache ist, dass das Verhalten mancher Einzeller so komplex und ausgefeilt ist—dass es von einem internen Steuersystem geleitet zu sein scheint—dass manche Biologen spekuliert haben, dass Einzeller eine Art rudimentäres Nervensystem haben. Das haben sie aber nicht.
Na, also. Wie koordiniert Euplotes die Bewegung seiner Cirri während es auf Oberflächen geht?
Die Investigatoren haben eine Bild-für-Bild-Analyse von Videos der gehenden Euplotes auf einer Glasoberfläche durchgeführt. In dieser Analyse haben Larson und seine Mitarbeiterdie Stelle von jedem Cirrus erfasst unddie Bewegungen der Organismen kartiert.Die Investigatoren folgerten, dass eine Art interner Steuermechanismus die Bewegungen der Cirri tatsächlich lenkte und koordinierte.
Sie spekulierten, dass die interne Kontrolle durch ein Netzwerk von Mikrotubuli, die sich genau unter der Zellenoberfläche befinden, ausgeführt wird. Cirri bestehen aus Mikrotubuli. Diese sind winzige, hohle Tubuli, die aus vielen Kopienvom Protein Tubulin bestehen. Die Tubulin-Untereinheiten verbinden sich dann in molekular-großen Röhrchen. Die Anordnung der Mikrotubuli in jedem Cirrus reicht in den internen Raum der Zelle hinein. Diese Mikrotubuli verbinden miteinander und bilden dadurch ein Netz aus Mikrotubuli.
Bild 2: Mikrotubuli Bildnachweis: Shutterstock
Als Larson und seine Mitarbeiter das Mikrotubulinetzwerk gestört haben, hörte die koordinierte Bewegung der Cirri auf. Dieser Befund spricht dafür, dass das Mikrotubulinetzwerk der interne Steuermechanismus ist, der das Verhalten der Cirri regelt. Auf Grund der mathematischen Eigenschaften der Gangart des Euplotes ziehen Larson und seine Forschungspartner den Schluss, dass das Netzwerk aus Microtubuli ein endlicher Automat auf der Molekularskala ist —ein mechanischer Nanocomputer. Das Mikrotubulinetzwerk regelt den Übergang zwischen unterschiedlichen Gangzuständen in einem bestimmten Satz. Die strukturellen Änderungen im Mikrotubulinetzwerk entsprechen unterschiedlichen Zuständen im System Anders gedacht, kann man sagen, dass das Mikrotubulinetzwerk einen verkörperten Satz von Rechnungen widerspiegelt und es ist dieser Satz, der das komplexe Verhalten der Cirri regelt und koordiniert. Wallace Marshall, einer von Larsons Mitarbeiter argumentiert: “Unsere Daten zeigen, dass die Mikrotubuli für die Rechnung notwendig sind. Die einfachste Erklärung ist, dass diese die rechnenden Elemente sind.”3
Die Forscher denken, dass diese Einsicht vielleicht eine weitreichende Erklärungskraft haben könne. Sie könnte die anderen ausgefeilten Verhaltensmuster der Einzeller auch erklären. Das heißt, Larson und seine Mitarbeiter denken, ein Ensemble aus endlichen Automaten viele subzellularen und zellularen Vorgänge regeln könnte, wo dies “Entscheidungsfindung” verlangen. Marshall schlussfolgert: “Wenn man aus Mikrotubuli einen Computer machen kann, kann man argumentieren, dass man sie in anderen Zellenarten suchen sollte.”4
So bemerkenswert diese Einsicht aus einer wissenschaftlichen Perspektive heraus erscheinen mag, sind die philosophischen und theologischen Implikationen noch provokanter. Um diesen Punkt richtig wertschätzen zu können, müssen wir das von William Paley formulierte klassische Uhrmacherargument wieder in Betracht ziehen.
Das Uhrmacher Argument William Paley (1743–1805) war ein Naturtheologe in der anglikanischen Kirche des 18. Jahrhunderts. In seinem 1802 erschienenen Werk Natural Theology or, Evidences of the Existence and Attributes of the Deity, Collected from the Appearances of Nature hat er das Uhrmachmacherargument zum ersten Mal dargelegt..
Aus Paleys Sicht weisen die Eigenschaften einer Uhr und das komplexe Zusammenwirken ihrer Präzisionsteile zum Zweck der Zeitbestimmung auf das Wirken eines intelligenten Designers hin. Paley argumentierte auf Grund der Analogie, dass, genauso wie eine Uhr einen Uhrmacher verlangt, verlangt Leben einen Schöpfer, weil biologische Systeme eine breite Vielfalt von Eigenschaften aufweisen, die sich nur durch das genaue Zusammenwirken von Präzisionsteilen, die spezifischen Zwecken dienen, erklären lassen.
Biomolekulare Maschinen und das wiederbelebte Uhrmacherargument In den letzten Jahrzehnten haben Biochemiker viele Proteinkomplexen in der Zelle entdeckt, die strikt analog zu menschengemachten Maschinen hinsichtlich ihrer Architektur, Operation und Zusammensetzung sind. (Beispiele finden Sie in den Artikeln im Abschnitt weiterführendeLektüre.)Die Biomaschinen in der Zelle weisen eine Vielfalt an Form und Funktion auf, die der Vielfalt an Design widerspiegelt, die sonst nur menschliche Techniker herstellen. In vielen Fällen ist diese Biomaschinerei auf der Molekularebene strikt analog zu menschengemachten Maschinen. Diese Eins-zu-Eins-Korrespondenz zwischen den Teilen menschengemachten Maschinen und den Molekularkomponenenten der Biomaschinen ist verblüffend.
Die Entdeckung biomolekularen Maschinen innerhalb von Zellen verleiht dem Uhrmacherargument neue Kraft. Die Proteinkomplexen in der Zelle sind keine Maschinen im Metaphorischen Sinne—sie sind wahre, echte Maschinen. Und Paleys Argument wird mit jeder neuen Entdeckung neuer biomolekularen Maschinen von Biochemikern, Maschinen wie der aus Mirkotubulinetzwerken bestehenden endlichen Automaten immer stärker.
Der biochemische endliche Automat und das Uhrmacherargument Die genaue Analogie zwischen endlichen Automaten (diese sind beide abstrakte Entitäten und konkrete mechanischen Computers in der realen Welt) und das regelnde Verhalten der Mikrotubulinetzwerken Euplotes ist verblüffend—und provokant.
Selbstverständlicherkennen wir die Konstruktionsmerkmale eines endlichen Automaten, z.B., wenn wir sie in einem Snackautomaten verkörpert sehen. Wir erkennen dann die Konstruktionsmerkmale dieser Automaten. Wir erkennen, dass die Entscheidungsfähigkeit dieser Systeme durch intelligente Agenten entworfen wurden. Warum sollen wir den gleichen Schluss nicht ziehen, wenn wir einen biomolekularen endlichen Automaten in der Zelle entdecken?
1. Ben T. Larson et al., “A Unicellular Walker Controlled by a Microtubule-Based Finite State Machine,” bioRxiv, preprint (Juni 17, 2021): doi:10.1101/2021.02.26.433123. 2. Michael Le Page, “Single-Celled Organism Has Evolved a Natural Mechanical Computer,” New Scientist, Juli 28, 2021. 3. Le Page, “Single-Celled Organism.” 4. Le Page, “Single-Celled Organism.“
Ich meinte, das perfekte Valentinstaggeschenk für meine Freundin Amy gefunden zu haben. Damals sind wir nur miteinander ausgegangen. Ich habe ihr ein Gizmo Stofftier...
Wie entstand der Mond und warum ist es uns von Bedeutung? Forscher haben gelernt, dass die Größe der zusammenprallenden Himmelskörper, die unseren Mond geformt...
Welches Modell erklärt bestens das Muster der Geschichte des Lebens: Naturalistische Evolution oder übernatürliches Wirken eines Schöpfers? Wenn ein Test Ergebnisse ergibt, die “sich...
Fossilienfunde & Paleontologie
Danke für Ihre Bewertung!
Danke für Ihre Bewertung und Ihren Kommentar!
Diese Seite wurde aus dieser Sprache übersetzt: Englisch
