Selbstorganisation und präbiotische Organisation in chemischen Substanzsystemen

Der Begriff Selbstorganisation bedeutet in der Naturwissenschaft die spontane Bildung komplexer Strukturen in chemischen und anderen Systemen. Die Wellen-, Riffel- oder Dünenformen im Zusammenspiel von Wasser, Wind oder Sand sind bekannte Beispiele von Selbstorganisation, die Eisblumen am Autofenster, der Raureif an den Ästen, die farnartigen Dendriten in Gesteinsfugen oder die Achatbildung sind weitere Beispiele. Auf Fragen der Selbstorganisation trifft man in Wissenschaftszweigen wie Synergetik, Kybernetik, Chaosforschung und anderen mehr. Die Phänomene der Selbstorganisation finden deshalb große Beachtung, weil sie die Vorstellung nahe legen, dass das Leben möglicherweise der Gipfel einer großartigen Selbstorganisationsfähigkeit der Materie ist. Folgender Gedanke spricht dies aus: Wenn bereits in der toten Natur Vorgänge beobachtet werden können, die komplexe Formen zu erzeugen vermögen und von einer erstaunlichen Stimmigkeit und "Sinnfülle" der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materie zeugen, muss dann für die Erklärung des Lebens noch eine außerhalb der Stoffe stehende Kraft oder Intelligenz herbeigezogen werden? Ein außerhalb der Materie stehender Lebens-Parameter könnte insofern als störend empfunden werden, als er den Gehalt der Stoff-Welt herabstuft und das Phänomen "Leben" in eine schwer erforschbare, fremde Zone ausgrenzt.
Wir wollen diese Frage allerdings nicht voreilig mit Nein beantworten, sondern uns erst den Phänomenen zuwenden, denn möglicherweise handelt es sich bei der Selbstorganisation teilweise trotz allem um Organisation unter Beteiligung einer nicht-physischen Wirkung.

Beispiele von Selbstorganisation:
Links: Wellenstrukturen an der Grenzfläche zu einem regelmäßigen Luftzug
Rechts: Sandriffeln an der Grenzfläche zu strömendem Wasser
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Links: Verzweigungsbildung während der Kristallisation in dünnen Flüssigkeitsschichten: Eisblumen an einer Glasscheibe.
Rechts: Verzweigungsbildung im nebligen Luftzug: Raureifkristalle an einem Ast
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Links: Mangan-Dendriten in einer Gesteinsfuge
Rechts: Flammenachat (strukturierter Chalzedon)
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Die Entdeckung und Erforschung spontaner Musterbildungen in chemischen Mischungen nahm im 19. Jahrhundert ihren Anfang und wurde im 20. Jahrhundert mit zunehmender Intensität verfolgt. Bewegten sich erste Entdecker wie F. F. Runge noch im ästhetischen und naturphilosophischen Bereich, so drangen Forscher wie R. E. Liesegang im Verlauf der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts stark in die chemischen Zusammenhänge spontaner Strukturbildungen ein.
Runge-Bild in Löschpapier Liesegang-Ringe in Gallerte
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Die Runge-Bilder erzeugen sich durch zeitlich gestaffeltes Einbringen von geeigneten Chemikalien in Löschpapier. Die berühmt gewordenen Liesegang-Ringe wiederum entstehen durch das Zusammenwirken von Diffusion und chemischer Reaktion in Gelen (Gallerten). Die jahresringähnlichen Ringe führten gleich nach ihrer Entdeckung zu Assoziationen mit lebendigen Strukturen, beispielsweise mit Jahresringen von Bäumen. Zwar konnten diese Assoziationen bald als unzulässige Analogieschlüsse verworfen werden, aber die Idee, dass das Leben aus selbstorganisierten Strukturbildungen herstammen könnte, behielt bis heute seine Faszination.

Um eine weitere Dimension erweitert wurde der Forschungszweig durch die Entdeckung oszillierender (schwingender) chemischer Reaktionen durch B. P. Belousov und A. M. Zhabotinsky in den 50-er Jahren. Bei der BZ-Reaktion führt eine geeignete Kombination chemischer Substanzen zu anhaltenden periodischen Farbwechseln in der Substanzmischung (Phase). Dabei vollzieht sich ein Pendeln der steuernden Substanz (des Katalysators) vom oxidierten in den reduzierten Zustand unter Wechselwirkung mit farbgebenden Reaktionen. Wird das Experiment in dünnen Flüssigkeitsschichten vollzogen, dann führt die Oszillation zu ringförmig sich ausbreitenden farbigen Reaktionsfronten.

Momentaufnahmen von ringförmig sich ausbreitenden Reaktionsfronten der BZ-Reaktion in dünnen Flüssigkeitsschichten.
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Von dieser Entdeckung ließ sich die Verbindung zu prinzipiell ähnlichen chemischen Vorgängen in den Nerven und Muskeln von Tier und Mensch finden, so dass die These der Selbstorganisation des Lebens zusätzlichen Boden gewann. Durch die gleichzeitig wachsenden Erkenntnisse in der Molekularbiologie und der physikalischen Chemie schien die Brücke zwischen Selbstorganisation und Leben immer deutlicher geschlagen werden zu können. Mit dem Theoriesystem der so genannten dissipativen Strukturen, das maßgeblich durch den Nobelpreisträger I. Prigogine eingeführt und ausgebaut wurde, rückte das Forschungsgebiet der Selbstorganisation in die vorderen Reihen des wissenschaftlichen Interessens und Fortschritts. Dissipative Strukturen sind Ordnungsstrukturen, die sich in offenen, einem Energiedurchfluss unterliegenden, labilen Systemen spontan bilden können (sh. z.B. die obigen Bilder). Solche Systeme befinden sich im Gegensatz zu den abgeschlossenen, im "toten" Gleichgewicht befindlichen und mehr oder weniger vollständig berechenbaren Systemen der klassischen Physik in einem sensiblen, teilweise schwankenden Zustand fern vom Gleichgewicht. Auch die lebendigen Prozesse innerhalb der Körperzellen von Pflanze und Tier befinden sich in diesem sensiblen, "wahrnehmenden" Zustand. Deshalb wurde die Idee, dass das Leben durch Selbstorganisation der Materie entstanden sein könnte, mit verstärkter Kraft weiterverfolgt. Der diesbezügliche Optimismus erlitt auch dadurch keinen Abbruch, dass die neusten molekularbiologischen Erkenntnisse einen viel komplexeren Zusammenhang zwischen Genen und Proteinbildung aufzeigten als bisher angenommen. Im Gegenteil, die offenbare Wechselwirkung zwischen den produzierenden Einheiten (Genen) und den Produkten (Proteinen) schien erst recht zu zeigen, welche immensen selbstorganisierenden Ressourcen in der Materie stecken.
Man könnte an dieser Stelle, wo es um lebende Organismen geht, jedoch ganz ungezwungen den Schritt zur Geisteswissenschaft machen und sagen: Warum kann es sich nicht einfach um die Mitwirkung von nicht-physischen Formkräften handeln, solcher Kräfte, die von Rudolf Steiner als Lebenskräfte oder Ätherkräfte der geistig-ätherischen Welt bezeichnet werden? Dann wäre die Selbstorganisation eine Organisation auf höherer Stufe, nämlich geprägt durch die zugrundeliegende Ätherwelt, deren Formprinzipien aus einer noch höheren, rein geistigen Welt stammen.

Aber folgen wir nun weiter dem naturwissenschaftlichen Weg und den auf ihm gefundenen Phänomenen und Resultaten:
Im theoretischen Bereich der Forschung wurden erstaunliche Zusammenhänge entdeckt und Modelle beschrieben, die auch in anderen Wissenschaftszweigen fruchtbar wurden oder ihre Parallelen besaßen. Ein wichtiges Resultat war die Revision des klassisch-deterministischen Denkens aus der Zeit Newtons, das sich aus der Begeisterung über die geglückte Berechnung der Planetenbahnen und der Gravitation zur Vorstellung eines vollkommen berechenbaren Universums hinreißen ließ. Es konnte die prinzipielle Nichtberechenbarkeit zahlloser physikalischer, chemischer und anderer Vorgänge mathematisch bewiesen werden. Demnach fehlt es bei solchen Vorgängen zum einen an der Voraussetzung der genauen Messbarkeit eines Ausgangszustandes (vgl. die Unschärfrelation in der Quantenmechanik), und zum andern können zwei Ausgangszustände bereits bei atomar minimalstem Unterschied zu ganz anderen Verläufen des makroskopischen (großmassstäblichen) Geschehens führen (vgl. den sog. "Schmetterlingseffekt" in der Meteorologie). Durch diese Gedankenschritte gewann der Begriff der Irreversibilität (Unumkehrbarkeit) ein ganz neues Gewicht, und mit ihm der Begriff der "Geschichte" von Naturvorgängen. Selbstorganisierte Strukturen entstehen in irreversiblen Vorgängen und erhalten dadurch eine eigene Geschichte, die zeitlich oder experimentell nicht nach rückwärts gekehrt werden kann.

Dieser Punkt kann die Geologie interessieren, indem möglicherweise auch global-erdgeschichtlich zahlreiche irreversible, d.h. an bestimmte Phasen der Erdgeschichte gebundene Vorgänge stattgefunden haben, die nur noch gedanklich aber kaum mehr experimentell nachvollzogen werden können, weil die Randbedingungen nicht mehr herstellbar sind. Die größere Beachtung der Möglichkeit von großzeitlichen Irreversibilitäten würde zu einem veränderten Blickwinkel gegenüber dem Aktualismus führen. So könnte es sich beispielsweise beim bekannten Kreislauf der Gesteine, der die aktualistisch verfolgbaren geologischen Hauptvorgänge umfasst, um den großen Parallel- und Nachfolgeprozess einer Anzahl älterer, "irreversibler", nicht kreislaufender Gesteinsgenese-Prozesse handeln.

Das Phänomen der Selbstorganisation oder hochdifferenzierten Organisation tritt in der Geologie oft auf eindringliche Weise in Erscheinung. Zum einen sind eine Anzahl rätselhafter geologischer Bildungen bekannt, die nur durch komplex selbstorganisierte (oder organisierte?) Prozesse eine glaubwürdige Erklärung finden, zum anderen spielten möglicherweise auch bei gewissen großen, geologisch relevanten Substanzbildungen, z.B. bei einem Teil der Silikatgesteine (Magmatite wie Granite, Gneise usw.) komplizierte selbstorganisierende Prozesse eine wichtige Rolle. Natürlich handelt es sich bei den für die Magmatitgenese üblicherweise postulierten Differenziations-, Kristallisations- und Umkristallisationsprozessen auch bereits um einfache Beispiele von Selbstorganisation, aber es sind angesichts der oben erwähnten Erkenntnisse der Substanzerforschung auch viel komplexere Selbstorganisationsvorgänge denkbar. Die Vorgänge, an die man hier denken könnte, wären wegen des ganz anderen Zustands der Ur-Erde und der Ur-Atmosphäre experimentell deshalb kaum mehr nachvollziehbar, weil die Randbedingungen in ihrer Gesamtheit nicht mehr nachvollzogen werden können. Nur solche Prozesse wie die Kristallisation und andere vergleichsweise einfache physikalische Vorgänge sind für das Experiment zugänglich, indem sie in gewisser Weise "reversibel" und mit den Mitteln der Mathematik annähernd berechenbar sind.

Es sollen im Folgenden einige geologische Erscheinungen angsprochen werden, die mit großer Wahrscheinlichkeit auf komplexere selbstorganisierende Prozesse weisen. Sie werden in den anderen Kapiteln der Website eingehend untersucht. Zuerst sei die Achatbildung betrachtet:

Links: Achat (gebänderter Chalzedon)
Rechts: Achat mit Sphärolithen ("Schalenformen")
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Einleuchtend erscheint es angesichts der Liesegang-Ringe oder der BZ-Reaktion, dass man den Entstehungsprozess der Achate mit Selbstorganisation in kolloidalen (gallertigen) Zuständen von Kieselsäure in Zusammenhang brachte. Die Liesegang-Ringe werden gerade durch die abbremsenden und räumlich konservierenden Eigenschaften des Gels möglich, und die Ringbildung in der BZ-Reaktion ist eine Folge der Unbewegtheit der Mischung in der dünnen Flüssigkeitsschicht. Heute ist die entsprechende Theoriebildung (vgl. das Kapitel Das Achat-Problem) weit gediehen und in den Hauptpunkten (Kolloidalität) kaum mehr bestritten. Rätselhaft bleibt immerhin die Frage, unter welchen äußeren Umständen sich die formgebenden Hohlformen der Achate mit gesättigter, zum Gelzustand fähiger Kieselsäure füllen konnten, und welche Art von Diffusions-Reaktions-Prozessen zu solch vielgestaltigen Strukturen führte. Waren hier Prozesse beteiligt, bei denen man zwar noch nicht von Leben aber vielleicht von präbiotischen Vorgängen mit komplexer "Gestaltungskraft" der Selbstorganisation oder Organisation sprechen könnte?

Dem Phänomen der Achate verwandt zu sein scheint dasjenige der Orbiculite. Diese auf der Erde nur selten vorkommenden sphärisch gegliederten Kugelgranite (vgl. das Kapitel Das Kugelgranit-Problem) haben in der geologischen Diskussion zu ebenso kontroversen Entstehungsthesen geführt, wie die Achate. Eine der Thesen geht von diffusionskontrolliertem Wachstum um Kristallisationskeime in der magmatischen Schmelze aus. Hier wird der Schmelze dieselbe abbremsende und räumlich konservierende Eigenschaft zugestanden wie dem Gelzustand, was jedoch Fragen offen lässt. Es gäbe auch Gründe - sie werden im erwähnten Kapitel besprochen - anstatt von einer reinen Schmelze von hart-"gallertigen", mittelheißen Zuständen mit starker Beteiligung von chemisch gebundenem Wasser auszugehen. Auch hier könnte man angesichts der eigenartig plastischen und "nichtkristallinen" Formtypen auf den Gedanken verfallen, dass die Materie der Ur-Erde auf dem Weg ihrer Evolution sozusagen präbiotische Experimente durchgeführt hat.

Orbiculite in Granit aus Finnland (links: Virvik - Porvoo, rechts: Pengonpohja - Kuru)
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Ein weit häufiger zu beobachtendes aber nicht minder rätselvolles Phänomen findet sich in den sphärisch (schalenförmig) gegliederten Spatkristallen und anderen kugeligen Heraussonderungen innerhalb bestimmter Granite. Auch hier kann man den Eindruck gewinnen, dass nicht nur einfache Kristallisationsprozesse, sondern komplexere organisierende Vorgänge, möglicherweise auch unter Beteiligung von Diffusion in einer schwer-gallertigen Kieselsäuremasse stattgefunden haben.

Links: Spatkristall mit schwarzem Biotit-Ring (bzw. innerer Biotit-Schale), Schwarzwald
Rechts: kugelige Strukturen in Orthoklas-Granit; Brasilien
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Es gehen solche Formen nahtlos in Kugelgranite über, wie im erwähnten Kapitel gezeigt wird. Ja, teilweise hat man den Eindruck, es handle sich bei gewissen "gewöhnlichen" Granitarten um ehemals stärker durchorganisierte Magmatite, die ihre ursprüngliche Struktur infolge Erhitzung oder sonstiger Metamorphose verloren haben.

Links: Kugelgranit (Rapakivi-Granit) Finnland
Rechts: Evtl. zersetzter und durch Kristallisation überprägter Kugelgranit?, Finnland
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Welche Potenz die selbstorganisierende "Kraft" bei der Mineralbildung an den Tag legt, zeigt das Phänomen der verschiedenartigen Formtypen von substanzgleichen Kristallen:

Links: Chemisch identische Pyritkristalle als Tetraeder, Würfel, Dodekaeder, Kugel und Zwischenstufen. Rechts: Bergkristall (Quarz) in verschiedenen Gestalttypen.
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Das Phänomen kann dadurch erklärt werden, dass die selbstorganisierenden Prozesse, die ja auch bei der Kristallisation wirken, sensibel auf geringste Unterschiede in den chemischen oder physikalischen Randbedingungen reagieren. Die Pyritkristalle auf dem linken Bild sind an ganz verschiedenen geografischen Orten entstanden. In jedem dieser Gebiete kommen meist nur ein oder zwei Typen vor. Einige von ihnen (z.B. der kubische Typ) sind in einem lehmartigen Kalkschlamm gewachsen, indem sich durch Diffusion Schwefeleisensubstanz angereichert hat. Die Kristalle haben im Wachsen den Schlamm verdrängt und können heute bequem aus dem trockenen Kalkmergel herausgelöst werden.
Das gleiche Phänomen zeigen die Bergkristalle, die trotz identischer Substanz oft je nach geografischem Ort eine bestimmte Ausprägung zeigen. Es gibt Mineralienhändler, die eine Vielzahl von Bergkristallen mit Sicherheit an geografische Orte zuweisen können. Und es gibt Bergkristalle (z.B. den Kathedral-Kristall), die weltweit nur sehr selten vorkommen und zugleich eine sehr eigenwillige Formensprache zeigen. Ihre Morphologie ist mit dem Gedanken der atomaren Anlagerung allein nicht erklärbar.

Man ist an diesem Punkt wiederum versucht, an eine von außen wirkende, gestaltgebende Kraft zu denken und könnte sich auch hier auf den geisteswissenschaftlichen Ansatz verwiesen sehen, der mit solchen gestaltgebenden Kräften (Ätherkräften) rechnet.

Es soll nochmals zum Gedanken komplexer organisierender Gesteinsbildungsvorgänge in beispielsweise hartgallertig-schweren, silikatischen Massen zurückgekehrt werden: Einer solchen spekulativen Vorstellung von wasserbeteiligter, diffusionsbedingter Bildung mit präbiotischem Charakter kann man sich noch von einer anderen Seite nähern. An einem Beispiel, das in der Selbstorganisationsforschung allenthalben genannt wird, kann die Weite der denkbaren Möglichkeiten verdeutlicht werden: Es ist das Phänomen des Schleimpilzes:

Der Schleimpilz tritt zu einem bestimmten Moment seiner Lebenszyklen als eine Ansammlung von amöbenartigen Einzelzellen in Erscheinung. Unter bestimmten Umständen (Nährstoffknappheit) schließen sich diese Zellen zu einem organismusartigen Gebilde (oft einer zellwandlosen Plasmamasse mit zahllosen Zellkernen) zusammen, das sich auf dem Untergrund, z.B. verrottendem Pflanzenmaterial schneckenartig herumzubewegen vermag. In einem späteren Stadium können sich je nach Art pilzartige Ausstülpungen ("Fruchtkörper") entwickeln, von deren Ende Sporen ausgesondert werden. Aus den Sporen entwickeln sich dann wiederum die amöbenartigen Einzelwesen.
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Offenbar hat man es hier mit einer Art von Organismus zu tun, der sich wie eine Vorstufe zu den Pflanzen oder Tieren ausnimmt. Es erstaunt die Tatsache, dass die Amöben ähnlich wie die Bienen eines Bienenvolkes von einer übergeordneten Kraft geleitet zu sein scheinen. Man hat entdeckt, dass sich die amöbenartigen Einzelzellen zu ihrer Orientierung einer wellenartig sich ausbreitenden chemischen Reaktion bedienen, die der bereits erwähnten oszillierenden BZ-Reaktion ähnlich ist. Diese organisierenden chemischen Prozesse sind gewissermaßen Teil oder Organ des übergeordneten Schleimpilzorganismus.
Bei gewissen Arten von Schleimpilzen sticht eine Eigenart hervor, die Assoziationen mit geologischen Prozessen weckt: Diese Arten können große Mengen an Kalzium ansammeln, ja es wurden Anteile bis zu einem Zehntel des Gewichts gemessen. Denselben Effekt kennt man von den kalk- bzw. karbonatgesteinsbildenden Stromatolithen- und Korallenbänken. Auch Metalle wie Mangan oder Zink werden von gewissen Schleimpilzarten angereichert. Bei den Diatomeen (Kieselalgen) und Radiolarien des Meeres findet man denselben Anreicherungseffekt in Bezug auf Silikate, d.h. auch Quarz oder Kiesel kann prinzipiell in organischen Prozessen angereichert werden.

Wenn man die geschilderten Eigenarten des Schleimpilzes zusammenschaut und dieses Bild in der Vorstellung mit vergangenen geologischen Zeiträumen verbindet, dann könnte folgende Frage entstehen: Sind vielleicht urtümliche, heute ausgestorbene "Wesen" oder Substanzaggregate denkbar, die an der Grenze zu primitivem Leben standen und die Fähigkeit zu starker Anreicherung von gesteinsbildenden Stoffen wie Kalzium, Silizium, Aluminium, Magnesium usw, ja auch von Metallen besaßen? Und wenn ja, könnten diese Aggregate, die nicht wie die Tiere und Pflanzen durch einen komplizierten Organbau auf eine bestimmte Größe beschränkt gewesen wären, vielleicht eine sehr große Ausdehnung und Produktion erreicht haben? Man denkt hier unwillkürlich an jene großen Pilzsysteme, die an seltenen Orten der Erde kilometergroße Waldflächen mit ihrem Myzel-Geflecht durchdringen. Pilzsysteme, die in dieser Form allerdings nur leichtgewichtige aber hochdifferenzierte Nachfolger jener Substanzaggregate bedeuten würden. Nimmt man noch die Vorstellung hinzu, dass sich solche "Mineraliensammler" in Wasser oder einer wasserähnlichen Flüssigkeit der Ur-Erde ausgebreitet haben könnten, dann sind nochmals größere und produktionsfähigere Aggregate denkbar, bis hin zu Festland bildenden "Riesenteppichen".

Für die Bildung gewisser Kalkformationen wie Stromatolithen- oder Korallenbänke wird ja von Prozessen ausgegangen, die sich in der Nähe solcher Vorstellungen befinden. Bei den Magmatiten bzw. silikatischen Gesteinen werden analoge Überlegungen deshalb nicht gemacht, weil generell von magmatischen bzw. chemo-physikalisch metamorphosierenden Druck-Temperatur-Vorgängen mit wenig komplexer Organisation (d.h. vor allem von Differenziation, Kristallisation und Umkristallisation) ausgegangen wird. Geht man an die silikatisch-kieseligen Gesteine jedoch mit der morphologischen Betrachtungsweise heran, dann kann die Frage aufkommen, ob bei deren Genese gewisse komplexe präbiotische Prozesse stattfanden, die annähernd als lebensverwandt bezeichnet werden könnten. Die definitionsgemäße Voraussetzung für Leben, nämlich der Stoffwechsel, die Reproduktion und die Fähigkeit zur Mutation und Evolution könnte zumindest auf ganz niederer Stufe ohne Zellenbildung und genetische Struktur erfüllt gewesen sein: durch intelligente Organisation mit Stoffdurchfluss, katalytisch bedingter "Vermehrung" und evolutiver Veränderung.

Solche rein spekulativen Gedanken können selbstverständlich keine Beweisführung für irgendeine Hypothese sein, aber vielleicht eine Würdigung gewisser morphologischer Eigenarten der Magmatite und anderer "primärer" Gesteine, die in die Richtung einer größeren Beteiligung von Wasser oder von wasserartigen Substanzen in der Nähe des entstehenden Lebens weisen.

Mit der hier abgeleiteten Vorstellung von Anreicherungen in grossräumigen belebten Substanzaggregaten ist man ebenfalls nahe an den Bildern, die in der anthroposophischen Geisteswissenschaft Rudolf Steiners riesige mineral-pflanzenartige Gebilde auf der jungen Erde zeigen.