Kristalle, Informationen und der Ursprung des Lebens

Kristalle gehören zu den schönsten Objekten der Natur. Sie werden gut verstanden, allgegenwärtig verwendet und viel bewundert.

Und doch ist die Art und Weise, wie Wissenschaftler sie definieren, spektakulär langweilig. Die International Union of Crystallography definiert Kristalle als Strukturen, die ein Beugungsmuster mit diskreten Punkten erzeugen.

Mit anderen Worten, diese Objekte werden durch den einzelnen Prozess definiert, mit dem sie gemessen werden. Wenn es nicht das erforderliche Beugungsmuster erzeugt, ist es kein Kristall.

Heute argumentieren Julyan Cartwright von der Universität Granada in Spanien und Alan Mackay von der Universität London in Großbritannien, dass diese Definition kurzsichtig und unnötig einschränkend sei.

Sie weisen darauf hin, dass die Konvergenz von Kristallographie, Materialwissenschaft und Biologie einen neuen Zugang zum Studium von Struktur, Form und Funktion eröffnet. Diese neue Wissenschaft befasst sich nicht mit statischen Formen in stabilen Gleichgewichten, sondern mit metastabilen Formen, die der Energielandschaft, in der sie existieren, und dem Informationsfluss zur und von der Umwelt ausgeliefert sind.

Cartwright und Mackay nennen als Beispiel die Struktur von Perlmutt, dem wunderschönen schillernden Biomineral, das bestimmte Weichtiere als Innenfutter ihrer Schalen produzieren.

Dies ist sicherlich eine geordnete, kristallähnliche Struktur, die jedoch nicht das erforderliche Beugungsmuster erzeugt, um als Kristall eingestuft zu werden.

Das ist das Ergebnis seiner Komplexität. Perlmutt wird aus Schichten von sechseckigen Platten aus Kalziumkarbonat in einer „Mauerwerk“-Anordnung gebildet. Diese Schichten sind durch Folien aus Biopolymeren wie Chitin getrennt.

Diese Kombination erzeugt nützliche Eigenschaften. Die Organobleche verhindern die Rissausbreitung, während die Plättchen für Festigkeit sorgen. Perlmutt ist also stark, strapazierfähig und schön.

Doch wie soll ein solches Material beschrieben und analysiert werden? Cartwright und Mackay sagen, dass eine wichtige Überlegung die Informationen sind, die ein Weichtier verwendet, um Perlmutt herzustellen; und das wird durch sein Genom, Proteom usw. bestimmt, die sie zusammen ein Conhome nennen.

Irgendwie entsteht aus all dieser Komplexität und Selbstorganisation Perlmutt. Niemand weiß genau wie.

Ihr Kernpunkt ist jedoch, dass es sich bei dieser Struktur um ein Informationsphänomen handelt. Und dass diese Informationen eine Art Algorithmus oder eine Formel zur Herstellung von Perlmutt sind, analog zu einem Algorithmus, der die Ziffern von Pi erzeugt.

Nur eine Wissenschaft, die diese Informationen berücksichtigt, wird in der Lage sein, Perlmutt und andere ähnliche Materialien vollständig zu beschreiben, sagen Cartwright und Mackay.

Dies ist ein interessanter und ehrgeiziger Ansatz, der das Potenzial hat, die Art und Weise, wie Materialwissenschaftler und Biologen über Form und Struktur denken, grundlegend zu verändern.

Interessant ist, dass sich auch im ganz anderen Bereich der Robotik und Künstlichen Intelligenz ein ähnliches Umdenken in Form und Funktion abzeichnet.

Viele Jahre lang versuchten Robotiker, menschliche Fähigkeiten wie Gehen und Laufen zu kopieren und so Geräte mit einem zentralen Prozessor zu bauen, der jeden Aspekt der Bewegung steuerte.

Dies erforderte Roboter mit Sensoren an jedem Gelenk, die jederzeit Signale über den Zustand jedes Gliedes zurücksendeten. Der Zentralprozessor hat dann eine Bewegungsstrategie festgelegt, eine Trajektorie für die Extremität berechnet und diese dann entsprechend bewegt. Genau so machen es die Menschen. Zumindest nahmen sie das an.

Aber dieser Ansatz scheitert auf spektakuläre Weise, weil das Problem der Koordination all dieser Gelenke rechentechnisch schwierig wird, wenn sich die Bedingungen ändern, zum Beispiel beim Gehen nach draußen oder nach oben oder zum Joggen.

Robotiker mussten also einen neuen Ansatz verfolgen. Es stellt sich heraus, dass Menschen viele Aktionen ausführen, die so schnell sind, dass das menschliche Gehirn unmöglich daran beteiligt werden kann. Das Anspannen, Beschleunigen und Abbremsen von Muskeln, Sehnen und Bändern zum Beispiel beim Sprung von einer Wand.

All diese Veränderungen der Materialeigenschaften erfolgen im Handumdrehen ohne Beteiligung des Gehirns. Stattdessen übernehmen Struktur, Form und Eigenschaften der Materialien diese Aufgabe selbst – die Intelligenz ist eingebaut.

In gewisser Weise lagert das Gehirn die Steuerung dieser Bewegung an die Materialien selbst aus.

Tatsächlich haben Robotiker begonnen, diese Art von Bewegung als Berechnung zu betrachten, da sie grob mit der Rechenleistung gleichgesetzt werden kann, die ein Zentralprozessor für eine ähnliche Aufgabe benötigen würde. Und sie haben begonnen, Roboter nach diesem Prinzip des sogenannten morphologischen Computings zu konstruieren.

Das fängt jetzt an, die Robotik zu revolutionieren. Anstelle von zentral gesteuerten Robotern bauen Ingenieure Bots, bei denen die Intelligenz in Form und Form der Struktur eingebaut ist. Diese können scheinbar komplexe Aufgaben wie Gehen, Laufen und Schwimmen mit wenig oder gar keiner Rechenaufsicht ausführen.

Eine wichtige Erkenntnis bei all dem war ein besseres Verständnis der Rolle der Umwelt. Setzen Sie einen Laufroboter in ein Schwimmbad und er ist hilflos. Form und Form allein verleihen also keine Intelligenz – entscheidend ist das Zusammenspiel von Form und Form und einer bestimmten Umgebung.

Die Art und Weise, wie Informationen aus der Umgebung extrahiert werden können, ist manchmal spektakulär. Ein Beispiel ist ein scheinbar intelligenter Klecks, der ein Labyrinth lösen kann . Aber natürlich kodiert jedes Labyrinth seine Lösung in seiner Struktur. Der Trick besteht darin, ein einfaches System zu entwickeln, das diese Informationen extrahiert.

Dieses Element – ​​die entscheidende Rolle der Umwelt – spielt in Cartwrights und Mackays Ideen noch keine große Rolle. Sie wären die ersten, die anerkennen, dass die Umwelt eine entscheidende Rolle bei der Bildung von Kristallen oder biologischen Strukturen spielt.

Aber in gewisser Weise sind die Prozesse der Kristallisation und Selbstorganisation wie ein Labyrinth-auflösender Klecks: Das Muster oder die Struktur ist eindeutig das Ergebnis einer Art von Informationsextraktion oder -austausch. Ein solcher Ansatz kann auch Licht auf den Ursprung des Lebens werfen.

Der Schlüssel wird sein, die Beziehung zwischen der Umgebung, den sich darin bildenden Strukturen und dem Informationsfluss, der dies ermöglicht, zu verstehen und zu charakterisieren.

Und wenn Kristallographen, Materialwissenschaftler und Biologen das lösen wollen, tun sie vielleicht gut daran, sich mit den Robotikern, Ingenieuren und Evolutionsbiologen zusammenzutun, die mit ganz ähnlichen Ideen liebäugeln.

Ref: arxiv.org/abs/1207.3997 : Jenseits von Kristallen: Die Dialektik von Materialien und Informationen

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