Einführung zur Cognition bei Zellen: 

Es hat sich in den letzten 20 Jahren ein Paradigmenwechsel, ein Umdenken bezüglich der Vorstellung von wesentlichen Aspekten bei Einzellern und Bakterien vollzogen. Man hielt nämlich Lebewesen erst  dann für cognitiv - gemeint ist damit das Auftreten von Wünschen, Absichten, Präferenzen, Entscheidungen, Gedächtnis und Vorausschau - wenn ein komplexes Nervensystem vorhanden war. 
Nun ist klar, dass diese Fähigkeiten und Verhaltensweisen schon bei Bakterien vorkommen.
Deren Stoffwechsel und deren morphogenetische Prozesse dienen dem Überleben; Sie sind funktionell, folgen einem Ziel, im Gegensatz zu Stoffumwandlungen in der unbelebten Natur. 
Beide Prozesse, Stoffwechsel und Morphogenese, sind unvorstellbar komplex. Ihre Existenz setzt einen hohen Energiedurchsatz voraus, der gezielt aufrechterhalten wird. Man nennt diese Funktion der Aufrechterhaltung "Homeostase". Dies ist ein Prozess, der nach Addy Pross bei Lebewesen ohne Cognition nicht möglich ist. 
Ich möchte auf dieser Webseite diesen Paradigmenwechsel klar darstellen und auf seine Bedeutung bei der Entstehung des Lebens, in der individuellen Entwicklung und bei der Evolution hinweisen.

Themen, die genauer beleuchtet werden:

Die Zelle als  Basiseinheit 

des Lebens

Abschied vom 

Maschinenparadigma

Komplexität der Zellvorgänge

Die cognitive Zelle

Die Bioelektrik der

 Morphogenese

Biorobotik und Intelligenz

Cognition basierte Evolution

Entstehung des Lebens

Eine Membran, die Zellmembran, erzeugt einen Innenraum, der im Austausch mit dem Raum außerhalb der Zelle steht. Sowohl Energie als auch chemische Stoffe werden ausgetauscht. 

D.h. die Zelle nimmt hochorganisierte Substanzen, wie z.B. Zuckermoleküle auf und setzt sie unter Freiwerden von Energie in einfache Verbindungen wie Kohlendioxid und Wasser um (Katabolismus). Dabei werden große Energieportionen (Zucker) zu kleinen Portionen (ATP) umgewandelt, die es der Zelle erlauben eigene Substanzen aufzubauen oder Bewegungen ermöglichen (Anabolismus). Erfolgt diese Umwandlung mit Hilfe von Sauerstoff, so spricht man von Atmung. 

Maschinen unterschiedlicher Größenordnung

Die Umwandlung von Stoffen in Zellen erfolgt mit Hilfe von Biokatalysatoren, den Enzymen. Sie funktionieren nach dem Schlüssel Schloss Prinzip. Aber auch alle anderen Vorgänge in der Zelle gehorchen diesem Prinzip: wie z.B. Signale und ihre Rezeptoren, Antikörper und Antigene, Viren und ihre Andockstellen in den Zellen, Ionen kanäle, Transportsysteme usw.

Dissipative Strukturen, Homeostase, das Kantsche Ganze, Unterscheidung zwischen selbst und fremd

Die Zelle unterscheidet zwischen Innen- und Außenwelt. Sie besitzt im Inneren ein bestimmtes Milieu, das sie gezielt aufrechterhält. Die Aufrechterhaltung der Gestalt und Physiologie bezeichnet man bei einem Lebewesen als Homeostase. Sie ist nur aufgrund eines Durchflusses von Energie möglich. Man spricht von einer dissipativen Struktur (durchströmten Struktur), deren Gestalt aufgrund ihrer Kinetik stabil bleibt. Es handelt sich dabei um eine DKS-Struktur (Dynamic Kinetik Stability). Eine Unterbrechung des Energiedurchflusses führt zur Zerstörung der Zelle und damit zum Tod des Lebewesens.
Beispiele für solche DKS-Strukturen sind z.B. eine Wasserfontäne oder Benar`sche Zellen (siehe unten). Diese beiden Phänomene unterscheiden sich jedoch in dem Punkt, dass die Wasserfontäne keine unerwartete spontan gebildete Struktur ist, die Benar`schen Zellen jedoch schon. Es entsteht hier wie aus dem Nichts eine geordnete dynamische Struktur. Dasselbe gilt bei Lebewesen. D.h. Benar´sche Zellen haben eine größere Ähnlichkeit mit Lebewesen als Wasserfontänen; sie unterscheiden sich jedoch in einem Punkt von diesen; Sie sind nicht zum Aufrechterhalten ihres Zustands weit entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht in der Lage; sie sind nicht homeostasefähig, wie z.B. eine Zelle, die aktiv Futter aufsucht oder eine Lerche, die über einem Feld in der Luft steht, ohne abzustürzen.
Charakteristisch für Maschinen ist, dass sie diese Durchströmung von Energie nicht benötigen, um ihre Struktur aufrechtzuerhalten. Der Motor eines abgestellten Autos behält seine Gestalt und bleibt funktionsfähig.

Die Zelle ist ein Kantsches Ganzes. D.h. die Teile sind nötig, damit das Ganze erhalten bleibt und das Ganze sorgt für die Bildung der Teile. Bei einem Motor trifft das nicht zu. Ein arbeitender Motor trägt nicht dazu bei seine Struktur zu erzeugen. Aber bei einem zyklischen chemischen Prozess, ist genau das der Fall.
A -> B->C-> A. Derartige Zyklen gibt es unzählige in der Zelle, wie z.B. den Krebszyklus.  D.h die Zelle ist ein Kant´sches Ganzes im Gegensatz zu einer Maschine. Derartige Zyklen führen zu autokatalytischer Verstärkung der Prozesse und damit zu ihrer exponentiellen Beschleunigung.                                                                                                                                                                                                               
Die Zelle unterscheidet zwischen selbst und fremd, und sie muss ihre Integrität vor allem gegen andere Organismen verteidigen. Schon Bakterien enthalten komplexe Immunmechanismen, die es ihnen z.B. ermöglichen fremde DNA, z.B. die DNA von Viren zu erkennen. Die bekannte Genschere Crispercas9 basiert auf dieser Fähigkeit.
 

Die Benar`schen Zellen entstehen spontan, wenn man Wasser in einer Petrischale erhitzt. Es sind Strömungstrukturen mit 6-seitigen Zellen, die sich spontan bei einer gewissen Temperatur in einer mit Wasser gefüllten Petrischale bilden, wenn die Schale von unten erhitzt wird.
Sie sind das typische Beispiel für eine dissipative Struktur, die eine dynamische kinetische Stabilität (DKS) besitzt.

Die Lage der Chromosomen wird mit Hilfe der Microtubuli auf die mittlere Zellebene, die sogenannte Äquatorialebene ausgerichtet. Im Lichtmikroskop kann man mit Hilfe von Zeitraffervideos diesen Vorgang beobachten. Wie von Geisterhand geführt, bewegen sich die zweichromatidigen Chromosomen an die richtige Stelle. Bei dieser Animation sieht man, wie man sich diesen Prozess auf molekularer Ebene vorstellt. 

Wie der Versuch der Lebenserhaltung, d.h der Erhaltung des Selbst, von einer sentienten neutrophilen Immunzelle und einem Bakterium aussieht, können Sie in dem folgenden Video  verfolgen, in dem der Einzeller ein Bakterium auf eine Weise jagt, wie man es sonst eher bei einer von einem Jaguar verfolgten Gazelle sieht.

Beim Axolotl  gehören diese Regenerationen von Gliedern, Augen, Kiefer, Teile des Gehirns und des Schwanzes zum normalen Regenarationsprogramm. Den Algorhythmus für dieses Programm hofft man zu verstehen, um durch einen medizinischen Eingriff diese Vorgänge auch beim Menschen möglich zu machen.
Wie dies bei Fröschen geht, sehen Sie im nächsten Bild.

Durch diesen Cocktail werden die amputierten Frösche auf einen früheren Setpoint zurückgesetzt, von dem aus die erneute Ausbildung des Beines möglich ist. Adulte Frösche besitzen im Vergleich zu Axolotls diese Fähigkeit der Regeneration normalerweise nicht. Ähnliche Versuche wurden auch mit Mäusen durchgeführt, jedoch bisher ohne Erfolg.

Spannungsabhängige Farbstoffe ermöglichen eine Untersuchung des bioelektrischen Musters, das man verstehen muss, um Reprogrammierungen vornehmen zu können.

Für Levin ist ein wichtiges Ziel, die Algorithmen für die morphogenetische  Entwicklung eines Individuums auf der Ebene der Bioelektrik zu verstehen, um die Erkenntnisse auch für die Medizin nutzbar zu machen:
Z. B. für die Regeneration von Organen oder Gliedern (siehe Bild), aber auch für  die Krebsheilung oder sonstigen Fehlbildungen.

Diese Picassofrogs sind gleichzeitig ein Beispiel für ein hochintelligentes Gewebe, dass sich normal entwickelt trotz massiv die Lage verändernden  Eingriff in der Entwicklung des Froschkopfes 

Z.B. Bakterien haben einen kleinen Carekegel mit einem Raumkegel mit maximal wenigen Zentimetern  und einen Zeitkegel (Vorausschau, Gedächtnis) von wenigen Minuten bis Stunden. Beim Menschen ist dieser Carekegel natürlich riesengroß, räumlich im Prinzip das ganze Universum, zeitlich ist dieser Kegel potentiell unendlich.
 
Diese Carekegel Vorstellung ist auch bei den meisten Religionen der Maßstab für die Entwicklungshöhe eines Menschen. Ihr Ziel ist es, im mysthischen Erleben mit der Welt Eins zu werden: Tat tuam asi (Das bist du) auf sanskrit. Das ist dann der Fall, wenn du dich in der Welt erkennst und dich mit ihr Eins fühlst.

Cognitions basierte Evolution

 Cognition-Based Evolution ist die erste umfassende Alternative zum Neodarwinismus des 20. Jahrhunderts und schlägt einen radikalen evolutionären Rahmen für das 21. Jahrhundert mit einem neuartigen Ausgangspunkt vor: Alle Zellen sind intelligent und müssen unsichere Umweltinformationen messen, um sich selbst zu erhalten. In der cognitionsbasierten Evolution wird das Leben durch Cognition definiert. Aus dieser Haltung heraus verwandelt sich die Evolutionsbiologie in die Wissenschaft des Warum, Wie, Was und mit Wem Zellen unter stressigen Umweltbedingungen kommunizieren. Der Kontext des Lebens ist unsichere Umweltinformation, Kommunikation ist sein Mittel, und Gene sind seine Werkzeuge. Evolution ist ihre Ausbeute als kontinuierliche, nicht-zufällige, selbstreferentielle zelluläre Problemlösung.

Evolvability

Diese neue Form der Lösung der Idee der Evolutionsproblematik wurde nötig, da sich immer mehr herausstellte, dass die klassische moderne Synthese der Evolution, die rein auf Zufall der Mutation + Notwendigkeit der Selektion basiert, nicht zu den momentan vorhandenen Strukturen führen kann. Vor allem haben die Creationisten und Intelligent Designer Anhänger deutlich gemacht, dass sich diese Zusammenlagerungen von Aminosäuren zu einem passenden Protein nicht zufällig ergeben können. Die Möglichkeiten für ein typisches 300 Aminosäure langes Protein sind 20 hoch 300 . Eine unvorstellbar große Zahl, x mal so groß, wie alle Atome des bekannten  Universums. Es braucht hier also Prozesse und Strukturen, die den Zufall reduzieren. Allgemein hat man die Aufgabe dieser Vorgänge als Erhöhung der Evolvierbarkeit (Evolvability) angeschaut. Wenn z.B. eine Zelle eine Mutation hat, die es ihr erleichtert Zucker effektiver umzuwandeln, aber den Nachteil, dass dieser Zucker sich in bestimmten Kompartimenten ansammelt, kann sie sich vielleicht mit einer anderen Zelle vereinigen, um diesen Missstand abzuhelfen. D.h. die Zelle ist nicht nur passiv, sondern reagiert aktiv (wie ein Agent)und intelligent auf bestimmte zufällig herbeigeführte Situationen. Dadurch kann Sie die Anzahl vorteilhafter Mutationen erhöhen und damit die Evolvierbarkeit, sodass sich die Evolution beschleunigt.
Im Vererbungschma Waddington sind einige Vorgänge dargestellt, die diese Evolvierbarkeit erhöhen.

Waddington hat gewissermaßen in den 60iger Jahren schon den Rahmen geschaffen, indem sich die cognitive Zelle oder der cognitive Zellverband evolvieren können.
Phänotypische Vererbung macht es möglich, dass sich zunächst etwas durch die aktive Anpassung einer messenden cognitiven Zelle verändert, das dann anschließend erst genetisch fixiert wird.

Die Entstehung des Lebens stellt einen ungeheueren Übergang von 9 Größenordnungen dar. Der Übergang von einem chemischen Molekül zum Bakterium entspricht einem Übergang von einer Prise Salz zu einer Gruppe von 700 Elefanten. Wie soll sich dieser Übergang vollziehen?

Dieser Übergang entspricht dem eines chaotischen Molekülsalats in eine hochorganisierte Zelle. Die große Frage ist, wie haben sich diese Übergänge vollzogen?

Nun gibt es jedoch dynamische Vorgänge wie z.B. eine Fontäne oder benar`sche Zellen (Bild siehe weiter oben), die relativ stabile Strukturen darstellen, die jedoch nur zeitlich ihre Form behalten, aber sich materiell ständig wandeln, weil ständig anderes Wasser die Fontäne und die Benar`schen Zellen durchläuft. Analoges gilt für die DKS-Struktur (dynamic kinetic stability),  die wir selbst haben: Wenn man selbst in den Spiegel schaut und dann erst wieder 10 Jahre später, so erkennt man sich im mittleren Alter sehr gut wieder, obwohl kein Molekül im Körper noch das gleiche ist, wie vor 10 Jahren. Wir haben also in all diesen Fällen einen hohen Material- und Energiedurchsatz, der unsere Struktur in ähnlicher Weise erhält wie die funktionierende Pumpe im Fall der Fontäne. Sobald wir nichts mehr Essen, sterben wir, genauso wie das Bakterium auf dem Bild.
Die bisher ungelöste Frage ist: wie ist Leben entstanden?

Dabei sorgt das Replikatormolekül dafür, dass aus einem Molekül zwei gleiche neue Moleküle entstehen.
In der DNA kommen  4 verschiedene Bausteine vor, aus denen das Molekül prinzipiell besteht. Die Abfolge der Bausteine, beim Menschen (insgesamt 3 Milliarden) soll bei der Replikation erhalten bleiben.
Das Prinzip der Autokatalyse sorgt dann dafür, dass der Aufbau und Abbau von Molekülen, die am Replikatormolekül beteiligt sind, sich ausgleicht.

Die Entstehung von Leben ist dann möglich, wenn ein Replikationsprozess kombiniert mit der Autokatalyse sich selbst erhält und in der Zelle eine Homeostasefunktion auftritt, die für die Aufrechterhaltung dieses Zustands sorgt. Nur dann kann sich die dynamische kinetische Stabilität (DKS) erhalten. Eine spektakuläre DKS Gestalt zeigt die Belousov Zabotinski Reaktion (siehe das Video unten).
Im Bereich des Lebens findet man diese Struktur wieder und zwar bei der Aggregation von Schleimpilzzellen der Art Dictyostelium discoideum zu einem Zellhaufen. Durch ein Dunkelfeldmikroskop aufgenommen werden die verschiedenen Phasen der Zellbewegung und Ruhe als optisch unterschiedlich dichte Streifen sichtbar, die dem gleichen dynamischen Muster folgen wie bei der Belousov Zabotinski Reaktion. Schleimpilze können jedoch diesen Zustand gezielt hervorrufen und zwar immer dann, wenn sie hungern, strömen sie auf diese Weise zusammen. D.h. hier kann man den Übergang von Chemie in Biologie am deutlichsten sehen. Dieser Übergang ist mit der Homeostasefunktion verbunden und damit mit der Cognition.

Addy. Pross findet eine Analogie von Begriffen physisch/chemischer Natur  mit biologischen Begriffen: der Begriff der Fitness entspricht dabei der DKS (siehe Diagramm oben). Sodass sich dadurch auch die Ähnlichkeit der chemischen Evolution mit der biologischen zeigt.
Die DKS Strukturen evolvieren in Richtung größerer dynamischer kinetischer Stabilität durch komplexere Strukturen. Der entscheidende Schritt zum komplexen biologischen Leben ist die Homeostasefunktion des DKS-Stadiums mit Hilfe der Cognition.

Die dynamische Gestalt, die DKS-Struktur entspricht in der Anfangsphase genau der der Belousov Zabotinski Reaktion. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass die Dictyosteliumzellen in der Lage sind, diese Struktur selber herzustellen und aufrechtzuerhalten, d.h. dass sie homeostasefähig sind und deshalb als cognitiv bezeichnet werden müssen.