Der "Zufall" in der Evolutionsbiologie und Quantenphysik
Der "Zufall" in der Evolutionsbiologie und QuantenphysikFoto-Quelle: ©Gisela Peter / www.pixelio.de

Der "Zufall" in der Evolutionsbiologie und Quantenphysik

Beitrag von wize.life-Nutzer

Gibt es den Zufall? Auch wenn wir heute in den Naturwissenschaften von Zufällen zu berichten wissen, glauben viele Menschen, dass es den Zufall gar nicht gibt. Alles sei vorherbestimmt durch Gott. Und so geraten wir leicht in Diskussionen über den Glauben, wenn es um den Zufall geht. In diesem Beitrag möchte ich den Zufall einmal ganz nüchtern betrachten.

Determinismus ist eine Anschauung über das Wesen des menschlichen Willens, der sich durch bewusste oder unbewusste Ursachen bestimmen lässt. Der Materialismus der Naturalisten lehrt, der Mensch sei bloß eine Maschine. Und dann kommen die, die überall kausale Verbindungen sehen wollen, die zum Teil übernatürlich verursacht werden bis hin zur Prädestination, was bedeutet, alle Willensakte und Geschehnisse sind vorausbestimmt, sie unterliegen einem unausweichlichem Schicksal. Das ist die roheste Form des Determinismus (Fatalismus) und spiegelt sich in Worten Martin Luthers wieder: „Gott weiß und ordnet alles im voraus" Es gibt auch die, die heute noch den strengen Determinismus der Klassischen Physik anhängen, obwohl die moderne Naturwissenschaft diesen strengen Determinismus seit etwa Mitte des 20. Jahrhunderts aufgegeben hat.

Charles Darwin (1809- 1882), Begründer der Evolutionstheorie, beschäftigte sich mit den Natur-Theologen William Paley (1743- 1805), der in seinem Werk „Natural Theology“ (1802) einen teleologischen Gottesbeweis darlegte, der besagt, wenn man im Wald eine Uhr findet, kann man auf einen Uhrmacher schließen, analog dazu schließe ein Käfer auf einen intelligenten Käfermacher, einen Designer. In seinem Buch „Die Entstehung der Arten“ widerlegt Charles Darwin die These Wiliam Paleys. Richard Dawkins, britischer Biologe beschreibt in seinem Buch „Der blinde Uhrmacher“, dass die natürliche Zuchtwahl, die Darwin entdeckte, ein blinder, unbewusster automatischer Vorgang ist, die auf keinen Zweck zielt. Das ist etwas ganz anderes, als dass, was ein Uhrmacher macht, der plant und die Uhr zu einem bestimmten Zweck herstellt. (vgl, Dawkins Seite 18). In einem Brief an den amerikanischen Botaniker Asa Gray (1810-1888 schreibt Charles Darwin): „Ich kann mich nicht dazu überreden, das ein gütiger und allmächtiger Gott mit Absicht die Schlupfwespen erschaffen haben würde mit dem ausdrücklichen Auftrag, sich im Körper lebender Raupen zu ernähren...“ Schlupfwespen legen ihre Eier im Inneren ihrer Wirtsorganismen ab. Die enstehenden Larven fressen dann von innen den Wirtsorganismus langsam auf und töten ihn (vgl. Kutschera, Seite 98/99).

Anhand eines Experimentes, wie lange es dauern würde, bis ein Affe auf einer Schreibmaschine einen Satz von Shakespeare schreibt, erläutert Dawkins, dass durch die „Ein Schritt -Auslese“ es niemals zu solchen Resultaten gekommen wäre, die wir in der Evolution antreffen. Ein Affe, der nichts lernt aus seinen vorherigen Versuchen ist gnadenlos dem Zufall überlassen. Die „kumulative Selektion“ ist viel effektiver, weil jeder Evolutionsfortschritt registriert wird und zum weiteren Ausbau mit einbezogen wird.

„Der Zufall ist eine unwichtige Zutat im Darwinschen Rezept, die wichtigste Zutat ist die kumulative Auslese, die in ihrer Quintessenz nicht zufällig ist.“ (vgl. Dawkins, Seite 66)

Der berühmte Fluktationstest von Salvador Edward Luria und Max Delbrück (1943) bewies die Gültigkeit der Darwinschen Evolutionstherorie, die besagt, das zufällig angepasste Individuen in einer veränderten Umwelt überleben. In dem Fluktationstest wurde die Spontanmutation, als zufällig ungerichtete Mutation bewiesen. Mutation ist eine spontane Veränderung in den Genen. Eine Bakterienkultur wird auf viele Gläser mit gleicher Nährlösung (Antibiotikum) verteilt, indem sich Bakterien vermehren können. In den meisten Schalen wachsen keine Bakterien, weil sie von dem Antibiotikum zerstört werden. In einigen wenigen Schalen wachsen trotz dem Antibiotikum Bakterienkolonien, weil sie durch spontane Mutation Resistenzen entwickelt haben. Diesen Vorgang nennt man Präadaption, was bedeutet, nachteilige Gene und Genkombinationen können bei Umweltveränderungen oder in einem neuen Lebensraum einen Selektionsvorteil bilden, sodass sie überleben. Und genau das lehrt Darwin in seiner Evolutionstheorie.

Es muss auch erwähnt werden, das Mutationen durch Mutagene induziert werden können. Mutagene sind Einflüsse, die eine Mutation hervorrufen. Zum Beispiel physikalische Mutagene wie Röntgenstrahlung, Temperatur, kosmische Strahlung und chemische Mutagene.

Wenn wir über Mutationen lesen, lesen wir oft, sie seien zufällig und ungerichtet. Ganz so einfach ist das nicht. Könnte es nicht sein, dass z.B. im Fluaktionstest die Mutation einsetzt, weil eben andere Umweltbedingungen (Kontakt mit Antibiotika) da sind? In dieser Hinsicht ist eine Untersuchung am „Campus Vienna Biocenter“ und der „Universität für Bodenkultur“ (2006) in Wien interessant, wo untersucht wird, ob Stressreaktionen Mutationen hervorrufen können. Dann wäre eine Mutation nicht zufällig, sie würden dem Einfluss des pflanzlichen Stoffwechsels unterliegen. Professor Heribert Hirt vom Department für Mikrobiologie und Genetik der Universität Wien:

„Seit einiger Zeit gibt es nun aber Hinweise darauf, dass Mutationen gar nicht so zufällig auftreten. Insbesondere in niederen Organismen wie Bakterien hat man zeigen können, dass bestimmte Stressarten Mechanismen aktivieren, die zu einem häufigeren Auftreten von Mutationen führen" (Quelle).

Wenn wir im alltäglichem Leben oder in der klassischen Physik von einem Zufall sprechen, so ist das, wie der deutsche Physiker Werner Heisenberg (1901-1976) einmal sagte, nur ein „subjektiver Zufall“, denn wenn wir diesem Zufall auf den Grund gehen, können wir eine Ursache finden. Wenn jemand ausgerechnet in einem Flugzeug drin sitzt, welches abstürzt, dann versuchen wir auch herauszufinden, warum das Flugzeug abgestürzt ist, und warum derjenige ausgerechnet in das Flugzeug steigen musste. Es ist unser momentanes Unwissen, wenn uns manches als Zufall erscheint.

Wir wollen jetzt dem "objektiven Zufall" auf die Spur kommen, wie er sich in der Quantenphysik zeigt. Dazu muss ich weit ausholen. Das ist notwendig, um überhaupt zu erahnen, worum es geht. Aus Platzgründen beschränke ich mich aber nur auf das Wesentlichste.

Nach unserem gesunden Menschenverstand und nach den Regeln der klassischen Physik dürfte ein Objekt nicht gleichzeitig Teilchen und Welle sein. Isaac Newton war Zeit seines Lebens sehr angesehen und ein Anhänger der Teilchentheorie. Er entschied sich dafür, dass das Licht nicht aus Wellen, sondern aus Teilchen besteht.
Doch dann kam alles anders. Im Jahre 1802 führte Thomas Young (1773 -1829) das berühmte Doppelspaltexperiment durch: Durch eine Platte mit einem Spalt wird ein Lichtstrahl geschossen, der auf eine zweite Platte mit zwei geöffneten Spalten trifft Auf dem Beobachtungsschirm dahinter sehen wir helle und dunkele Streifen. Machen wir aber in der zweiten Platte einen Spalt zu, sehen wir auf dem Schirm nur eine weiße Fläche. Wie ist es möglich, dass die Helligkeit auf dem Schirm nicht zunimmt sondern abnimmt, wenn die zweite Spalte offen ist? Um der Sache auf der Spur zu kommen, machen wir den gleichen Versuch mit Wasser. Dazu benötigen wir eine Wanne, die durch eine Wand mit in zwei Teile geteilt wird. Diese Wand hat zwei Öffnungen. Wir erzeugen eine Welle, die sich kreisförmig ausbreitet. Die Welle geht durch die Öffnungen der Wand, hinter der Wand bilden sich dann zwei halbkreisförmige Wellen. An manchen Stellen, wo sich die halbkreisförmigen Wellen bewegen, löschen die Wellen einander aus, an anderen Stellen verstärken sie sich. Sie löschen sich dort aus, wo beide Wellen gegeneinander Schwingen, und verstärken sich dort, wo sie in gleicher Weise schwingen. Dieses Phänomen wird Interferenz genannt. Wir können nun das Ergebnis des Doppelspaltexperiments erklären, im wir sagen, das Licht, weil es auf dem Bildschirm ein Interferenzmuster wirft, ist eine Welle. Dieses Experiment wurde eines der bedeutendsten Experimente der Physik und warf Isaac Newtons (1642-1726) Theorie von den Lichtteilchen über den Haufen. Allerdings wurde Newtons Theorie von Max Planck (1858-1947) und Albert Einstein (1879-1955) rehabilitiert, daraus Physiker folgerten, Licht ist gleichzeitig Welle und Teilchen.
Eine ähnliche Entwicklung, dass zwei physikalische Phänomene nur zwei Seiten einer Medaille sind, geschah im 19. Jahrhundert durch die Forschungen von Michael Faraday (1791-1869), der erkannte, das Magnetismus und Elektrizität zusammenhängen. James Clerk Maxwell (1831-1879), ein Physiker aus Schottland, konnte mathematisch vorhersagen, dass es elektromagnetische Wellen geben muss. Er rechnete aus, das elektromagnetische Wellen die Geschwindigkeit des Lichtes haben und postulierte, das Licht sei eine Form elektromagnetischer Strahlung. Wenn wir also das Licht betrachten und uns vorstellen, es besteht aus elektromagnetischen Feldern, dann können wir und das Wellenphänomen des Lichtes in Thomas Youngs Experiment gut vorstellen.

Betrachten wir nun ein einzelnes Lichtteilchen, ein Photon. Wir wissen nicht, warum ein einzelnes Photon im Doppelspaltexperiment auf die helle Fläche des Schirms fliegt und nicht in die dunkele Fläche des Interferenzmusters. Durch Niels Bohr wissen wir, es ist nicht möglich, gleichzeitig den Weg eines Photones zu kennen und das Ziel, das Interferenzbild zu beobachten. Physiker können nur die Wahrscheinlichkeit berechnen, wo ein Photon auf den Schrim auftrift, nämlich irgendwo auf die helle Fläche des Interferenzmusters, wenn beide Spallten offen sind. Der genaue Weg eines Photons aber belibt ungewiss. Daraus folgt, es ist allein dem Zufall überlassen, wo auf der hellen Fläche ein einzelnes Photon dann landet. Wenn es in der Quantenphysik eine tieferliegende Ursache gäbe, warum ein Photon einen bestimmten Weg nimmt, dann wäre es ein „subjektiver Zufall“, sollte aber ein quantenmechanisches Einzelereignis nicht beschrieben werden können, das Teilchen nicht selber „weiß“, welchen Weg es einnimmt, dann hätten wir es wirklich mit einem objektiven Zufall zu tun.

Abschließend soll nun erörtert werden, dass wir es in der Quantenmechanik mit einem objektiven Zufall zu tun haben. Dabei spielt die Rolle der Information eine große Rolle.

Nehmen wir das Buch „Einsteins Schleier“ von Anton Zeilinger in die Hand. Wir schlagen es auf und wissen, dieses Buch ist in deutscher Sprache geschrieben. Das ist die Information, die wir bekommen. Diese Aussage ist wahr. Wenn wir das Buch beim Buchhändler bestellen, reicht es aus, den Titel des Buches zu nennen, und wir bekommen das richtige Buch, obwohl wir das Buch nicht vollständig beschrieben haben. Ein Buch vollständig zu beschreiben, die Art des Papieres, die Lage der Buchstaben auf den Seiten, die Eigenschaften der Atome, aus der das Buch besteht, usw., ist sehr schwer und benötigt eine Unmenge von Informationen. Nach den Gesetzen der klassischen Physik ist es unmöglich, ein Buch vollständig zu beschreiben.

In der Quantenmechanik beschäftigen wir uns aber mit den kleinsten Teilchen. Es ist logisch, wenn wir annehmen, dass diese kleinsten Teilchen, weil sie weniger Information repräsentieren, leichter zu beschreiben sind. Ein Lichtquant, welches durch den Doppelspalt tritt, trägt nur sehr wenig Information. Diese Information legt entweder fest, das Teilchen fliegt durch den einen oder anderen Spalt, oder es legt fest, es gibt ein Interferenzbild. Zusätzliche Informationen, wo das Teilchen auf den Bildschirm trifft, trägt das Teilchen nicht, darum ist der Ort, an welcher Stelle des hellen Bereiches die Landung des Photons erfolgt, rein zufällig. In der Quantenphysik sprechen wir von objektiven Zufällen, weil es keine Ursache für ein Einzelereignis gibt.
Die Suche nach „verborgenen Variablen“ die die Wahrscheinlichkeiten doch erklären könnten, entspricht unserem gesunden Menschenverstand. Mehr aber nicht. Es wäre genauso, wenn Biologen sagen würden, unsere Erbanlagen sind durch Gene festgelegt, aber diese Gene würden sich unserer Beobachtung entziehen.


Prof. Harald Lesch erläutert Werner Heisenbergs "Unschärferelation"

Zufall ist das unberechenbare Geschehen, das sich unserer Vernunft und Absicht entzieht.– Gebrüder Grimm (Deutsches Wörterbuch)

Benutzte Literatur
Richard Dawkins: Der blinde Uhrmacher, dtv 1990
Ulrich Kutschera: Tatsache Evolution, dtv 2009
Anton Zeilinger: Einsteins Schleier, Goldmann, 2005

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