Schleifen (Loops) in gestaffelten Ebenen

Kontrollierte Loops ermöglichen es, Loops miteinander zu verbinden, wodurch komplexe Systeme organisiert werden können.

Abb. 1: Steuerung der Schilddrüsenhormone (T3/T4) über Hypothalamus (H-Th), Hypophyse (H-Ph), Schilddrüse (SD) bis zur Wirkung an den Körperorganen. Die Hormone (Steuersignale) sind gelb, die Organe (Steuerstationen) sind blau markiert. Siehe auch Vorbeitrag.

Die Verknüpfungen (steuerrnde und gesteuerte Organe) verbinden Steuerebenen, die eine eigene innere Dynamik – einen eigenen Signalfluss – haben, aber trotzdem miteinander verbunden sind. Der Datenfluss erfolgt über die drei Hormonarten (gelb markiert). Die Hormone werden über die reglierenden Organe (blau markiert) gesteuert und tauschen über die hierarchisch verbundenen Steuerkreise Informationen untereinander aus. Das ist typisch für biologische Systeme. Durch die Koppelung können Informationen über hierarchisch gestaffelte Ebenen fliessen, von oben nach unten, und umgekehrt.

Informationsfluss in Bitmengen → Ökonomie

Typisch für solche gestafellten Schleifen ist, dass die übergeordneten Schleifen mit wenig Informationen (in Bits) die untergeordneten kontrollieren, in denen dann wesentlich mehr Informationen (in Bits) fliessen. Es findet somit eine Verstärkung der Informationswirkung statt. Dank dieser Verstärkungswirkung gelingt es den biologischen Systemen, auf die Umgebung gezielt und mit wenig Aufand zu reagieren und sich so gegen den Widerstand der zersetzenden Kräfte der Entropie lebend zu halten.

Verstärkung der Informationswirkung

Die Verstärkung der Informationssignale ist das Ziel, das mit dieser Verschachtelung erreicht wird.

Schleifen (Loops) und Biologie

Die Biologie lebendiger Organismen ist darauf angewiesen, dass interne Informationsprozesse stabil organisiert werden. Schliesslich muss der biologische Apparat z.B. eines Menschen z.B. jahrzehntelang halten. Deshalb gibt es sehr viele stabilisierende Loops, welche die Homöostase (das Gleichgewicht) wichtiger Stoffe im Köper aufrecht erhalten.

Gleichzeitig ist der Organismus kein geschlossenes System; im Gegenteil ist jedes Lebewesen auf den Austausch mit der Umgebung angewiesen und muss deshalb offen sein. Wir brauchen Nahrung, Wasser und Luft von aussen für unser Überleben. Das bedeutet, dass die Steuerungsvorgänge im Körper auf Störungen flexibel reagieren können müssen. Dies geschieht über unzählige Schleifen, welche idealerweise auf Abweichungen so reagieren, dass der momentane Idealwert immer wieder gefunden wird.

Verstärkerwirkung

Bei der Steuerung treten typische Verstärkereffekte auf, ähnlich wie sie in einem elektrischen Transistor stattfinden. Bei einer solchen Verstärkung steuert eine übergeordnete Schleife eine untergeordnete. Der Steuerungseffekt wurde bereits im Beitrag zu den kontrollierten Loops behandelt:

Abb. 2: Der übergeordnete Informationsfluss (offene Pfeile oben) steuert (S) einen untergeordneten Fluss (A-B). 

Solange der übergeordnete Informationsfluss  den gesteuerten Kreislauf (A-B) über den Schalter S positiv beeinflusst, wird der Fluss (Effekt) im untergeordneten Kreislauf verstärkt. Im umgekehrten Fall, wenn also der übergeordnete Kreislauf den Schalter S hinunter reguliert, schwächt sich gesteuerte Kreislauf ab.

So geschieht das z.B. in der Schilddrüse (Abb. 1): Das Hormon TSH stimuliert die Schilddrüse (SD), die Hormone T3/T4 zu produzieren und steuert dadurch die eigentliche Hormonwirkung auf die peripheren Organe.

Die Verstärkerwirkung ergibt sich dadurch, dass wesentlich weniger Moleküle des Hormons TSH nötig sind, um eine viel grössere Menge T3/T4 zu produzieren. Das gleiche findet eine Stufe höher statt: Mit wenigen Molekülen TRH können viele Moleküle TSH gesteuert werden.

Wir können dies materialistisch interpretieren, über die Hormonmengen, doch es ist klar, dass die eigentlich Verstärkerwirkung eine Informationsverstärkung ist: Mit ganz wenigen Bits im übergeordneten Kreislauf können ganz viele Bits im Effektorkreislauf gesteuert werden.

Verstärkereffekte in Technik und Biologie

Im 20. Jahrhundert gelang es, mit Elektronenröhren solche Verstärkereffekte zu erreichen und es wurden erste Röhrencomputer gebaut, von Zuse in Berlin und der Eniac-Rechner der amerikanischen Armee. Bald gelang es, den gleichen Effekt mit Kristallen (Transistoren) zu erreichen, welche wiederum später zu Chips zusammengefasst wurden, die heute die Hardwaregrundlage unserer Rechner bilden. Das Prinzip ist immer das gleiche: es geht um die Steuerung eines Stromflusses durch eine dritte Elektrode, wodurch Verstärkereffekte erreicht werden: ein kleiner Strom steuert einen grossen.

Dieses Steuerungsprinzip wurde entscheidend für den phänomenalen Erfolg der IT. Doch das Prinzip ist viel älter, die Biologie macht seit jeher ausgiebigen Gebraucht von der Möglichkeit, über Verstärkungen mit wenigen Steuersignale (TRH) eine grosse Menge an Steuersignalen (T3/T4) zu generieren.

Informationsverstärkung über gestaffelte Ebenen

Wir sind hier auf einem Gebiet, das Physik, Biologie und IT gleichermassen betrifft. Natur und Technik gehen beide mit Information um, für beide sind Signale und ihre Organisation essentiell. Biologie und Technik spielen sich beide in der Realwelt welt, es gelten deshalb auch die Gesetze der Physik.

​Steuerung mit minimaler Signalmenge → Ökonomieprinzip

Der Vorteil von zwei Steuerkreisen (Schleifen) in zwei hierarchisch gekoppelten Ebenen liegt darin, dass der übergeordnete mit minimalem Aufwand den untergeordneten steuern kann.

In Abb. 1 entsprechen die Hormone (gelb) den Steuersignalen der Steuerkreise und die Organe (blau) den Schaltern zwischen den Kreisen.

Der untergeordnete Loop führt als Effektor die Arbeit aus, welche der übergeordnete Loop dirigiert. So muss in Abb.1 das Schilddrüsenhormone (T3/T4) praktisch alle Organe des Körpers erreichen, es braucht somit eine grosse Signalmenge (Hormonmenge) davon. Der übergeordnete Loop (TSH) muss nur die Schilddrüse erreichen, er verbraucht und braucht somit wesentlich weniger Hormonmoleküle. Dafür integriert der übergeordnete Loop mehrere Signale, neben der erreichten Menge der zu produzierenden Hormone (T3/T4), die er produziert, werden auch Signale von aussen und von noch höheren Steuerkreise (TRH) integriert. Der übergeordnete Steuerkreis «weiss» also mehr, dafür «bewirkt» der untergeordnete mehr. Zwischen beiden Steuerkreise erfolgt eine Verstärkung über das Steuerorgan (SD), welches TSH empfängt und T3/T4 produziert.

Informationstheoretisch gesehen, erfolgt eine Vermehrung der Signalmenge – in Bits.

Widerspruch zum Entropiesatz?

Dieser quantitative Effekt ist ungewöhnlich. Er widerspricht auf den ersten Blick dem 2. Hauptsatz, dass die Menge an Information (Entropie) im Gesamtsystem nicht vergrössert werden kann. Der Widerspruch ist aber nur ein scheinbarer. Denn der 2. Hauptsatz gilt nur in einem geschlossenen System. Der biologische Organismus ist aber stets ein offenes System.

Offene Systeme in der Biologie

Biologische Organismen – Lebewesen – sind nie geschlossen. Sie stehen in stetem Austausch von Material und Information mit ihrer Umgebung. So überleben sie. Die Abbildung 1 oben ist deshalb nur ein Ausschnitt aus dem Gesamtsystem. Hier eine etwas ergänzte Darstellung:

Abb. 3: Das Schilddrüsen-Steuersystem ist ein offenes System

Es gibt in realen Organismen stets sehr viele unterschiedliche Regelkreise, die komplex miteinander verbunden sind. Abb. 3 zeigt einige der Schleifen und ihre Verbindungenen übere die drei Verstärkerstationen Hypothalamus, Hypophyse und Schilddrüse. Die eingezeichneten Steuersignale nimmt der Organismus als Input wahr, doch über seine Effektororgane (z.B. Muskeln) kann der Organismus auch nach aussen Wirkung zeigen (Arbeit).

Fortsetzungen zum Thema (geplant):
– Kybernetik, Rückkoppelung
– offene und geschlossene Systeme
– Maxwell’scher Dämon
– Entropie, Autopoiese und Autopersistenz
– Ökonomieprinzip (Ockham)

-> kontrollierte Loops
-> Loops in Logic (Übersicht)