Loops kontrollieren Loops

In der Realität existieren keine isolierten Loops. Alles, was existiert, ist mit anderen Dingen verbunden. Wenn A und B in ein Loop-Verhältnis treten, isolieren sie sich von der Umgebung, doch niemals (ausser in simplen Computerprogrammen) so, dass sie sich ganz von ihr isolieren.

Ausserhalb der Computerprogramme, also in Psychologie, Soziologie und Physik, sind Loops immer mit der Umgebung verbunden. Allerdings ist diese Verbindung unterschiedlich stark und gelegentlich sehr komplex.

Typisch für solche komplexen Umgebungen ist der kontrollierte Loop:

Abb. 1: Der Loop zwischen A und B wird durch S gesteuert.

Loops (A-B) mit einer kontrollierenden Steuerfunktion S sind Bestandteile aller komplexen Informationsverarbeitungen. Sie verbinden den Loop mit einem übergeordneten Prozess, der durchaus wiederum ein Loop sein kann.

Kontrollierte Loops in Softwareprogrammen

Beispiel While-Schleife

while (a < c) {
a++;
}

In der Schleife wird die Zahl a solange um eins erhöht (a++), bis sie so gross wie c wird. Dann bricht der Loop ab, und der übergeordnete Prozess kann weiterlaufen.

Bei einem solchen kontrollierten Loop, haben wir es mit zwei Prozessen zu tun:

• dem Loop zwischen den beiden Klammern {}, der im Beispiel die Zahl a immer wieder um eins erhöht
• dem übergeordneten Prozess, der die Grösse von a kontrolliert.

Der übergeordnete Prozess ruft den Loop auf und steuert ihn, indem er prüft, ob die Loop-Bedingungen weiterhin gegeben sind.

Im Beispiel ruft der While-Befehl des übergeordneten Prozess den untergeordneten Befehl a++ auf und führt ihn im Kreis weiter, solange die Kontrolle a<c das erlaubt. Erst wenn die Bedingung a<c nicht mehr erfüllt ist, kann der übergeordnete Prozess weiterlaufen.

Alle «for» und «while» Schlaufen in Computerprogrammen organisieren und kontrollieren solche Loops.

Komplexität

Wir haben es beim kontrollierten Loop der For- und While-Schlaufen immer mit Komplexität zu tun, d.h. mit mindestens zwei verschiedenen Prozessen, die durch die Steuerung S (siehe Abb 1) verbunden sind. Ein Computerprogramm ist dadurch nicht mehr zwingend rein linear organisiert, sondern kann sehr komplex werden.

Ein einziger Faden oder zwei Fäden?

Im obigen Beispiel läuft der Algorithmus mit nur einem Faden (thread). Der aufrufende Faden (das aufrufende Programm) sistiert beim Aufruf des Loops, wird aber nach jedem Durchlauf des Loops wieder aktiv, um zu kontrollieren, ob die Bedingung noch erfüllt ist. Während der Kontrolle ist der Loop inaktiv. Falls die Bedingung nicht mehr erfüllt ist, wird der Loop ganz verlassen und der primäre Prozessfaden läuft weiter. Es ist in diesem einfachen Beispiel also zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur ein Prozess aktiv.

Das macht die Architektur einfacher, ist aber nicht zwingend so. Die beiden Prozesse, der aufrufende und der Loop, können als zwei Fäden (Prozesse) gleichzeitig laufen. Das erhöht die Komplexität, ist schwieriger zu kontrollieren, aber steigert gleichzeitig die Möglichkeiten des Programms. In den Loops der Biologie sind solche gleichzeitig stattfindenden Prozesse und Loops die Regel.

Kontrollierte Loops in der Biologie

Loops mit Kontrolle, analog im obigen Software-Schnipsel, sind die Basis nicht nur aller technischen Steuerungen, sie bilden vielmehr auch in der Biologie die Basis, dass das komplexe Zusammenspiel funktioniert. Sie finden zwischen den Individuen der Spezies als auch zwischen den Spezies selber statt. 

• Auch der menschliche Organismus funktioniert wie jeder tierische Organismus über unzählige Loops und ihre Steuerungen:
• Der Blutdruck muss eine bestimmte Höhe erreichen
• Der Blutzucker darf nicht zu hoch und nicht zu tief sein
• Die Konzentrationen von Na⁺ und K⁺ sind innerhalb und ausserhalb der Zellen verschieden, die Werte werden von den Zellmembranen aktiv gesteuert
• Die Gesamtmenge an Na⁺ (Bestandteil von Kochsalz) hängt u.a. von der Zufuhr und vom Schwitzen ab. Falls zuviel Na+ im Körper ist, scheidet die Niere automatisch mehr aus.
• Die Körpertemperatur bewegt sich in einem engen Bereich, sie wird über mehrere Mechanismen kontrolliert und gesteuert
• Viele Messwerte haben einen zirkadianen Rhythmus, sie zeigen also eine bewusst gesteuerten Verlauf über den Tag. Die Steuerung ist komplex und läuft über die Epiphyse und die weiteren kontrollierenden Drüsen im Hirn und z.B. in der Nebenniere.

Dies sind nur einige der unzähligen biologischen Loopkontrollen. Der biologische Organismus ist hochkomplex und steuert sich selber erfolgreich. Die meisten Werte haben typische Kurvenverläufe, über den Tag, aber auch im Monat (Frauen) und im Jahr (Sommer- und Winteranpassung). 

Beispiel Schilddrüse

Eine typische komplexe biologische Steuerung ist die Steuerung der Schilddrüsenhormone. Sie erfolgt über mehrere Kontroll- und Loop-Ebenen:

• T3/T4, das eigentliche Schilddrüsenhormon, stammt aus der Schilddrüse und wirkt über das Blut auf viele Organe stimmulierend.
• TSH: Thyreoidea-stimmulierendes Hormon. Dieses Hormon stammt aus der Hypophyse im Gehirn und stimmuliert die Schilddrüse dazu, T3/T4 auszuschütten. 
• TRH: Threotropin Releasing Hormon. Dieses Hormon in einem übergeordneten Kreis wieder die Hypophyse dazuj, TSH auszuschütten. TRH satmmt aus dem Hypothalamus,
  
• Epiphyse: Wie wird der Hypothalamus gesteuert? Möglicherweise spielt die Epiphyse (Zirbeldrüse) hier unter anderem eine Rolle. Die Epiphyse ist das dritte Auge der Reptilien, und reagiert auch beim Menschen auf die generellen Lichtverhältnisse. Sie reagiert auf den Tagesverlauf und produziert unter anderem Melatonin, das den Schlaf-Wachrhythmus steuert.

Abb. 2: Steuerungsloops der Schilddrüsenhormone T3/T4:
H-Th = Hypothalamus, TRH = Thyroxin releasing hormone, H-Ph = Hypophyse, TSH = Thyreoidea stimulating hormone, SD = Schilddrüse, T3/T4 = Schilddrüsenhormone

Abbildung 2 zeigt, wie mehrere Loops in einer Kaskade gesteuert werden. Sie präsentiert aber nur einen Ausschnitt aus dem gesamten biologischen Steuerungsgeschehen; die dargestellten Loops können alle von aussen weiter beeinflusst werden. Dies erlaubt es dem Organismus, sehr spezifisch auf die unterschiedlichsten Aussenreize einzugehen. Der biologische Organismus ist prinzipiell ein offenes System und fähig zu unglaublich komplexen und präzisen Leistungen, von denen Software-Konstrukteure nur träumen können.

–> Schleifen über mehrere Ebenen
–> Übersicht:  Loops in Logic