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Emergenz

Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Eine Beschreibung der Emergenz in der Botanik findet sich unter Emergenz (Botanik).

Emergenz (lat. emergere: auftauchen, hervorkommen, sich zeigen) ist die spontane Herausbildung von Phänomenen oder Strukturen auf der Makroebene eines Systems auf der Grundlage des Zusammenspiels seiner Elemente. Dabei lassen sich die emergenten Eigenschaften des Systems nicht offensichtlich auf Eigenschaften der Elemente zurückführen, die diese isoliert aufweisen.

Inhaltsverzeichnis

Schwache und starke Emergenzthese

Emergenz ist grundsätzlich in einer schwachen und einer starken Form denkbar. Die schwache Form der Emergenz entspricht einer nur vorläufigen Nichterklärbarkeit emergenter Systeme auf der Grundlage der Beschreibung ihrer Elemente. Dagegen wird bei der starken Form von einigen zeitgenössischen Wissenschaftlern wie z.B. Stuart Kauffman auch die prinzipielle Nichterklärbarkeit angenommen.[1] Damit im Zusammenhang steht auch die von Donald Davidson in der Philosophie des Geistes entwickelte Vorstellung der "abwärtsgerichteten" Kausalität von geistigen auf physikalische Prozesse.

Von Gegnern der Emergenztheorie wird vorgebracht, dass viele ehedem als emergent erklärte Eigenschaften des menschlichen Bewusstseins sich durch die Kenntnis der Eigenschaften der Bestandteile des Gehirns (z. B. der Nervenzellen und der Synapsen) erklären ließen. Allerdings ist selbst bei vergleichsweise einfachen physikalischen Phänomenen, wie etwa Wetterereignissen, die vollständige Erklärung von Makrophänomenen auf der Ebene von Elementarteilchen praktisch so fernliegend, dass der Unterschied zwischen schwacher und starker Emergenz aktuell wenig Relevanz hat.

Emergenz als disziplinübergreifendes Konzept

Emergenz wird oft als Argument gegen einen reduktionistischen naturwissenschaftlichen Atomismus verwendet. Emergenztheoretiker bestreiten damit, dass eine vollständige Beschreibung der Welt allein aufgrund der Kenntnis der Elementarteilchen und allgemeiner physikalischer Gesetze prinzipiell möglich ist (vgl. Laplace'scher Dämon). Die Anerkennung emergenter Phänomene muss deshalb nicht auf einen Verzicht auf wissenschaftliche Erklärungen hinauslaufen. Vielmehr zeigen die Entwicklungen in der Systemtheorie und der Chaostheorie, dass Emergenz, verwandte Phänomene wie Selbstorganisation und ihre Entstehungsbedingungen durchaus systematischen und objektiv nachvollziehbaren Erklärungen zugänglich sind. Allerdings tritt an die Stelle der hierarchischen Ableitung aus universalen Gesetzen ein transdisziplinärer Dialog, dessen Ziel es ist, analoge Strukturen komplexer Systeme auf unterschiedlichen Emergenzebenen zu vergleichen.

Allgemeine Eigenschaften von Emergenzen

Irreduzibilität

Manche emergente Eigenschaften können dann bei einer reduktionistischen Betrachtungsweise nicht entdeckt werden, wenn sie erst im Zusammenwirken mit anderen Subsystemen auftreten. (Im Beispiel des Wolfes kann Sozialverhalten erst dann untersucht werden, wenn die Gemeinschaft der Mitglieder eines Wolfsrudels beobachtet wird.)

Andererseits ist es in manchen Fällen möglich, bestimmte Elemente oder Wirkzusammenhänge zu ändern oder gar zu eliminieren, ohne dass sich bestimmte emergente Eigenschaften des Systems verändern, während andere sich sehr wohl ändern können. Beispiel: Die Fahrtüchtigkeit eines Autos hängt nicht von der Farbe der Sitzbezüge ab, wohl aber die Innenraumtemperatur bei Sonneneinstrahlung.

Ob also bestimmte Elemente oder Wirkzusammenhänge reduzibel sind, hängt davon ab, wie essentiell oder bedeutend sie für die Ausbildung der emergenten Eigenschaft sind.

Systeme, die aus repetitiven Einheiten zusammengesetzt sind, sind numerisch reduzierbar: Man kann die Anzahl der Elemente bis zu einer Grenzzahl von Einheiten verringern, ohne dass emergente Eigenschaften verloren gehen. Dies ist vor allem bei chemischen Stoffen und ihren spezifischen Eigenschaften der Fall. Beispiel: Wasser ist bei Zimmertemperatur flüssig, ein einzelnes Wassermolekül ist es nicht. Diese Eigenschaft ist daher emergent, weil sie sich erst aus dem Zusammenspiel vieler Wassermoleküle ergibt. Nach dem gleichen Denkmuster ist ein Baum kein Wald.

Es existiert für jedes System eine Mindestanzahl von interagierenden Bausteinen, die für die Entwicklung einer emergenten Eigenschaft notwendig ist.

Unvorhersagbarkeit

Wird ein neues Subsystem in ein bestehendes System integriert, also mit den anderen Systemelementen durch Wirkbeziehungen verknüpft, kann das System neue, emergente Eigenschaften aufweisen, die nicht vorhersehbar waren. So definiert der Evolutionsbiologe Ernst Mayr: [Emergenz ist] In Systemen das Auftreten von Merkmalen auf höheren Organisationsebenen, die nicht aufgrund bekannter Komponenten niedrigerer Ebenen hätten vorhergesagt werden können.[2].

Gründe hierfür:

Kontextbedingungen

Die Kontextbedingungen emergenter Systeme stimmen weitgehend mit den Eigenschaften selbstorganisierter Systeme überein. Eine wichtige Rolle spielen dabei Rückkopplungsprozesse auf der Basis von Selbstreferenz oder zirkulärer Kausalität. Ein einfaches Beispiel ist die Entstehung von Rippelmarken auf einer Sandfläche, die von Luft oder Wasser überströmt ist. Durch wechselseitige Verstärkung von zunächst minimalen Unterschieden in der Oberflächenstruktur und Turbulenzen in der Strömung kommt es zur Herausbildung von Mustern.

Geschichte der Emergenztheorie

Anfänge in Philosophie und Psychologie

Emergenz bezeichnet in Philosophie und Psychologie das Phänomen, dass sich bestimmte Eigenschaften eines Ganzen nicht aus seinen Teilen erklären lassen. Ein früher Vorläufer der Theorie von emergenten Eigenschaften eines System findet sich in der Metaphysik des Aristoteles. Vereinfacht wird das entsprechende Zitat in dem populären Ausdruck „Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile“ wiedergegeben (siehe Holismus und Gestaltpsychologie). Als weitere Vorstufen der Emergenztheorie können auch pantheistische Vorstellungen etwa bei Giordano Bruno und Baruch de Spinoza angesehen werden. Ihnen zufolge basiert die natürliche Ordnung weder auf einem personalen, intelligenten Wesen, noch kann sie auf isolierte materielle Elemente reduziert werden. Diese Gedanken wurden in der Philosophie des deutschen Idealismus und zum Teil im Marxismus aufgegriffen und in einer „dialektischen Naturphilosophie“ weiterentwickelt. Protagonisten sind etwa Hegel, Schelling und Friedrich Engels. Bekannt wurde die emergenztheoretische Relevanz der dialektischen Philosophen vor allem durch die politische Formel vom revolutionären Umschlag von Quantität in Qualität.[3]

Aber auch in der liberalen angelsächsischen Tradition finden sich emergenztheoretische Vorstellungen. So schrieb John Stuart Mill über die Emergenz neuer Eigenschaften in chemischen Reaktionen.[4]

Zum ersten Mal explizit verwendet wurde der Begriff der Emergenz im Zusammenhang mit der Erklärung von Bewusstsein durch George Henry Lewes.[5]

Zusammen mit dem britischen Philosophen Samuel Alexander entwickelte Conwy Lloyd Morgan die sogenannte Emergenz-Theorie, welche die Bewusstseinsbildung als ein evolutionäres Phänomen ansieht, das sich biologisch nicht hinreichend erklären lässt. Neben Morgan und Alexander ist C. D. Broad ein Vertreter der „Emergenzphilosopie“[6]. Die Emergenztheorie spielt in der neuzeitlichen Ontologie, bei der Erklärung des Bewusstseins, des Ich und des subjektiven Geistes eine bedeutende Rolle. Vor allem in der Philosophie des Geistes kam es seit den 1970er Jahren zu einer Renaissance des Emergenzbegriffes.

Prozesstheorie Norbert Elias

Der Soziologe und Humanwissenschaftler Norbert Elias geht im Rahmen seines Prozessmodells der Großen Evolution auf den Mechanismus ein, durch den bei Evolutionssprüngen Neues entsteht: die Integration bzw. Kombination bestehender Phänomene und die Funktionsteilung zwischen ihnen. Dabei füllt Elias die in der Literatur häufig vorkommende, aber oft relativ abstrakte Behauptung mit Leben: „Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile.“ Durch die Verbindung relativ einfacher Einheiten entstehen zusammengesetzte, komplexere Einheiten, deren Teile in gegenseitiger Abhängigkeit voneinander stehen, so dass kein Teil entfernt werden kann, ohne mehr oder weniger gravierende Folgen für die ganze Einheit und ihre Teileinheiten zu haben, im Extremfall den Zerfall beider in einfachere Einheiten zu verursachen.

Diese Integration und Funktionsteilung, die gegenseitige Abhängigkeit und Komplexität ist im physikalisch-chemischen Bereich noch relativ locker, die „nächstniedere(n) Teileinheiten (sind) noch nicht funktionsteilig aneinander gebunden, so daß die Synthese reversibel ist, ohne daß diese Teileinheiten ihre Eigenschaften ändern“.[7] Elias spricht hier vom „reversiblen Integrationstyp“ und nennt als Beispiele Kleinmoleküle.

Die Intensität der Integration und der Funktionsteilung steigt im Bereich der biologischen Evolution stark an. Hier entstehen „komplexere Gebilde, deren nächstniedere Teileinheiten funktionsteilig aneinander gebunden sind – die Struktur dieser Teileinheiten ist demgemäß auf ein Funktionieren im Rahmen einer bestimmten zusammengesetzten Einheit höherer Ordnung abgestimmt; die Teile verlieren in diesem Fall ihre Eigenstruktur, wenn die Einheit höherer Ordnung, die sie miteinander bilden, zerfällt“. Elias spricht hier vom „irreversiblen Integrationstyp“ und nennt als Beispiel einzellige Lebewesen.

Integration und Funktionsteilung erreichen den bisher höchsten Stand im Bereich der sozio-kulturellen Evolution der Menschen. Hier ist eine weitere wissenschaftstheoretische Debatte der Sozialwissenschaften angesiedelt, die über das Verhältnis von „Individuum und Gesellschaft“. Insbesondere hier verweist Elias darauf, dass jeweils sowohl das Einzelne als auch ein Ganzes, zu dem es gehört, angemessen begrifflich repräsentiert werden müssen. Es dürfen weder die Ganzheiten auf die Einzelteile reduziert noch die Einzelteile aus dem Bild des Ganzen gedanklich entfernt werden, weil erst die komplexen Wechselwirkungen und gegenseitigen Abhängigkeiten der Einzelteile das Ganze bilden.

Systemtheoretische Betrachtungsweise

Emergenz ist eine kennzeichnende Eigenschaft von hierarchisch strukturierten Systemen. Solche Systeme haben auf der Makroebene Eigenschaften, die auf der einfacheren Organisationsebene, der Mikroebene, nicht vorhanden sind. Sie entstehen durch synergetische Wechselwirkungen zwischen den Elementen auf der Mikroebene.

Theorie komplexer Systeme

Die Theorie komplexer Systeme baut auf systemtheoretischen und chaostheoretischen Erkenntnissen zur Emergenz auf.

Beispiele

Biologie

In der theoretischen Biologie spielen emergente Eigenschaften etwa bei der Definition des Lebens eine zentrale Rolle. Organismen stellen ein solches hierarchisches System dar: Sie bestehen aus Organen, diese aus Zellen, diese wiederum aus Organellen und diese sind wiederum aus Makromolekülen zusammengesetzt. Ein Proteinmolekül besitzt Eigenschaften, die keines der Atome aufweist, aus welchen es zusammengesetzt ist.[8]

Neurologie

Ein häufig verwendetes Beispiel stammt aus der Neurologie: Das Gehirn besteht aus sehr vielen, oberflächlich gesehen ähnlichen Elementen, den Nervenzellen, und weiteren Zellen, deren Funktion teilweise noch wenig erforscht ist. Aus dem Zusammenspiel dieser Bausteine emergieren Aktivitätsmuster, die die eigentliche Gehirntätigkeit ausmachen.

Soziologie

Seit Emile Durkheim, der die Soziologie mit Argumenten der Emergenztheorie als eigenständige Wissenschaft begründet hat, spielt die Vorstellung emergente Phänomene in der Soziologie eine wichtige Rolle. Wichtige Exponenten soziologischer Emergenzkonzepte waren daneben Talcott Parsons und Niklas Luhmann, und wie oben bereits erwähnt, Norbert Elias. Bei Luhmann findet sich eine innovative Fassung des Emergenzbegriffs, bei dem das Verhältnis vom Ganzen und seinen Teilen im Theoriedesign durch die Differenz zwischen System und Umwelt ersetzt wird. So ist nach Luhmann die Gesellschaft emergent gegenüber den Individuen (im Sinne des psychischen Bewusstseins), die in seiner Theorie in der Umwelt der Gesellschaft ihren Platz finden.

Denken und Kommunikation

Menschliche Gedankeninhalte (Ideen, Konzepte) besitzen Emergenzeigenschaften gegenüber den neurologischen Prozessen und psychischen Akten, aus denen sie entstehen. Ebenso sind Emergenzeffekte bei der Kommunikation von Gedankeninhalten zu erkennen, denn die Eigenschaften von Informationen lassen sich nicht linear aus den zugrunde liegenden grammatikalischen Strukturen (Buchstabe, Wort, Syntax) ableiten. Zwar ist Kommunikation auf Medien wie Papier und Tinte angewiesen, aber aus der physikalischen oder chemischen Beschaffenheit von Tinte und Papier lässt sich nichts über den Inhalt der damit geschriebenen Texte ableiten.

Die evolutionäre, multiplikative Wirkung solcher kommunizierten Gedankeninhalte versucht die Theorie der Memetik, eine Erweiterung der darwinschen Theorie der natürlichen Selektion bezogen auf den Bereich der Kultur, zu beschreiben. Die Grundeinheit eines kommunikationsfähigen Gedankens ist hierin das Mem, welches sich erst im Fühl- und Denkvermögen eines Individuums und dann durch Kommunikation und Austausch mit anderen Memen weiterentwickelt bzw. durch Variation diversifiziert. Eine zunehmende „Evolutionsgeschwindigkeit“ der Meme ist nach dieser Theorie durch die Entwicklung der neuen Medien entstanden.

Spezialfall: Unterricht

Die Lernergruppe kann nach dem Modell des Gehirns konstituiert werden: die Lerner werden metaphorisch als „Neurone“ definiert, die themenbezogen interagieren und Informationen zu Wissen umformen. Dazu müssen die Lerner über eine Reihe von kommunikativen Fähigkeiten (Reflexe) verfügen, die im Klassenraumdiskurs durch den Lehrer systematisch aufgebaut werden. Die gruppenspezifischen Fähigkeiten und Haltungen, die notwendig sind, um Wissen gemeinsam zu konstruieren (z.B. Bereitschaft und Fähigkeit, rasch zu interagieren), sind emergente Eigenschaften der Lernergruppe (vgl. u.a. Lernen durch Lehren), insbesondere Martin/Oebel 2007[9]).

Neue Medien

In Zusammenhang mit den Neuen Medien wie dem Internet wird ebenfalls von Emergenz gesprochen. Das Internet bietet eine reichhaltige Sammlung von Phänomenen, die neue Effekte entstehen lassen, die man als emergent bezeichnen kann. Durch weitere Vernetzung werden diese Effekte verstärkt. Beispiele sind Netzkunst, Smart Mobs, Online-Spiele, Foren.

Auch in den zeitgenössischen technikzentrierten und kybernetisch-systemtheoretisch orientierten Medientheorien der Medienwissenschaften bildet die Emergenz einen Schlüsselbegriff, der meist als Selbstentfaltung gelesen werden kann. Dabei sind Formulierungen wie „Seit Medienenvironments aus sich selbst emergieren...“ zu finden (Norbert Bolz in Computer als Medium, München 1994, S. 11.)

Auch Friedrich Kittler und Michael Giesecke (in Der Buchdruck in der frühen Neuzeit) verwenden den Begriff.

Am radikalsten ist vielleicht die These von George Dyson (Historiker) in seinem Buch "Darwin among the Machines", nach dem er voraussagt, dass im Internet eine Art künstlicher, kollektiver Intelligenz emergieren wird.

Betriebswirtschaftslehre

In der Betriebswirtschaftslehre wird der Begriff Emergenz in Verbindung mit nicht-intendierten Effekten durch z.B. Handlungen des Managements großer Unternehmen (als eine Form von komplexen Systemen) verwendet.

Physik

Insbesondere in der Physik finden sich Beispiele für die Emergenz von Merkmalen, da die Eigenschaften der gesamten makroskopischen Welt emergente Eigenschaften sind.

In einem einfachen Fall betrachtet man etwa die Eigenschaften eines Gases und die Eigenschaften der Moleküle, aus denen jenes Gas besteht. Während das Gas über Eigenschaften wie etwa Temperatur oder Druck verfügt, ist dies für keines der konstituierenden Moleküle der Fall. (Ein einzelnes Molekül hat weder eine „Temperatur“, noch einen „Druck“). Die genannten Attribute sind emergent, da sie nicht Kennzeichen der Bestandteile sind, die das Gesamtsystem „Gas“ bilden. Dies gilt darüber hinaus für die gesamte Thermodynamik.

Auch solche Phänomene wie etwa der Paramagnetismus, das Gefrieren von Wasser zu Eis, Supraleitfähigkeit, die Eigenschaften schwerer Sterne, das Wetter, das Spektrum eines schwarzen Strahlers (z.B. das Sonnenlicht) und selbst die vertikale Verteilung von Luftmolekülen in der Erdatmosphäre sind emergente Eigenschaften. Das Forschungsgebiet, welches die makroskopische Welt auf mikroskopischer Ebene untersucht und begründet, ist die statistische Physik.

Die Emergenz spielt auch eine herausragende Bedeutung in der Clusterphysik, weil hier die Eigenschaften des Festkörpers evolutionär oder spontan durch die Vergrößerung der Atomanzahl bei Atomagreggaten (Cluster) entstehen.

Mathematik

Vor allem in der Mathematik lassen sich emergente Phänomene leicht veranschaulichen: Conways Spiel des Lebens ist ein System vieler kleiner Zellen, die entweder lebendig oder tot sein können. Sehr einfache Regeln geben für jede einzelne Zelle an, wie diese mit der Zeit ihren Zustand (lebendig/tot) ändert. Das gesamte System kann dabei - je nach Anfangskonfiguration - ein außerordentlich komplexes, geordnetes und erstaunliches Verhalten aufweisen, das nicht darauf schließen lässt, dass die Einzelkomponenten (die Zellen) sehr primitiven Regeln gehorchen.
Ein weiteres erstaunliches emergentes Verhalten zeigt Langtons Ameise.

Quellen

  1. Kauffman, Beyond Reductionism, www.edge.org, 2006
  2. Mayr, Ernst: Das ist Biologie – Die Wissenschaft des Lebens, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg – Berlin, 2000, S. 403. ISBN 3-8274-1015-0
  3. Friedrich Engels, Karl Marx/ Friedrich Engels - Werke. (Karl) Dietz Verlag, Berlin. Band 20. Berlin/DDR. 1962. »Dialektik der Natur«, S. 481-508.
  4. "The chemical combination of two substances produces, as is well known, a third substance with properties different from those of either of the two substances separately, or of both of them taken together" Mill (1843)
  5. Lewes, G. H. (1875), Problems of Life and Mind (First Series), vol. 2, Trübner London.
  6. Brockhaus Enzyklopädie, Band 5, S. 489, F. A. Brockhaus, Wiesbaden 1968. ISBN 3-7653-0000-4
  7. Elias, Norbert (1987): Engagement und Distanzierung. Arbeiten zur Wissenssoziologie I. 2. Auflage. Frankfurt/M.: Suhrkamp. S. 196
  8. Neil A. Campbell, Jane B. Reece, Biologie, 6. Auflage, 2003, S. 3, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg
  9. Jean-Pol Martin, Guido Oebel (2007): Lernen durch Lehren: Paradigmenwechsel in der Didaktik?, In: Deutschunterricht in Japan, 12, 2007, 4-21 (Zeitschrift des Japanischen Lehrerverbandes, ISSN 1342-6575)

Zitate

Siehe auch

Literatur