Ordnung im Chaos des Lebens

Die Biologie muss größer denken, findet Physiker Geoffrey West. Er begründete ein neues Forschungsfeld, fand bislang übersehene Gesetzmäßigkeiten und wildert in Stadtforschung, Volkswirtschaftslehre und Klimapolitik. 

„Scale“ von Geoffrey West, in der Übersetzung von Jens Hagertest bei C.H. Beck

Kein Wunder, dass ein Physiker dahintersteckt, wenn von „universalen Gesetzen“ die Rede ist, selbst wenn es, wie im Untertitel von Geoffrey Wests Buch, um „Organismen, Städte und Unternehmen“ geht. West hat als theoretischer Kernphysiker eine Karriere damit verbracht, die kleinsten Bestandteile der Welt auf universale Gesetze zu untersuchen. „Scale“ beschäftigt sich aber mit den Ergebnissen seiner zweiten Karriere. Die setzte ein, als der alternde Forscher begann, sich mit der Endlichkeit des Lebens auseinanderzusetzen. 

Aus Neugier suchte er in der biologischen Fachliteratur nach Antworten auf die Frage, warum das Leben eigentlich ist, wie es ist: Warum altern Organismen? Warum wachsen sie erst, hören irgendwann damit auf, und finden, wenn nicht auf andere, dann auf natürliche Weise ihr Ende? Wo die Physik auf das große Ganze fokussiert, beschäftigt sich die Biologie mit der atemberaubenden Vielfalt des Lebens. Fortschritte wie die Evolutionstheorie oder das Knacken des genetischen Codes faszinierten auch West, aber in der aktuellen Forschung schien es wenige Antworten auf seine Fragen zu geben. 

Heute stehen über das Spektrum des Lebens nicht nur mehr Daten denn je zur Verfügung, es gibt auch bessere Möglichkeiten, diese Daten zu strukturieren und Schlüsse aus ihnen zu ziehen. Die Suche nach Antworten führte West zu einer langen interdisziplinären Zusammenarbeit mit Wissenschaftskollegen aus unterschiedlichsten Bereichen, führte ihn von der Teilchenforschung in Los Alamos zur theoretischen Biologie und Komplexitätsforschung am Santa Fe Institute, und führte zu Ergebnissen, die hier, zusammengefasst in einem populärwissenschaftlichen Buch, das auslösen, was solche Bücher bestenfalls auslösen: Staunen. 

Wale leben im Meer, Elefanten haben Rüssel, Giraffen lange Hälse, wir gehen aufrecht, und Haselmäuse wieseln herum, aber trotz dieser offenkundigen Unterschiede sind wir alle in hohem Maße nichtlinear skalierte Versionen voneinander. Wenn Sie mir das Gewicht eines Säugetiers nennen, kann ich anhand der Skalierungsgesetze fast alle durchschnittlichen Werte seiner messbaren Merkmale angeben: wie viel Nahrung es täglich benötigt, wie hoch seine Herzschlagfrequenz ist, wie lange es braucht, bis es ausgewachsen ist, wie lang seine Aorta ist und welchen Radius sie hat, wie groß seine Lebenserwartung ist, wie viele Junge es haben wird und so weiter. Angesichts der außerordentlichen Komplexität und Diversität des Lebens ist das erstaunlich.

Ist der Elefant wirklich eine hochskalierte Version der Maus? Was steckt hinter diesen Skalierungsgesetzen? Tatsächlich lassen sich sehr gut Rückschlüsse von unterschiedlichsten Organismen aufeinander ziehen, allerdings eben nicht linear, sondern oftmals sublinear: Das bedeutet beispielsweise, dass ein zehnmal größeres Lebewesen nicht zehnmal stärker ist. Man denke an die berüchtigte Kraft der Ameise, angesichts derer der Mensch schwach wirkt. Natürlich stemmt der Mensch viel größere Gewichte als die Ameise, aber seine Kraft wächst gemessen an seiner Größe sublinear – andernfalls könnten wir Hinkelsteine jonglieren wie Obelix. Viel wichtiger ist das nichtlineare Skalieren im Bereich des Energieverbrauchs: Größere Organismen sind energieeffizienter als kleinere, verbrauchen also nicht um denselben Faktor mehr Energie, in dem ihre Größe steigt. Das ist deshalb so wesentlich, weil es um eine Gemeinsamkeit allen Lebens geht:

Alles Leben basiert auf Umwandlung der aus physikalischen oder chemischen Quellen gewonnenen Energie in organische Moleküle, die ihrerseits umgewandelt werden, um komplexe, hoch organisierte Systeme zu bilden, zu unterhalten und zu reproduzieren.

Der fraktale Bauplan 

Grashalm, Reptil und Säugetier wandeln allesamt Energie um und kämpfen mit dem Zerfall und dessen Abfallprodukten. Auf dieser allgemeinen Ebene sehen sich die Strategien, die sie dafür verfolgen, ziemlich ähnlich: Eine davon lautet, dass Organismen nicht gemäß der euklidischen Geometrie wachsen, sondern fraktale Strukturen bilden, um den Raum möglichst gut auszunutzen und alle ihre Bestandteile mit Energie zu versorgen. Solche Gemeinsamkeiten, in Kombination mit einem großen Datenfundus, erlauben es Skalierungsgesetze aufzustellen, die Maus und Elefant unter einen Hut bringen. 

In einer der stärksten Passagen skizziert der Autor den Weg des Blutes vom Herz bis in die Kapillaren, erklärt wachsende Widerstände und die steigende Kraft, die nötig ist, um die feinsten Ausläufer zu versorgen. Ein abstrakter Begriff wie Impedanzanpassung wird mühelos illustriert. Es folgt eine kurze Abschweifung zu Gleichstrom, Wechselstrom und Tesla, bevor es zurück zum Grundthema geht: Die Kreislauf- und Stoffwechselsysteme von Menschen und Insekten, von Wäldern, selbst von Städten oder Unternehmen weisen Unterschiede auf, aber je weiter man herauszoomt, je mehr es ums große Ganze geht, desto deutlicher die Gemeinsamkeiten. Viele Seiten später zeigt eine Illustration das Verkehrsaufkommen ausgehend von einer texanischen Hafenstadt, und wir erkennen darin zugleich das Bild eines Kreislaufs mit Aorta und Kapillaren. Tatsächlich lässt sich die Länge von Straßennetzen und die Intensität des Verkehrs ähnlich skalieren und berechnen wie der Blutdruck in menschlichen Gefäßen. Der Mensch bildet Systeme, die seinem eigenen Organismus mehr ähneln, als lange Zeit bekannt war. 

Das Leben der Städte 

Städte funktionieren ein wenig wie superlinearskalierende Organismen. Eine doppelt so große Stadt bietet mehr Vorteile und Nachteile, als auf einer linearen Skala zu erwarten wäre. Das Wachstum und die Lebensdauer von Städten kennen auf lange Sicht kaum Grenzen. Wieder sind die Unterschiede allgegenwärtig, aber hinsichtlich einiger allgemeiner Gemeinsamkeiten fallen sie nicht groß ins Gewicht, denn alle Städte bestehen letztlich aus Infrastruktur und aus Menschen sowie deren Beziehungen zueinander. Auf der Ebene der Skalierungseffekte ist es nicht besonders wichtig, dass unterschiedlich gegrüßt, gegessen, gestritten wird. Der Charakter einer Stadt oder das Umfeld, in dem sie sich befindet, ist nicht irrelevant, aber im Lichte der Daten ist Tokio trotzdem eine hochskalierte Version von Osaka, so wie – mit etwas anderen Variablen, aber doch – eine nigerianische Mittelstadt die hochskalierte Version einer nigerianischen Kleinstadt ist. West zeigt hier eindrucksvolle Entsprechungen, von der Länge des Straßennetzes über Kriminalitätsraten bis hin zur Zahl der Patentanmeldungen.

Gar nicht unähnlich sieht es mit Unternehmen aus – mit dem entscheidenden Unterschied, dass diese einen härteren Kampf gegen das Verschwinden führen. Ihre Effizienz im „Stoffwechsel“, ihr Energieumsatz und Innovationsrhythmus verlangsamen sich im Laufe der Lebenszeit, ähnlich eher Organismen als Städten. In der großen Mehrheit der Fälle folgen irgendwann Stagnation und Ende der Geschäftstätigkeit. 

Sorge und Trost

„Scale“ ist ein zugängliches Buch ohne Formeln oder langatmige technische Erläuterungen. Die Lektüre-Herausforderung besteht eher darin, wie ausschweifend die Ansätze und ihre Implikationen sind, die hier präsentiert werden. So erfährt die Leserin, dass ein Temperaturanstieg von nur zwei Grad Celsius viel größere Auswirkungen auf Organismen hat als bislang vermutet, was den Autor zu einem Appell bewegt, Klimapolitik ernst zu nehmen. Wirklich pessimistisch wird der Grundton, wenn es um die steigenden Wachstumsraten von Volkswirtschaften geht. Die Innovationszyklen, müssen sich ständig beschleunigen und mit ihnen das Tempo des Lebens. In zwanzig Jahren eine weitere Innovation vom Ausmaß der Erfindung des Internet? Dann in zehn Jahren noch einmal? Was passiert, wenn diese Beschleunigung aussetzt? Ist das eine Katastrophe oder im Grunde der eigentliche nächste Innovationssprung? 

Fragen nach der Zukunft der Menschen sind auch nicht einfacher zu beantworten als Fragen nach dem Ursprung der Welt. Auf der beschwerlichen, manchmal einschüchternden Suche nach Antworten finden Suchende wie Geoffrey West Trost in der Ordnung hinter dem Chaos:

Unabhängig von den Glaubenssystemen, denen die Menschen anhängen, ist es großartig und beruhigend zu sehen, dass selbst ein winziges Stück der rätselhaft chaotischen Welt um uns herum Gesetzen gehorcht, die über die furchterregende Komplexität und scheinbare Sinnlosigkeit dieser Welt hinausweisen.

Hörtipp: Das Santa Fe Institute, dem Geoffrey West mehrere Jahre vorstand, hat vor kurzem eine Podcast-Serie gestartet, in der Fragen wie der Ursprung des Lebens oder Emergenz in Systemen behandelt werden – hochtrabend, weitreichend, im humorvollen Plauderton.

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