Dissipative Strukturen

Die erste und vielleicht einflußreichste ausführliche Beschreibung selbstorganisierender Systeme war die Theorie der "dissipativen Strukturen" des in Rußland geborenen Chemikers und Physikers Ilya Prigogine, Nobelpreisträger und Professor für physikalische Chemie an der Freien Universität in Brüssel.

Ein lebendes System ist sowohl offen als auch geschlossen - es ist strukturell offen, aber organisatorisch geschlossen. Materie fließt ständig durch das System hindurch, aber es bewahrt eine stabile Form, und zwar autonom durch Selbstorganisation.

Um dieses scheinbar paradoxe Miteinander von Veränderung und Stabilität hervorzuheben, prägte Prigogine den Begriff "dissipative Strukturen".

1967 stellte er seinen Begriff zum erstenmal in einem Vortrag bei einem Nobel-Symposium in Stockholm vor und vier Jahre später veröffentlichte er die erste Formulierung der vollständigen Theorie zusammen mit seinem Kollegen Paul Glansdorff.

Nicht alle dissipativen Strukturen sind lebende Systeme. Um das Miteinander von kontinuierlichem Fluß und struktureller Stabilität zu veranschaulichen, ist es leichter, sich mit unkomplizierten, nichtlebenden dissipativen Strukturen zu befassen. Eine der einfachsten Strukturen dieser Art ist ein Strudel in fließendem Wasser, zum Beispiel ein Wirbel im Abfluß einer Badewanne. Wasser fließt ständig durch den Strudel und doch bleibt dessen typische Form - die bekannten Spiralen und der sich verengende Trichter - bemerkenswert stabil. Die Schwerkraft, die das Wasser den Abfluß hinunterzieht, der Wasserdruck, der es zusammenpreßt, und die Zentrifugalkräfte, die nach außen drücken, gleichen einander aus und ergeben einen stabilen Zustand, in dem die Schwerkraft den Energiefluß im größeren Maßstab aufrechterhält und die Reibung einen Teil davon in kleineren Größenordnungen verbraucht. Die auftretenden Kräfte sind nun miteinander durch Rückkopplungsschleifen verbunden. Der Struktur des Wasserstrudels wird große Stabilität verliehen.Wirbelstürme, die Strudel aus heftig rotierender Luft sind, sind ebenfalls dissipative Strukturen, da sich ihre Strudelstruktur nicht merklich verändert, obwohl sie große Entfernungen zurücklegen und verheerende Kräfte auslösen können.

Man kann sich auch eine Zelle als Wirbel vorstellen, d.h. als eine stabile Struktur, durch die ständige Materie und Energie fließen. Während die Kräfte im Wirbel mechanischer Natur sind, sind die Kräfte in der Zelle chemischer Natur.

Die von Wirbeln und Hurrikanen gebildete dissipative Strukturen können ihre Stabilität nur so lange aufrechterhalten, wie ein stetiger Materiefluß aus der Umwelt durch die Struktur erfolgt.

Ebenso benötigt eine lebende dissipative Struktur, wie etwa ein Organismus, einen ständigen Zufluß von Luft, Wasser und Nahrung aus der Umwelt durch das System, um am Leben zu bleiben und ihre Ordnung aufrechtzuerhalten. Das riesige Netzwerk aus Stoffwechselprozessen hält das System in einem Zustand fern vom Gleichgewicht und führt - durch die ihm innewohnenden Rückkoppelungsschleifen - zur Entwicklung und Evolution.

Der Schlüssel zum Verständnis dissipativer Strukturen liegt in der Erkenntnis, daß sie sich in einem stabilen Zustand fern vom Gleichgewicht erhalten.

Ein Organismus im Gleichgewicht ist ein toter Organismus. Lebende Organismen befinden sich ständig in einem Zustand fern vom Gleichgewicht - und das ist der Zustand des Lebens. Auch wenn sich dieser Zustand sehr vom Gleichgewicht unterscheidet, ist er doch über lange Zeiträume hinweg stabil, und das bedeutet, daß dieselbe Gesamtstruktur trotz des ständigen Fließens und Sichveränderns der Bestandteile aufrechterhalten wird. Fern vom Gleichgewicht können sich dissipative Strukturen zu Formen von ständig zunehmender Komplexität entwickeln.

Prigogines Theorie zeigt, daß das Verhalten einer dissipativen Struktur fern vom Gleichgewicht nicht mehr irgendeinem universalen Gesetz folgt, sondern für das System einzigartig ist. Nahe dem Gleichgewicht finden wir sich wiederholende Phänomene und universale Gesetze vor. Sobald wir uns aber vom Gleichgewicht entfernen, bewegen wir uns vom Universalen zum Einzigartigen, zu Reichtum und Vielfalt hin.

Die Unbestimmtheit ist ein weiteres Merkmal von Prigogines Theorie. Am Gabelungspunkt kann das System zwischen mehreren möglichen Wegen oder Zuständen "wählen". Welchen Weg es nehmen wird, hängt von seiner eigenen Geschichte ab und läßt sich nicht vorhersagen.

Diese Unbestimmtheit an Gabelungspunkten ist eine von zwei Arten der Unvorhersagbarkeit in der Theorie dissipativer Strukturen. Die andere Art, die auch in der Chaostheorie vorkommt, beruht auf der hoch nichtlinearen Beschaffenheit der Gleichungen. Aufgrund von wiederholten Rückkoppelungsschleifen (mathematisch: wiederholte Iterationen), wird sich der kleinste Rechenfehler so stark auswirken, daß weiterreichende Vorhersagen unmöglich sind: Das Verhalten einer dissipativen Struktur läßt sich nur über eine kurze Zeitspanne vorhersagen.

Nach Prigogine sind dissipative Strukturen Inseln der Ordnung in einem Meer von Unordnung, die ihre Ordnung aufrechterhalten und sogar vergrößern, um den Preis größerer Unordnung in ihrer Umwelt. So nehmen beispielsweise lebende Organismen geordnete Strukturen (Nahrung) aus ihrer Umwelt auf, verwenden sie als Ressourcen für ihren Stoffwechsel und zerstreuen Strukturen niedriger Ordnung (Abfall).

Die Punkte der Instabilität, an denen dramatische und unvorhersagbare Ereignisse stattfinden, sind vielleicht der interessanteste Aspekt der Theorie dissipativer Strukturen. Wenn eine dissipative Struktur einen derartigen Punkt der Instabilität, einen sogenannten Gabelungspunkt, durch wiederholte selbstverstärkende Rückkopplung erreicht, können neue Strukturen von höherer Ordnung und Komplexität spontan auftreten.

Dissipative Strukturen sind die Grundstrukturen aller lebender Systeme. Statt wie eine Maschine zu sein, weist die Natur insgesamt eher eine Ähnlichkeit mit der menschlichen Natur auf. Sie ist unvorhersagbar und empfindlich. Dementsprechender Umgang mit ihr ist gefordert: nicht auf Beherrschung und Kontrolle, sondern Respekt, Kooperation und Dialog.