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Die Software des Lebens

Da wir selbst leben, neigen wir zur Ansicht, das Leben wäre einfach zu begreifen. In der herkömmlichen Hierarchie der Naturwissenschaften wird die Mathematik, weil am schwierigsten, als Königsdisziplin betrachtet. Danach folgen Physik, Chemie und schließlich die Biologie. Diese Hierarchie ist allerdings falsch und irreführend: Heute wissen wir, dass in der Biologie mehr Mathematik steckt, als wir uns jemals vorstellten.

Als mit der Entdeckung der DNA Moleküle in die wissenschaftliche Erklärung des Lebens Einzug hielten, erklomm die Biologie einen höheren Rang und gelangte auf die Ebene der Chemie. Als man später die für die Genaktivierung verantwortlichen abstrakten Schemata erkannte, schaffte es die Biologie, sich noch weiter der Mathematik anzunähern.

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Das Schlagwort in den Biowissenschaften von heute lautet „Systembiologie“. Lange Zeit wurden Forscher, die sich mit dem Leben und der Vererbung beschäftigten, in zwei Lager eingeteilt: Auf der einen Seite die Epigenetiker , die vor allem die Umwelteinflüsse auf lebende Organismen hervorhoben und auf der anderen Seite die Präformisten , die sich in erster Linie auf die Ähnlichkeiten zwischen Eltern und deren Nachkommenschaft konzentrierten. Die epigenetische Sicht der Dinge war eindeutig falsch, denn irgendetwas Gleichbleibendes musste ja von einer Generation auf die andere übertragen werden. Aber die Ansicht der Präformisten, wonach es der ganze Organismus sei, der auf die nächste Generation übertragen wird, stand im Widerspruch zur Unmöglichkeit, Objekte unendlich oft zu teilen.

Übertragen werden musste also nicht der Organismus in seiner endgültigen Ausformung, sondern dessen Bauplan. Man denke an das alte metaphysische Rätsel: Ist ein hölzernes Boot, dessen verfaulende Planken nach und nach ersetzt werden, noch immer das gleiche Boot, wenn alle Planken ausgetauscht sind? Die „Systembiologie“ ist eine Art der Biologie, die erkennt, dass die Konstruktion des Bootes gleich bleibt – die Konstruktion, welche die Beziehung zwischen den Planken bestimmt.

Diese Vorstellung ebnete den Weg für das Konzept eines „genetischen Programms“, das ähnlich funktioniert wie ein Computerprogramm. Diese Metapher erwies sich nach der Entdeckung der DNA als beinahe offenkundig, denn die DNA konnte als lineare Abfolge von Symbolen interpretiert werden. Genau auf diese Weise liest auch der Computer ein Programm. Ebenso wenig wie in einem Computerprogramm, ist aber auch in der DNA der finale Zustand dessen gespeichert ist, wofür sie steht. Vielmehr sind darin in symbolischer aber dennoch konkreter Art (sie ist ein echter „Text“) die Beziehungen zwischen allen Objekten und Kräften festgeschrieben, die sie spezifiziert und kontrolliert.

Eine bemerkenswerte Beobachtung unterstützt diese Analogie: Viren verhalten sich wie individuelle Programmteile. Sie benutzen die Zelle als Maschine mittels derer sie sich vervielfältigen und vermehren (oftmals indem sie die Maschine zerstören). Als das Programmieren von Computern zur täglichen Routine wurde, erkannte man, dass sich manche Softwareteile ebenso verhalten und nannte sie fortan „Viren“. Als es möglich wurde, die DNA in vitro zu manipulieren, erschien die Metapher eines „genetischen Programms“ noch glaubhafter: Die Wissenschafter konnten Experimente durchführen, die dem Umprogrammieren einer Zelle entsprachen, indem sie einfach nur mit Symbolen aus Silikon arbeiteten.

Die Metapher stammt von dem berühmten Mathematiker und Informatiker Alan Turing, der neben John von Neumann und anderen Theoretikern den Zusammenhang zwischen der Mathematik der ganzen Zahlen und der Logik entdeckte. Turing postulierte, dass alle Berechnungen und logischen Operationen von einer einzigen Maschine, der von ihm so benannten Universellen Turing-Maschine, durchgeführt werden könnten, indem sie eine lineare Abfolge von Symbolen liest und modifiziert. Dazu bedurfte es nur der physischen Trennung der von der Maschine bearbeiteten Symbole (auf einem Speicherband) und der Maschine selbst. Auf dem Band waren überdies die Daten gespeichert, die für die Maschine nötig waren, um ihre Funktion auszuführen. Somit gab es zwei Arten von Daten: Ein Programm, dass die „Bedeutung“ der von der Maschine erkannten logischen Sequenzen speicherte und die reinen Daten, die den Kontext für das Programm darstellten, damit es ablaufen konnte.

Die Gentechnik beruht auf der Manipulation von DNA-Molekülen (entweder natürlichen oder künstlich hergestellten), um fremde Zellen umzuprogrammieren. So gibt es heute viele Bakterien, die menschliche Proteine produzieren. Das ist allerdings nur ein kleiner Teil des genetischen Programms. Die Übertragung von Genen zwischen Organismen ist weit verbreitet. Der Kerntransfer, bekannt durch das Klonschaf Dolly, macht die Universelle Turing-Maschine zu einem höchst anschaulichen, wenn nicht sogar alles erklärendem Modell der Zelle.

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Wenn wir diese Metapher wörtlich nehmen, hat das erstaunliche Konsequenzen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass das Ergebnis mancher Computerprogramme plötzlich vollkommen deterministisch, innovativ und unvorhersehbar ist. Die Computer-Metapher impliziert daher, dass es sich bei lebenden Organismen um materielle Systeme handelt, die mit einer unvorhersehbaren Zukunft konfrontiert sind und daher zu unwahrscheinlichen Lösungen kommen, so dass einige ihrer Nachkommen unter unberechenbaren Bedingungen überleben können. Leben ist von Natur aus kreativ.

Dennoch erfährt diese Metapher durch eine einfache Tatsache ihre Grenze: Computer können keine Computer machen. Die Herausforderung für die neue Biologie ist herauszufinden, wie das funktionieren würde.