Metasystem
Evolutionstheorie
Basiwissen
Ein Metasystem ist ein System aus Systemen: Meta heißt so viel wie übergeordnet oder auch in einem Übergangsstadium seiend. Ein System ist eine Menge von Teilen mit definierten Wechselwirkungen[1] und als Ganzes abgrenzbares zur Umwelt[2]. Ein Metasystem ist damit ein System, dessen Teile wiederum als Systeme aufgefasst werden können. Der Begriff des Metasystems wird insbesondere in der Evolutionstheorie verwendet.
Definition von Metasystem
Man betrachte irgendein System S. Angenommen, man kann eine bestimmte Anzahl von Kopien dieses Systems machen, möglichweise mit Variationen. Man nehme dann weiter an, diese kopierten Systeme werden zu einem neuen System S' (sprich: s-Strich) vereinigt, mit den Systemen S als Subsystemen, das heißt Untersystemen. Und es gibt zusätzlich einen Mechanismus, mit dem das Verhalten und die Produktion der S-Untersysteme kontrolliert wird. Wenn das gilt, kann man S' ein Metasystem der Subsysteme S nennen. [sinngemäß übersetzt nach 3]
Schwämme als Beispiel für ein System aus Systemen
Schwämme sind im Meer lebende, meist oftsfeste Wesen im Grenzbereich von Ein- und Vielzelligkeit. Es gibt Schwämme, die bis über einen Meter groß werden. Bei manchen Geschöpfen dieser Art, kann man die weichen Körperteile durch ein Sieb pressen und den Körper völlig zerlegen. Man beobachtet dann, dass die einzelnen Zellen für sich auch eigenständig lebensfähig sind. Die Einzeller fügen sich aber oft wieder zum Vielzeller zusammen und bilden dann ein Metasystem. Siehe dazu auch Schwämme ↗
Die Volvox-Kugelalge als Beispiel für innere Kontrolle
Ein weiteres klassisches Beispiel für ein Metasystem im Sinne der Evolutionstheorie sind Vielzeller, die aus Einzellern bestehen, etwa Algenzellen. Diese Einzeller machen Kopien von sich selbst. Diese Kopien setzen sich dann zu einem Vielzeller zusammen, etwa einer Volvox-Kugelalge[4]. Dabei entstehen Kontrollmechanismen im Sinne eines Metasystems. So haben manche Zellen sogenannte Geißeln, das sind peitschenartige Fäden die vom Zellkörper nach außen gehen und die aktiv bewegt werden können. Damit können die Zellen Bewegung in Flüssigkeiten erzeugen. Machen die Zellen diese Bewegung in koordiniertier, kontrollierter Weise, dann können sie damit Flüssigkeiten innerhalb des Zellkörpers bewegen ode auch die Zelle als Ganzes durch das Wasser bewegen[5]. Ein weiterer Kontrollmechanismus betrifft die Vermehrungsfähigkeit einzelner Zellen innerhalb der Kolonie. In eine ausgewachsenen Kugelalgen-Kolonie gibt es mehrere tausend Zellen, die sich dann nicht mehr fortplanzen. Nur wenige, zum Beispiel 16 Zellen, dienen der Fortpflanzung. Dabei gibt es Mechanismen zur Unterdrückung der Fortpflanzung einzelner Zellen[6], unter anderem um ein sinnvolles Wachstum der Kolonie sicher zu stellen[7].
Eigenschaften von einem Metasystem
Man kann die Eigenschaften eines Metasystems unterscheiden nach solchen, die zwingend notwendig sind[19] im Sinne der Definition eines Metasystems[3] und nach solchen, die vielleicht häufig vorkommen, aber nicht zwingend notwendig sind[20]. Zwingend notwendig eines Metasystems im Sinne der ursprünglichen Definition von Valentin Turchin[3] sind nur drei Eigenschaften:
- a) Das Metasystem besteht selbst aus mehreren Systemen, den Subsystemen[23].
- b) Das Metasystem kann neue Subsysteme herstellen[22].
Betrachtet man die Metasysteme als episodenhafte Gebilde in einer Evolution zu immer höheren Formen von Komplexität, spricht man auch von sogenannten Metasystem-Transitionen[3]. Dabei wird ein Metasystem S' selbst zu einem neuen Subsystem S eines dann höheren, neuen Metasystems. Eng mit diesem Gedanken verbunden ist die Vorstellung, dass die Systeme selbst immer wieder Individuen im Sinne einer darwinistischen Evolution sind. Aus dieser Sicht kommen den Metasystemen dann spezielle Eigenschaften von Individuen als Teile einer Population zu:
- d) Eine ausreichend große Population[11]
- e) Vermehrung statt Größenwachstum[12]
- f) Genetische Kodierung der Merkmale[13]
- g) Gemeinsame Keimbahn aller Individuen[14]
Andere Eigenschaften scheinen typisch für viele Metasysteme zu sein. Aber es gibt Ausnahmen oder es gibt keine logisch zwingenden Gründe, dass sie vorhanden sein müssen.
- j) Gehirnbildung, Zerebralisation[18]
Fußnoten
- [1] Eine allgemeine Definition von System gibt der Philosoph Kazem-Sadeg Zadeh: "Das griechische Wort 'Systema' bedeutet 'das Zusammengesetzte'. Einfach ausgedrückt, ist ein System ein Verbund oder Verband von gewissen Dingen. Somit besteht es aus: einer Menge von Objekten; einer Menge von Beziehungen zwischen diesen Objekten. Die Objekte nennen wir Kompontenen. Die Beziehungen zwischen seinen Komponenten nennen wir Relationen. So können wir mit gewisser Vorsicht kurz sagen, daß ein Gegenstand ein System darstellt genau dann, wenn er ein geordnetes Paar von der Gestalt ist:
." Als Beispiel wird eine Familie genannt. Die Komponenten sind die Familienmitglieder. Relationen sind zum Beispiel, dass sie verwandt sind, miteinander kommunizieren, einander "lieben, erziehen, quälen". Ein weiteres Beispiel sei ein "Staatswesen" mit Komponenten wie parlament, Regierung, Ministerien und Relationen wie "Wählren, Regieren, Schröpfen, Versorgen, Beschützen, Befehlen Gehorchen". Und auch die Zelle eines Lebewesens wird als Beispiel für Systeme angeführt. Komponenten sind die Zellwand, der Zellkern, die Mitochondrien "und der Rest". Die Relationen bestehen aus den "zahllos zwischen ihnen stattfindenden chemischen Wechselwirkungen". In: Kazem Sadegh-Zadeh: Als der Mensch das Denken verlernte: Die Entstehung der Machina sapiens. Burgverlag, Tecklenburg. 2000. ISBN: 3-922506-99-2. Dort im Kapitel "Lebewesen sind zyklische Kausalsysteme" auf den Seiten 29 und 30. Siehe auch System ↗
- [2] Systeme haben Grenzen: "System, thermodynamisches S., makroskopisches stoffliches Objekt, das gegen die Umgebung durch idealisierte Wände abgegrenzt ist und zum Gegenstand thermodynamischer Betrachtungen gemacht werden kann." In: Spektrum Lexikon der Chemie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg. 1998. Dort der Artikel "System". Online: https://www.spektrum.de/lexikon/chemie/system/8962
- [3] Valentin Turchin (1931 bis 2010), der Urheber des Begriffes der Metasytem-Transition, definiert: Ein System S', das aus Untersystemen S sowie zusätzlich einem Kontrollmechanismus für das Verhalten und die Herstellung von S verfügt nennt man eine Metasystem. Wenn aus Systemen S ein solches Übersystem S' entsteht, spricht man von einer Metasystem-Transition. In: Valentin Turchin, Cliff Joslyn: The Metasystem Transition. Principia Cybernetica Web (Principia Cybernetica, Brussels), 1993. Mehr unter Metasystem-Transition ↗
- [4] Zur Volvox-Kugelalge als Modell für Evolutionary Transitionen: "The Michod Lab is studying the evolution of multicellularity and sex in the volvocine green algae as examples of evolutionary transitions in individuality. How groups of individuals become new kinds of individuals is the basic question that motivates us." Zum Beispiel: Aurora M. Nedelcu, Richard E. Michod: The evolutionary origin of an altruistic gene in Volvox carteri. Molecular Biology and Evolution. 8:1460-1464. 2006. Siehe auch Volvox ↗
- [5] Die Bewegung einzelner Zellen wird so koordiniert, dass die Kolonie sich kontrolliert bewegen (locomotion) und Flüssigkeiten transportieren kann (fluid transport): "Groups of eukaryotic cilia and flagella are capable of coordinating their beating over large scales, routinely exhibiting collective dynamics in the form of metachronal waves." In: Brumley DR, Polin M, Pedley TJ, Goldstein RE. Metachronal waves in the flagellar beating of Volvox and their hydrodynamic origin. J R Soc Interface. 2015 Jul 6;12(108):20141358. doi: 10.1098/rsif.2014.1358. PMID: 26040592; PMCID: PMC4528573.
- [6] Ein Beispiel für Kontrollmechanismen innerhalb der Kugelalge Volvox ist die Kontrolle über die Vermehrungstätigkeit einzelner Zellen innerhalb der Kugelalge. Die ganze Alge besteht aus rund 2000 Zellen, von denen sich aber nur 16 aktiv weiter fortpflanzen: "These findings complement recent proposals that the differentiation of sterile castes in social insects involved the co-option of regulatory networks that control sequential shifts between phases in the life cycle of solitary insects." Und speziell für die Kugelalge: "Terminal differentiation of somatic cells in V. carteri involves the expression of regA—a master regulatory gene that encodes a transcriptional repressor thought to suppress several nuclear genes coding for chloroplast proteins. Consequently, the cell growth (dependent on photosynthesis) and division (dependent on cell growth) of somatic cells are suppressed. Because they cannot divide, they do not participate directly in the offspring but contribute to the survival and reproduction of the colony" In: Aurora M. Nedelcu, Richard E. Michod: The evolutionary origin of an altruistic gene in Volvox carteri. Molecular Biology and Evolution. 8:1460-1464. 2006. Das Phänomen, dass sich nur wenige Zellen eines Vielzellers fortpflanzen heißt zellulärer Flaschenhals ↗
- [7] Das Wachstum einer Volvox-Kolonie ist ein koordinierter, kontrollierter Vorgang: "Patterning of a multicellular body plan involves a coordinated set of developmental processes that includes cell division, morphogenesis, and cellular differentiation." Speziell auch der Abschnitt mit dem Titel "Cytological and genetic control of embryonic patterning". In: Matt G, Umen J. Volvox: A simple algal model for embryogenesis, morphogenesis and cellular differentiation. Dev Biol. 2016 Nov 1;419(1):99-113. doi: 10.1016/j.ydbio.2016.07.014. Epub 2016 Jul 19. PMID: 27451296; PMCID: PMC5101179. Siehe auch Morphogenese ↗
- [8] Die Entstehung von einem Zentralnervenstystem in Schwämmen: "Here, I examine the elements of the sponge neural toolkit including sensory cells, conduction pathways, signalling molecules and the ionic basis of signalling." In: Sally P. Leys: Elements of a ‘nervous system’ in sponges. In: Journal of Experimental Biology. 218 (4). 2015. Dort die Seiten 581–591. DOI: doi.org/10.1242/jeb.110817. Siehe auch Zerebralisation ↗
- [9] Differenzierung ist möglich, aber nicht zwingend notwendig: "Differentiation is a typical (but not necessary) result of control of elements by the entire system. However, control always changes system components in order to increase the performance of the entire system." In: Alexei Sharov: Metasystem Transitions in Biology. Principia Cybernetica Web (Principia Cybernetica, Brussels), 2000. URL: http://pespmc1.vub.ac.be/MSTBIOL.html
- [10] Differenzierung eher selten: "The path from a unicellular condition to a multicellular one has been well-traveled. Of the same 23 monophyletic protist groups, fully 17 have multicellular representatives. The path from multicellularity to cellular differentiation, however, proved a far less porous filter. Of the 17 multicellular taxa, only 3 groups, the plants, the fungi, and the animals have developed cellular differentiation in more than a handful of species." In: Buss, L. W. 1987. The evolution of individuality. Princeton, NJ: Princeton University Press. Dort die Seite 70. Siehe auch Differenzierung (Biologie)
- [11] Die Mindeströße einer Population im Sinne einer Evolution muss zum Beispiel die schädlichen Effekte von Inzucht ausreichend gut vermeiden. 50 bis 100 Individuen müssen es mindestens sein, so das Ergebnis einer empirischen Untersuchung: "A consensus MVP rule of 50/500 individuals has been attained, according to which a minimum effective population size of Ne = 50 is needed to avoid extinction due to inbreeding depression in the short term, and of Ne = 500 to survive in the long term." MVP steht dabei für Minimum viable population (Mindestgröße einer lebensfähigen Population). In: Pérez-Pereira, N., Wang, J., Quesada, H. et al. Prediction of the minimum effective size of a population viable in the long term. Biodivers Conserv 31, 2763–2780 (2022). Licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. DOI: https://doi.org/10.1007/s10531-022-02456-z
- [12] Wenn die Evolution eine Mindestanzahl von Individuen innerhalb einer Population benötigt, dann folgt bei begrenzten Ressourcen daraus, dass die evolutionäre Strategie einer Art nicht zwangsläufig die Vergrößerung einzelner Individuen sein kann, sondern eine Vermehrung. In der Biologie scheint dies die einzige Strategie von Lebewesen zu sein: es gibt keine Art, deren Individuen über das Wachstum ihrer individuellen Körper konkurrieren sondern letztendlich immer über die Anzahl ihrer reproduzierenden Nachkommen. Seltsamerweise wurde diese Prinzip bisher nicht auf das Wirtschaftsleben übertragen. Einzelne Unternehmen haben als Ziel meist ein individuelles Wachstum und nicht, ihre eigene Reproduktion. Eine interessante ökonomische Zwischenstufe könnten hier Kettenunternehmen sein. Siehe dazu auch Evolvierbarkeit ↗
- [13] Genetische Kodierung heißt, dass die Erbeinformation eine passende Balance zwischen Zuverlässigkeit und Variation hat. Nur wenn sie auch die Möglichkeiten zu Mutationen hat, ist sie ein geeigneter Replikator im Sinne der Evolution. Siehe mehr dazu unter Replikator ↗
- [14] Eine gemeinsame Keimbahn und damit im Umkehrschluss die Unfruchtbarkeit von Teilindividuen als notwendige Voraussetzung für eine evolutionäre Transition: "The evolution of eusociality in social insects, such as termites, ants, and some bees and wasps, has been regarded as a major evolutionary transition (MET). Yet, there is some debate whether all species qualify. Here, we argue that worker sterility is a decisive criterion to determine whether species have passed a MET (= superorganisms), or not." In: Abel Bernadou, Boris H. Kramer, Judith Korb: Major Evolutionary Transitions in Social Insects, the Importance of Worker Sterility and Life History. In: Front. Ecol. Evol., 26 October 2021. Sec. Social Evolution. Volume 9 - 2021. Siehe auch zellulärer Flaschenhals ↗
- [15] Kontrolle schließt hier auch die Steuerung mit ein. Kontrollmechanismen sind ein wesentlichter Teil der Definition von Metasystemen. Bei biologischen Organismen denke man etwa an Hormone und Nervensignale. Bei menschlichen Metasystemen könnten verschiedene Formen sozialer Kontrolle sowie insbesondere marktwirtschaftliche Anreizsysteme eine Art Präadaptation sein. Siehe auch Konformitätsverstärker ↗
- [16] Ein Beispiel für eine interne Kontrolle eines Systems gegenüber Subsystemen ist das koordinierte, kontrollierte Wachstum von einzelnen Zellen innerhalb einer Volvox-Kolonie: Das Wachstum einer Volvox-Kolonie ist ein koordinierter, kontrollierter Vorgang: "Patterning of a multicellular body plan involves a coordinated set of developmental processes that includes cell division, morphogenesis, and cellular differentiation." Speziell auch der Abschnitt mit dem Titel "Cytological and genetic control of embryonic patterning". In: Matt G, Umen J. Volvox: A simple algal model for embryogenesis, morphogenesis and cellular differentiation. Dev Biol. 2016 Nov 1;419(1):99-113. doi: 10.1016/j.ydbio.2016.07.014. Epub 2016 Jul 19. PMID: 27451296; PMCID: PMC5101179. Siehe auch Volvox ↗
- [17] Eusoziale Insekten können einen altruistischen Selbstmord zum Wohl des Superorganismus begehen: "Eusocial insect colonies form superorganisms, in which nestmates cooperate and use social immunity to combat parasites." Sowie: "Altruistic suicide of immature bees constitutes a social analogue of apoptosis, as it prevents the spread of infections by sacrificing parts of the whole organism, and unveils a novel form of transgenerational social immunity in honey bees.". Page P, Lin Z, Buawangpong N, Zheng H, Hu F, Neumann P, Chantawannakul P, Dietemann V.: Social apoptosis in honey bee superorganisms. Sci Rep. 2016 Jun 6;6:27210. doi: 10.1038/srep27210. PMID: 27264643; PMCID: PMC4893659. Siehe auch Apoptose ↗
- [18] Die Entstehung von einem Zentralnervenstystem in Schwämmen: "Here, I examine the elements of the sponge neural toolkit including sensory cells, conduction pathways, signalling molecules and the ionic basis of signalling." In: Sally P. Leys: Elements of a ‘nervous system’ in sponges. In: Journal of Experimental Biology. 218 (4). 2015. Dort die Seiten 581–591. DOI: doi.org/10.1242/jeb.110817. Siehe auch Zerebralisation ↗
- [19] Zwingend nötige Eigenschaften, die wesentlich für eine Sache sind bezeichnet man in der Philosophie auch als substanzielle Eigenschaften. Siehe mehr dazu unter Eigenschaft ↗
- [20] Eigenschaften die auftreten können, aber nicht zwingend sind, nennt man zufällig oder auch akzidentell ↗
- [21] Apoptose in Volvox-Kugelalgen: David L. Kirk: Germ–Soma Differentiation in Volvox: In: Developmental Biology. Volume 238, Issue 2. 2001. Dort die Seiten 213 bis 223. ISSN 0012-1606.DOI: doi.org/10.1006/dbio.2001.0402. Siehe auch Apoptose ↗
- [22] In der Biologie und Medizin bezeichnet man das Ersetzen abgestorbener biologischer Zellen durch neue als physiologische Zellregeneration ↗
- [23] Ein klassisches Beispiel für ein Metasystem als System aus Systems ist ein Organismus mit Organen, die wiederum aus Zellen bestehen. Die Zellen bilden als Substystem das Metasystem Organ. Und die Organe bilden dann als Subsysteme das Metasystem Organismus ↗