R: Guten Morgen! Bist du früh aufgestanden?
A: Guten Morgen, ich bin seit einer halben Stunde wach und habe Kaffee vorbereitet, wir können uns denn auf den Balkon setzen. Ich nehme die Kaffeekanne mit und gehe schon mal auf den Balkon.
R: Was soll ich mitbringen?
A: Nur zwei Tassen. Zucker und Mich stehen schon auf dem Balkontisch.
R: Setzen wir uns hin, herrlich, der Himmel ist blau, die Temperatur ist angenehm, die Sonne strahlt, wir trinken Kaffee und heute ist Sonntag.
A: Ich beginne mit dem Begriff der Information.
R: Was ist eigentlich Information, und was bewirkt sie?
A: Die Antwort ist einfach und direkt. Information beantwortet Fragen. Alles, was wir wissen ist Information. Alles, was uns ausmacht, ist Information. Wir sammeln Informationen, verarbeiten sie und handeln nach ihnen. Zum Beispiel: Heute ist Sonntag. Die Sonne scheint. Wir trinken Kaffee. Dieses Beispiel verdeutlicht die erhaltende Information, und deren Rolle in unserem Alltag. Eigentlich sind wir Informationsträger. Also, der Tag, der Sonntag heisst, hat in sich gewisse Informationen: Wir arbeiten heute nicht und draussen ist es ruhiger als an anderen Tagen. Es gibt weniger Verkehr und Lärm, wir können keine Wäsche machen, die Schulen, Ämter und Geschäften sind geschlossen, Manche gehen am See spazieren, Einige wandern auf den Uetliberg, usw. Alles, was wir über den Sonntag wissen, ist die Information.
Bild: Unser derzeitiges Informationsnetz
R: Es bedeutet: Wir erfahren unsere Information in dem Sinne, eines freien Tages auf dem Balkon mit strahlender Sonne und einem Kaffee.
A: Genau, in ihrer allgemeinsten Form besteht Information aus Regeln, die sich auf die Ereignisse auswirken. Regeln bestimmen, welche von allen zu einer gegebenen Zeit an einem gegebenen Ort vorstellbaren Veränderungen möglich sind. Information beginnt mit den physikalischen Gesetzen, dem grundlegenden Betriebssystem unseres Universums. Die physikalischen Gesetze lenken die Veränderung in bestimmt Bahnen, wie diejenigen, die der Gravitation ermöglichten, die ersten Sterne zu produzieren. In diesem allgemeinsten Sinn begrenzt die Information, was möglich ist, sie verringert die Zufälligkeit. Das ist die universelle Information: die Regeln, die den winzigsten Erscheinungsformen von Materie und Energie innewohnen. Niemand muss der Gravitation sagen, was sie zu tun hat; sie macht einfach das, was sie immer macht.
R: Der Kaffee hat mir geschmeckt, ich koche mir noch Einen, möchtest du auch noch einen Kaffee?
A: Gerne, ich hole uns Wasser!
—-
—-
R: Hier ist dein Kaffee!
A: Danke, Wasser steht schon auf dem Tisch.
R: Erzähle weiter!
Bild: Der Austausch der Information
A: Information beruht auf den Regeln, die festlegen, wie sich Veränderungen vollziehen können. Umgangssprachlich bedeutet das Wort „Information“ allerdings mehr, nämlich Regeln, die von einer Person, einem Akteur oder einem Objekt gelesen werden – mit anderen Worten, von irgendeinem komplexen adaptiven System. Diese Art von Information entsteht, weil viele wichtige Regeln nicht universell sind. Wie die Gesetze der menschlichen Gesellschaften ändern sie sich von Ort zu Ort und von Augenblick zu Augenblick. Während sich das Universum entwickelte, entstanden neue Umwelten, etwa die Tiefen des Alls, galaktische Staubwolken und die Oberflächen von Felsplanten. Wie sich zeigte, hatten diese Umwelten ihre eigenen Regeln, die nicht universell waren. Lokale Regeln mussten gelesen, entschlüsselt oder studiert werden, so wie du dich, bevor du die Mongolei besuchst, erkundest, auf welcher Strassenseite man dort fährt. Da komplexe adaptive Systeme nur in sehr spezifischen Umwelten überleben können, müssen sie in der Lage sein, neben universellen Regeln auch lokale Informationen zu lesen und zu entschlüsseln. Und das ist neu. Alle Lebensformen brauchen Mechanismen zur Interpretation lokaler Information (etwa die Anwesenheit verschiedener chemischer Stoffe oder lokaler Temperaturen und Säuregrade), um angemessen reagieren zu können (soll ich ihn umarmen, ihn fressen oder flüchten?). Tatsächlich sind alle lebenden Organismen Informationsfresser. Alle konsumieren sie Information, und die Mechanismen, mit denen sie lokale Informationen lesen und auf sie reagieren – egal, ob es sich um Augen, Fühler, Muskeln oder Gehirne handelt.
R: Möchtest du ein Schluck Wasser?
A: Sehr gerne!
R: Hier hast du ein Glas Wasser!
A: Danke, nun, das kollektive Lernen schenkte uns einen ungeheuren Reichtum an Informationen über Pflanzen und Tiere, über Bodenbestellung, Feuer und chemische Stoffe, über Literatur, Kunst, Religion und andere Menschen. Obwohl sich der Informationsgehalt in unserer menschlichen DNS im Laufe der vergangenen 50,000 Jahre nicht dramatisch verändert hat, sind kollektiv in unseren Gehirnen, Büchern und Computern gespeicherten Informationen expandiert.
R: Wie hat dir den Kaffee geschmeckt?
A: Er hat mir gefallen.
R: Möchtest du noch Einen?
A: Später sicher, jetzt genügt mir ein Glas Wasser!
R: Erzähle weiter!
A: Also, der Begriff nämlich die Information taucht in den unterschiedlichen Wissenschaftlichen Zusammenhängen auf, nicht nur in Biologie und Thermodynamik, sondern auch in der Computertheorie und anderen Zweigen der Physik. John Wheeler (1911-2008), ein Nobelpreisträger in Physik, der auch als Schöpfer des schwarzen Lochs genannt wird, entwickelte eine Theorie, die er „it from bit“ nennt.
R: Was ist diese Theorie?
A: Das ist eine Theorie, die von der Annahme ausgeht, dass Information der Ursprung aller Existenz ist. Wenn wir den Mond, eine Galaxie oder ein Atom anblicken, ist ihr Wesen laut Wheeler die Information, die in ihnen gespeichert ist. Doch diese Information begann seine Existenz, als das Universum sich selbst beobachtete. Wheeler zeichnet ein Kreisdiagramm, das die Geschichte des Universums darstellt. Am Anfang begann das Universum zu sein, weil es beobachtet wurde. Das heisst, das „it“ (die Materie im Universum) begann seine Existenz, als die Information („bit“) des Universums beobachtet wurde.
Bild: it from bit
A: Verblüffende Information!
R: Traditionell geht es in der Physik um Dinge – um Planeten, Steine, Atome, Teilchen, Felder – und um die Untersuchung der Kräfte, die das Verhalten dieser Dinge beeinflussen und ihre Wechselwirkungen miteinander bestimmen. Wheeler dagegen vertrat die Ansicht, dass man Dinge – Materie und Strahlung – als zweitrangig betrachten sollte, als Träger von Etwas Abstrakterem, Grundsätzlichem: Information. Er behauptete nicht etwa, Materie und Strahlung seinen in irgendeiner Form Illusion, regte jedoch dazu an, sie als die materielle Ausdrucksform von etwas Fundamentalerem anzusehen. Nach seiner Überzeugung beschreibt Information, wo ein Teilchen sich befindet, ob es sich so oder so herum dreht, ob seine Ladung positiv oder negativ ist und so weiter – einen nicht mehr reduzierbaren Kern im Herzen der Wirklichkeit. Dass solche Information sich in realen Teilchen wiederfindet, die reale Positionen einnehmen, einen eindeutigen Spin und eindeutige Ladung haben, ist der Verwirklichung von Wolkenkratzerentwürfen eines Architekten vergleichbar. Die grundlegende Information befindet sich in den Blaupausen. Der Wolkenkratzer ist nur die physische Realisierung der Information, die in den Plänen des Architekten steckt.
Bild: Informationen, die wir mittels Radioteleskope erhalten
R: Interessante Information, erzähle weiter!
A: So betrachte, kann man sich das Universum als Informationsverarbeitungsvorrichtung vorstellen. Es nimmt Informationen darüber auf, wie die Dinge jetzt sind, und erzeugt Informationen, die festlegen, wie die Dinge im nächsten Jetzt und in dem darauffolgenden Jetzt sein werden. Unsere Sinne nehmen diese Informationsverarbeitung wahr, indem sie aufzeichnen, wie sich die physikalische Umwelt im Laufe der Zeit verändert. Aber die physikalische Umwelt selbst ist emergent, veränderlich und schwankend; sie wächst aus dem Grundbestandteil der Information, und entwickelt sich nach den grundlegenden Regeln, den Gesetzen der Physik.
R: Woraus besteht die Information?
A: Sie besteht aus Bits. Der Morsecode ist ein sehr einfaches System, der nur zwei Symbole kennt: Punkt (.) und Strich (-). Wenn Information durch zwei Symbole kodiert ist – es können Punkte und Strichen, Nullen und Einsen oder irgendein anderes Paar sein -, nennt man die Symbole Bits. Der Satz: „König Canute hatte Warzen am Kinn“ ist im Morsecode also eine 65-Bit-Botschaft. Ein Bit ist eine einzelne, irreduzible Einheit der Information und somit Informationshalter.
Bild: Tabelle der Morse-Codes
R: Erzähle weiter mit Beispielen!
A: Das Alphabet und die zehn gewöhnlichen Zahlenzeichnen (von 0 bis 9) sind ein menschliches Konstrukt, das wir zu erkennen und in unserem Gedächtnis zu speichern lernen. Doch jeder Buchstabe und jedes Zahlzeichen enthält bereits eine Menge Information, beispielsweise in dem verwickelten Unterschied zwischen den Buchstaben A und B oder den Zahlen 5 und 8. Wenn ich sage, ein Atlas enthalte Informationen über die Welt, dann meine ich damit, dass es eine Beziehung zwischen dem Zustand des Buches (insbesondere die Positionen bestimmter Moleküle, die den Buchstaben und Abbildungen ihre Farbe verleihen) und dem Zustand der Welt (zum Beispiel die Lage der Kontinente) gibt. Lägen die Kontinente an anderen Positionen, dann wären auch die Moleküle an anderen Orten. Wir Menschen benutzen eine ganze Palette unterschiedlicher Instrumente, um Informationen zu speichern – von Büchern über Gehirne bis zu Festplatten – und sie alle haben gemeinsam, dass sich ihr Zustand in einer für uns informative Beziehung zu dem Zustand anderer Dinge, die uns wichtig sind, bringen lässt.
R: Erzähl weiter so!
A: Ich hole etwas, ich werde gleich wieder hier sein!
R: Ich bereite den Kaffee vor!
…
…
A: Also, ich bin wieder hier!
R: Du kommst mit zwei Büchern!
A: Ja, ich stelle ein Buch auf deine Seite und ein Buch auf meine Seite. Der Kaffee riecht gut, danke!
Bild: Zwei Bücher, die verschiedene Informationen erhalten
R: Erzähle weiter, ich höre gerne zu!
A: Das Wort Information kann vieles bedeuten: „Die Information, die du hast, dürfte falsch sein.“ – „Zur deiner Information: Der Mars hat zwei Monde.“ – „Ich habe mein Diplom in Informationswissenschaft gemacht.“ – „ Du kannst die Information in der Nationalbibliothek finden.“ – In jedem dieser Sätze wird das Wort Information in einem ganz spezifischen Sinne gebraucht. Nur bei der letzten Wortbedeutung kann man sinnvoll fragen: „Wo befindet sich die Information?“
R: Eben, wo befindet sich die Information?
A: Diese Frage sollten wir nachgehen. Wenn ich dir sagen würde, dass Präsident Grant in Grants Grab bestattet ist, wären wir uns sicher einig, dass ich dir eine Information gegeben habe. Aber wo ist diese Information? Ist sie in deinem Kopf? In meinem Kopf? Ist sie vielleicht abstrakt, um einen festen Ort zu haben? Ist sie über das ganze Universum verteilt, so dass jeder überall auf sie zugeriefen kann?
R: Beeindruckende Information!
A: Hier kommt eine ganz konkrete Antwort: Die Information steht auf dieser Seite, gespeichert in Gestalt physischer Buchstaben, bestehend aus Kohlenstoff- und anderen Molekülen. So gesehen ist Information etwas konkretes, fast eine Substanz. Sie ist konkret, dass die Information in deinem Buch und in meinem Buch unterschiedliche Informationen sind. In deinem Buch steht, dass Grant in Grants Grab bestattet ist. Du kannst vermuten, dass in meinem Buch dasselbe steht, aber mit Bestimmtheit wissen wir es nicht. Vielleicht steht ja in meinem Buch, Grant sei in der Grössen Pyramide von Gizeh bestattet. In Wahrheit ist die Information weder in deinem noch in meinem Buch enthalten. Die Information, dass Garnt in Grants Grabmal bestattet ist, befindet sich auf Grants Grabmal. So wie Physiker das Wort verwenden, besteht Information aus Materie und sie hat einen Ort. Unter Materie verstehen Physiker nicht nur Dinge, die aus Atomen bestehen. Als Materie gelten auch andere Elementarteilchen wie Photonen, Neutrinos und Gravitation. Die Information in diesem Buch, das ich in der Hand habe, befindet sich in einem rechteckigen Raumvolumen, das 10 auf 6 auf 1 Zoll misst, also 60 Kubikzoll. Wie viele Informationsbits sind zwischen den Buchstaben versteckt? Eine Druckzeile bietet Platz für rund 70 Zeichen – Buchstaben, Satzzeichen und Leerzeichen. Bei 37 Zeilen pro Seite und 350 Seiten ergibt sich fast eine Millionen Zeichen.
R: Erstaunliche Information!
A: Meine Computertastatur verfügt über rund 100 Symbole, Klein- und Grossbuchstaben, Zahlen und Satzzeichen eingeschlossen. Nehmen wir an, ich schreibe dieses Buch mit meiner Computertastatur nochmals. Die Zahl der unterschiedlichen Botschaften, die in diesem neuen Buch enthalten sein können, ist rund 100, eine Million mal mit sich selbst multipliziert, oder anders gesagt 100 hoch eine Millionen. Das ist eine ungeheuer grosse Zahl, die man auch erreicht, wenn man 2 rund 7 Millionen Mal mit sich selbst multipliziert. Das Buch enthält 7 Millionen Informationsbits. Hätte man den Morsecode benutzt, hätte man also 7 Millionen Punkte und Striche benötigt. Wenn wir das durch den Rauminhalt des Buches teilen, kommen wir auf rund 120.000 Bits pro Kubikzoll. Das ist die Informationsdichte in diesem Volumen bedruckter Seiten. Aber warum sollte man bei Büchern stehenbleiben? Könnte man jedes Buch ein Zehntel seines Volumens verkleinern, liessen sich zehnmal so viele Bits hineinzwängen. Das Speichervermögen liesse sich noch vergrössern, wenn die Inhalte auf Mikrofiche übertragen würden. Und würde man jedes Buch digitalisieren, stünde noch mehr Speicherplatz zur Verfügung. Es gibt keine fundamental physikalische Grenze für den Raum, der für die Annahme eines einzelnen Bits ist. Kleiner als ein Atom, kleiner als ein Quark, sogar kleiner als ein Neutrino, könnte das einzelne Bit der fundamentalste Baustein sein. Ohne jede Struktur, ist das Bit einfach da oder nicht da. John Wheeler glaubte, dass alle materiellen Objekte sich aus Informationsbits zusammensetzen und er drückte seine Idee durch diesen Slogan: „it from bit“ – Das Seiende beruht auf Information.
R: Erzähl weiter!
A: Wenn wir das Leben umfassend definieren nämlich schlicht als einen Prozess, der seine Komplexität bewahren und sich reproduzieren kann, dann taucht die Frage auf und zwar, was wird reproduziert?
R: Ja, was wird reproduziert?
A: Es wird Materie, die aus Atomen besteht, reproduziert. Diese Materie hat in sich die Information, die festlegt, wie die Atome angeordnet werden. Wir können uns das Leben als ein sich selbst kopierendes Informationssystem vorstellen, dessen Informationen (Software) sein Verhalten und die Entwürfe für seine Hardware bestimmen.
R: Sensationell!
A: Computerwissenschaftler unterscheiden zwischen Syntax und Semantik. Syntaktische Informationen sind einfach Rohdaten, die, wenn überhaupt, nur nach grammatischen Regeln geordnet sind, wohingegen semantische Informationen einen Kontext, eine Bedeutung besitzen. Information an sich muss nicht unbedingt etwas bedeuten. Schneeflocken enthalten syntaktische Information in der jeweiligen Anordnung ihrer Eisenkristalle, doch diese Muster haben keinerlei semantischen Inhalt, keine Bedeutung jenseits der Form selbst. Biologische Information zeichnet sich dagegen durch ihre Bedeutungsfülle aus. DNS speichert die Instruktionen zum Bau eines funktionierenden Organismus. Sie ist ein Konstruktionsplan oder Algorithmus für ein spezifisches, vorbestimmtes Produkt. Schneeflocken sind kein Code und kein Symbol für irgendetwas – ganz im Gegenteil zu Genen. Um das Leben in Gänze zu erklären, reicht es nicht, eine Quelle freier Energie zu identifizieren, die Information einbringen kann. Wir müssen darüber hinaus verstehen, wie semantische Information zustande kommt. Die Qualität der Information, nicht ihre blosse Existenz, ist das Rätsel. Die Quelle semantischer Information kann nur die Umwelt des Organismus sein, doch dann stellt sich die Frage, wie die Information zunächst in die Umwelt gelangt ist. Bestimmt war sie nicht einfach da und hat darauf gewartet, von der Natur aufgenommen und zusammengestückelt zu werden wie Fetzen eines vorgefertigten Bauplans. Die Umwelt ist kein intelligenter Architekt. Was wissen wir also über ihren Informationsgehalt? Was bedeutet in diesem Zusammenhang eigentlich der Begriff „Umwelt“? Ist es unmittelbare Umgebung des Organismus? Ist es die Biosphäre? Das Sonnensystem? Oder gar das ganze Universum? Folgt man der Ursachenkette, so steht man am Ende vor einer Frage der Kosmologie: Woher kommt der Informationsgehalt des Universums?
R: Wunderlich, erzähle weiter, bitte!
A: Sowohl die Quantenmechanik als auch die Relativitätstheorie deuten also darauf hin, dass Information keine lokale, sondern globale physikalische Grösse ist. Man kann nicht einfach einen bestimmten Ort im Raum untersuchen und Information feststellen. Was man sieht – zum Beispiel ein Teilchen –, wird nur in einem entsprechenden globalen Kontext zu Information. Ob das Teilchen Information besitzt oder nicht, ist jedoch keine triviale oder rein semantische Frage.
R: Was hat dies alles mit dem Ursprung des Lebens zu tun?
A: Es legt den Verdacht nahe, dass wir den Ursprung biologischer Information nicht auf das Wirken lokaler physikalischer Kräfte und Gesetze zurückführen werden können. Insbesondere die oft wiederholte Behauptung, das Leben sei in den Gesetzen der Physik vorbestimmt, kann nicht zutreffen, wenn damit die normalen Gesetze gemeint sind, die lokale Wirkung und Nahkräfte beschreiben. Der Ursprung biologischer Information ist in einem irgendwie gearteten globalen Kontext zu suchen. Es könnte sich herausstellen, dass dieser Kontext einfach die Umgebung ist, in der sich Biogenese vollzieht. Er könnte aber auch einen noch unbekannten, nicht lokalen Typ physikalischer Gesetze umfassen, welche die Dynamik der Information eindeutig mit der Dynamik der Materie verknüpft.
Quellen:
Kaku, Michio. Im Paralleluniversum. Reinbek bei Hamburg: Rowohlt, 2007.
Christian, David. Big History. München: Carl Hanser, 2018.
Susskind, Leonard. Der Krieg um das Schwarze Loch. Berlin: Suhrkamp, 2010.
Greene, Brian. Die verborgene Wirklichkeit. München: Siedler, 2012.
Tegmark, Max. Leben 3.0. Berlin: Ullstein, 2017.
Davies, Paul. Das fünfte Wunder. Frankfurt am Main: Fischer, 2015.