Was ist Information?

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  • Was ist Information?

    Der Begriff "Information" wird insbesondere in Bezug auf genetische Prozesse recht oft angewendet. Inwiefern das sinnvoll oder überflüssig ist, möchte ich im Folgenden erörtern.
    Information ist für uns immer dann vorhanden, wenn etwas als etwas Gegebenes erkennbar ist, weil es sich durch bestimmte Eigenschaften von dem unterscheidet, was nicht dieses Gegebene ist. Ein Ding als etwas Gegebenes bildet einen Kontrast mit dem, was das Gegebene umgibt. Durch diesen Kontrast wird ein Ding als ein Ding erkennbar. Der Vergleich eines gegebenen Dings mit anderen Dingen ergibt weitere Eigenschaften, die diesem Ding zukommen.

    Aussagen über erkennbare Eigenschaften von Dingen, die sich durch Vergleich ergeben, nennt man Informationen. Informationen sind daher Erkenntnisse über Dinge, die durch ein wahrnehmendesSubjekt in eine symbolische Form übertragen werden können (z.B. als gesprochene Aussagesätze, als geschriebener Text oder als Schemazeichnung). Eine Information ist also die Aussage über eine Relation zwischen verschiedenen Gegebenheiten. Eine Relation ist hierbei die Art und Weise des Unterschieds zwischen Gegebenheiten, die dieselben als voneinander unterscheidbar ausweisen (so auch die Art und Weise des Kontrasts zwischen einem Ding und dem Hintergrund, von dem es sich erkennbar abhebt).

    Darüber hinaus sind Informationen Aussagen über Eigenschaften von Gegebenheiten in Bezug auf ihr Sein (Zustände, Beschaffenheit) und ihr Werden (Zustandsänderungen, Entwicklungen), wobei Vergleichsmaßstäbe herangezogen werden, die als Bezugspunkt dienen. Informationen sind daher keine Eigenschaften von Dingen, sondern lediglich aus Eigenschaften abgeleitete Aussagen über diese Eigenschaften. Stets wird hierbei ein wahrnehmendes und erkennendes Subjekt mit vorausgesetzt, weil die Fähigkeit, Aussagen zu treffen und zu verstehen, eine Eigenschaft von Subjekten ist, die hinreichend komplex beschaffen sind.

    Obwohl Maschinen und Zellen keinerlei Subjektivität innewohnt, verhalten sie sich so, als ob sie Informationen verstehen und verwerten können. Dieser Effekt kommt zustande, weil bestimmte Sequenzen (lineare Abfolgen von ähnlich strukturierten Mustern) auf den Ablauf von Fließprozessen kanalisierend wirken. Bei einem Computer ist dies z.B. die Abfolge von Vertiefungen auf einer CD-ROM, die nach der Aktivierung den Elektronenfluss im Computer beeinflusst, so dass auf einem Bildschirm bestimmte Farben und Muster erscheinen, welche man als Animation oder Text wahrnimmt.

    In einer Zelle wirkt sich eine bestimmte Basensequenz in der DNA so aus, dass daraus im Verlauf der Proteinbiosynthese eine ganz bestimmte Art von Protein entsteht, welches wiederum auf eine ganz bestimmte Art und Weise die Stoffwechselprozesse in der Zelle beeinflusst, sodass z.B. ein bestimmtes Merkmal erkennbar wird. In beiden Fällen handelt es sich streng genommen nicht um Informationen, also nicht um Aussagen über Zustände oder Veränderungen von Zuständen, die innerhalb des jeweiligen Systems verstanden werden können, sondern um den kanalisierenden Effekt von Sequenzen, der sich immer dann ergibt, wenn sie in den stetig ablaufenden Energiefluss innerhalb eines Systems einbezogen sind.

    Das Verhalten der jeweiligen Systeme veranlasst einen Beobachter jedoch dazu, anzunehmen, es würde sich bei den Sequenzen um Informationen handeln, die verstanden werden, so dass sich das System entsprechend des Verständnisses dieser Informationen ausrichtet. Daraus entsteht die Vorstellung, dass Sequenzen das System steuern, obwohl es in Wirklichkeit keinerlei Instanz im System gibt, welche die Funktion als Steuerzentrale erfüllen könnte.

    Wie laufen biologische Prozesse ab? -Beispiel: Proteinbiosynthese

    Die Biosynthese der Proteine in der Zelle ist ein mehrstufiger Prozess, in den DNA, RNA und Aminosäuren sowie verschiedene Proteine einbezogen sind. Um den Leser nicht mit einer Aneinanderreihung von Fachbegriffen zu langweilen, bemühe ich mich, weitestgehend deutsche und umgangssprachliche Begriffe und Wendungen zu benutzen, um die einzelnenTeilprozesse zu beschreiben.

    Schritt 1: Anfertigen einer Kopie eines DNA-Stranges mit Hilfe von RNA (Transkription)

    DNA ist das Erbmaterial der Zelle. Es bildet einen Doppelstrang, der einer Strickleiter ähnelt, die wie eine Spirale aufgewunden ist. Bestimmte Proteine sind in der Lage, die Spirale zu glätten und die "Strickleitersprossen" (Basenpaare) voneinander zu trennen. An die nun freiliegenden zerteilten "Sprossen" (Basen) lagern sich dazu passende Moleküle an, die ebenfalls je eine einzelne Base besitzen (RNA-Nucleotide). Da jede Base sich nur mit genau einer von vier möglichen Basen passgenau zu einem Basenpaar verbinden kann, entsteht entlang eines DNA-Stranges eine Art Negativkopie in Form eines RNA-Stranges. Die einzelnen RNA-Nucleotide werden mit Hilfe eines weiteren Proteins zu einer langen Kette verbunden, die sich dann von der DNA-Vorlage ablöst. Der nun entstandene RNA-Strang (messenger-RNA, kurz: mRNA) dient als Hilfsmittel bei den nachfolgenden Schritten der Proteinsynthese. Eine Animation dieses Vorgangs kann man hier sehen (ab 2:43).

    Schritt 2: Beladen von RNA-Transportmolekülen mit Aminosäuren

    Bestimmte RNA-Moleküle (transfer-RNA, kurz:tRNA) werden mit Hilfe von speziell dafür geeigneten Proteinen mit Aminosäuren beladen. Aminosäuren sind die Ausgangsmaterialien für die Proteinherstellung. Proteine stellen eine Aneinanderreihung von etwa 100 bis 1000 Aminosäuren dar, die einen Strang bilden, der sich entsprechend seiner Zusammensetzung auf ganz besondere Art und Weise faltet. Diese Aminosäurekette nennt man auch Peptidkette oder Polypeptid ("poly" = griechisch: "viel"). Die Beladung der tRNA-Moleküle erfolgt eindeutig. Ein bestimmtes tRNA-Molekül wird nur mit einer einzelnen, ganz besonderen Aminosäure beladen. Es kann nicht sein, dass eine andere Aminosäure zugeordnet wird. Das dafür herangezogene Protein ist so gefaltet, dass immer nur jeweils eine einzelne Aminosäure so hineinpasst, dass es mit einem ganz bestimmten tRNA-Molekül verknüpft werden kann. Auch für das jeweilige tRNA-Molekül gibt es im entsprechenden Protein nur eine ganz bestimmte Passform. Auf diese Weise erfolgt eine eindeutige Beladung von tRNA-Molekülen mit Aminosäuren. Dieser Vorgang ist hier als Animation dargestellt.

    Schritt 3: Verknüpfen der Aminosäuren zu einem Peptidstrang (Translation)

    Der in Schritt 1 entstandene mRNA-Strang und die in Schritt 2 entstandenen beladenen tRNA-Moleküle kommen nun mit Hilfe eines zweiteiligen Körperchens (Ribosom mit kleiner und großer Untereinheit) zusammen. Dabei bilden die tRNA-Moleküle mit dem mRNA-Strang kurzzeitig eine dreifache Basenpaar-Bindung aus. Ebenso wie bei der DNA können auch hier nur ganz bestimmte Basen miteinander ein Basenpaar bilden. Auf diese Weise können sich nur solche tRNA-Moleküle an den mRNA-Strang anheften, die das entsprechende entgegengesetzte Basen-Trio (Basen-Triplett) besitzen. In einer anderen Region des Ribosoms werden die beladenen Aminosäuren abgelöst und nacheinander zu einem Peptidstrang verknüpft. Auch dieser Vorgang kann als Animation hier betrachtet werden.

    Da die tRNA-Moleküle in Schritt 2 zuvor eindeutig beladen worden sind, ergibt sich somit eine eindeutige Entsprechung der Basentripletts der mRNA über die entgegengesetzten Basen-Tripletts der angehefteten tRNA mit den mitgeführten Aminosäuren. Die Abfolge der Basen der mRNA entspricht somit der Abfolge der Aminosäuren im entstandenen Polypeptid. Da diese Entsprechung infolge der zuvor abgelaufenen Prozesse eindeutig ist, lässt sich eine Auflistung erstellen, in der die mRNA-Tripletts den jeweiligen Aminosäuren zugeordnet werden. Diese Auflistung ist als "genetischer Code" bekannt, obwohl es sich hierbei eigentlich nicht um einen Code, sondern um eine Chiffre handelt.

    Das Zustandekommen der Proteinbiosynthese erfolgt hierbei ausschließlich dadurch, dass bestimmte Molekülformen so ineinander passen, dass eindeutige Zuordnungen zustandekommen. Deutlich wird hierbei, dass es nicht notwendig ist, dass irgendeine Art von Information benötigt wird, die ausgelesen und verstanden werden muss. Die Anwendung des Informationsbegriffs auf Systeme, die keinerlei kognitive Fähigkeiten aufweisen, ist daher in höchstem Maße fragwürdig. Das, was wir üblicherweise als Information im Rahmen der Biologie bezeichnen (z.B. genetische Information oder Erbinformation) ist lediglich ein Konstrukt, um ein Erklärungsmodell aufzustellen. Schaut man jedoch genau hin, erklärt der Begriff "Information" in Bezug auf biologische Prozesse rein gar nichts.

    Auch das "Zentrale Dogma der Molekularbiologie" ist - wenn man es als "Informationsfluss" betrachtet - eine Feststellung, die mit "Information" eigentlich nichts zu tun hat, denn dass das Zustandekommen der DNA-Sequenzen nicht aus Proteinen erwachsen kann, ergibt sich schlicht aus dem Umstand, dass tRNA-Moleküle nicht an Aminosäuren in einer Peptidkette so angelagert werden können, dass sich parallel dazu ein mRNA-Strang bilden könnte, der als Vorlage für einen DNA-Strang dienen könnte. Rein stereochemische Gründe geben hier den Ausschlag (tRNA-Moleküle sind zu sperrig, um eine DNA-Synthese auf der Basis einer Peptid-Sequenz zu ermöglichen) und nicht ein versperrter "Informationsfluss".

    Kritik am biologischen Informationsbegriff

    Information wird in verschiedenen Disziplinen nicht mit einer einheitlichen Begriffsdefinition gebraucht. Über die verschiedenen Gebrauchsweisen informiert diese Ausarbeitung von Capurro. Der Informationsbegriff in der Informationstheorie wird hinsichtlich der Anwendbarkeit und Nützlichkeit von Rechenberg kritisch hinterfragt.

    Behrend äußert sich über den "biologischen Informationsbegriff" dahingehend, dass er "für biologische Systeme eine unstrittige Beschreibung" sei, führt aber unmittelbar davor aus, dass dessen Formulierung durch Luhmann ("Eine Information kommt immer dann zustande, wenn ein selektives (externer oder interner Art) Ereignis im System selektiv wirken, das heißt Systemzustände auswählen kann") dahingehend sprachlich verworren ist, weil nicht Ereignisse, sondern Menschen auswählen.

    Aus meiner Sicht ist das nicht nur eine Randbemerkung, sondern verweist auf den Umstand, dass bei dem Begriff "Information" immer auch ein verstehendes Subjekt mitgedacht werden muss. Da ein solches Subjekt in der Zelle fehlt, kann es sich bei dem beobachteten Verhalten der Zelldifferenzierung, Merkmalsbildung usw. von Organismen nicht um Information im eigentlichen Wortsinn handeln.

    Der von Luhmann als "selektive Wirkung" bezeichnete Effekt von Ereignissen ergibt sich - wie schon beschrieben - aus dem gesamten Prozessgeschehen im System, welches in seinerGesamtheit das System als Fließgleichgewicht jenseits des thermodynamischen Gleichgewichts konstituiert und stabilisiert. Dass dabei bestimmte Sequenzen kanalisierend wirken, hatte ich ausgeführt.

    Dennoch handelt es sich bei diesen Sequenzen nicht um Informationen, weil diese Sequenzen für sich genommen nichts und niemanden informieren - es sei denn, wir notieren sie und lesen daraus ab, welche Proteinsequenzen gemäß der Chiffrentafel des "genetischen Codes" aus bestimmten DNA- oder RNA-Sequenzen folgen. Über die aus der Proteinfunktion folgenden Merkmalseigenschaften des Organismus lassen sich jedoch keine Aussagen treffen, wenn man nur die Sequenzen zur Verfügung hat. Solche nachgeordneten Wirkungen lassen sich allein empirisch gewinnen, wenn man veränderte Sequenzen in ihren Auswirkungen studiert.

    Lily E. Kay hat das in ihrem Buch "Das Buch des Lebens - Wer schrieb den genetischen Code?" sehr gut auf den Punkt gebracht:

    Denn selbst wenn das Genom ein Text und DNA eine Sprache wäre, ließe sich das "Buch des Lebens" kaum unzweideutig lesen: Sprache ist kontextabhängig und Worte sind mehrdeutig. Sobald die komplexe genetische, zelluläre, organismische und umweltbezogene Kontextabhängigkeit der DNA berücksichtigt wird, wird es schwierig, der molekularen Syntax die biologische Bedeutung zu entlocken. (Eine reine Kausalität von unten nach oben reicht als Erklärung nicht aus.) Selbst auf der einfachsten biochemischen Ebene läßt sich die Proteinfaltung - der Schlüssel zur Physiologie und zur Medikamentenentwicklung - nicht aus der DNA-Sequenz oder dem "Wort" ableiten, ganz zu schweigen von höherstufigen Genomfunktionen, von mehrzelliger Organisation. Wenn der "Kontext" selbst problematisiert wird (z.B.: was heißt "Innen" und"Außen" des Systems?) und man epigenetische Netzwerke in die Analyse mit einbezieht, werden die dynamischen Prozesse, die den Genotyp mit dem Phänotyp verbinden, ungeheuer komplex. (S. 14)

    Dem ist eigentlich nichts hinzuzufügen.

    236 mal gelesen

Kommentare 4

  • Signatur -

    Das Problem mit der genetischen Information sind , wie du vielleicht beschrieben hast das Start-Codon und das Stopcodon innerhalb der Genetik, die den Anfang und das Ende einer ablesbaren Sequenz beschreiben. Diese werden übrigens nicht immer konstant nach Ablesung am selben Platz im Genom gelassen. Hinzu kommt, dass die Ablesung stark von der Interpretation der Mitochondrien abhängt, was den Begriff der biologischen Information stark relativiert. Ein Begriff wie Signatur oder Sprache innerhalb der Informatik scheint eher geeignet zu sein, dieses Problem zu beschreiben. Auch die von Shannon eingeführte Messzahl (shannon-information) dient dazu diesen Begriff zu umreißen.

    • Monod -

      Das ist falsch. Start- und Stop-Codon betrifft die mRNA - also das Transkript der zugehörigen DNA-Basensequenz. Nach erfolgter Proteinbiosynthese mit Hilfe von Ribosomen, wird die mRNA abgebaut, so dass die einzelnen Nucleotide als Baumaterial für neue RNA-Synthesen wieder zur Verfügung stehen. Der Platz dieser Sequenzabschnitte wird im Genom - also in der DNA - nicht verlagert, sondern diese bleiben hübsch an Ort und Stelle, damit bei einer erneuten Transkription auch wieder dieselbe (Prä-)mRNA synthetisiert werden kann.

      Die Mitochondrien spielen bei diesen Prozessen überhaupt keine Rolle.

      Signatur oder Sprache sind denkbar ungeeignet, diese Prozesse und Strukturen adäquat zu beschreiben, da die beiden von Dir benannten Codone nur deshalb ihre Funktion erhalten, weil das Ribosom zunächst mit einer spezifischen Methionin-tRNA beginnt, sich zusammenzusetzen (Start-Codon AUG) bzw. weil es für drei Codone keine spezifische tRNA gibt, die mit einer Aminosäure beladen sind (die drei Stopp-Codone). Mit Sprache oder Signaturen hat das nichts zu tun, sondern eher schon mit passenden Molekülformen, die ineinander greifen, so dass sich Interaktionen ergeben.

      Der Versuch, Shannons Informationsbegriff auf biologische Prozesse anzuwenden, ist bereits Mitte der 1950er Jahre grandios gescheitert (Arbeiten von Henry Quastler). Danach hat man nur noch metaphorisch diesen Begriff verwendet - und tut das noch bis heute.

  • kikitauchen -

    Die Ausführungen, liebe/r Monod, sind sehr Informativ. Nur ist mir nicht klar: was ist der Unterschied zwischen Information und Fehlinformation. Muss jeweils erst ein Beweis der "Richtigkeit (Wahrheit)" erbracht werden? Gehen wir etwas in Philosophie zurück: Bei Seele? Oder etwas abstrackt: Subtrahiere von der Farbe Gelb alles Substantielle, wird dann Farbe wieder substantiell ? Sind die Antworten hierzu Informationen, Vermutungen oder Fehlinformation?

    • Monod -

      Tut mir leid, aber ich kann mit Deinen Fragen nichts anfangen.