Table Of ContentClaudia Borchard-Tuch
Computersysteme - Ebenbilder der Natur?
Claudia Borchard-Tuch
Computersysteme -
Ebenbilder der Natur?
Ein Vergleich der Informationsverarbeitung
FACETTEN
aI
vleweg
ISBN 978-3-663-09504-0 ISBN 978-3-663-09503-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-09503-3
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden, 1997
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH,
BraunschweiglWiesbaden 1997.
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1997
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Umschlaggestaltung: Schrimpf und Partner, Wiesbaden
Gedruckt auf säurefreiem Papier
ISSN 0949-1295
Vorwort
Wir leben im Zeitalter der Information und glauben, daß wir mit dem
Computer etwas völlig Neues geschaffen haben. Dem ist jedoch nicht
so. Seit Millionen von Jahren bilden sich in der Natur informations
verarbeitende Systeme, die weitaus komplexer als die von Menschen
geschaffenen Systeme sind. Worin ähneln und worin unterscheiden
sich biologische und künstliche Informationssysteme? Auf diese
Frage soll hier eine Antwort gefunden werden. Hierzu werden Berei
che der Informationsverarbeitung in natürlichen Systemen vorgestellt,
zu denen es entsprechende in künstlichen Systemen gibt - Zelle und
zellulärer Automat, natürliche und Softwareinfektion, Evolution und
genetischer Algorithmus sowie Gehirn und Neuronale Netze. Der
anschließende Vergleich läßt übergeordnete Zusammenhänge erken
nen. Dieses Buch überschreitet Fachgrenzen - u.a. umfaßt es Bereiche
der Informatik, der Medizin, der Biologie und der Biochemie und
wendet sich in erster Linie an den interessierten Laien.
Abschließend Dankeschön: Frau Dr. H. Schuster danke ich herz
lich für die freundliche Durchsicht des Manuskriptes und ihre wert
vollen Hinweise. Frau Dr. A. Schulz und dem Verlag Vieweg danke
ich vielmals für ihr aufgeschlossenes Entgegenkommen und ihre Mit
hilfe bei der Verwirklichung dieses Buches.
Zusmarshausen, im März 1997 C. Borchard-Tuch
V
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ................................................................................................ V
1 Einleitung ......................................................................................... 1
1.1 Information ist überall ............................................................... 1
1.2 Aspekte des Informationsaustauschs ......................................... 8
1.3 Übersicht über das Folgende ................................................... 12
2 Zelle und Computer ...................................................................... 15
2.1 Die Zelle .................................................................................. 15
2.1.1 Die Umwelt .................................................................... 15
2.1.2 Der Informationsaustausch zwischen Zellen ................. 17
2.1.3 Kommunikationsmoleküle ............................................. 21
2.1.4 Die Informationsverarbeitung einer Zelle ...................... 25
2.1.5 Schlußfolgerung ............................................................. 29
2.2 Der Automat ............................................................................ 30
2.2.1 Was ist ein endlicher Automat? ..................................... 30
2.2.2 Die Informationsaufnahme eines endlichen
Automaten ...................................................................... 30
2.2.3 Die Informationsverarbeitung eines endlichen
Automaten ...................................................................... 32
2.2.4 Zelluläre Automaten ...................................................... 33
VI
2.2.5 Die Informationsverarbeitung eines zellulären
Automaten ...................................................................... 34
2.2.6 Nachbarschaftliche Beziehungen ................................... 34
2.2.7 Das Spiel des Lebens ..................................................... 36
2.2.8 Wie das Spiel des Lebens einen Computer
nachbildet ....................................................................... 38
2.2.9 Wie ein Computer einen zellulären
Automaten nachbildet .................................................... 40
2.3 Computer ................................................................................. 42
2.3.1 Die Hardware ................................................................. 42
2.3.2 Zelle und Computer ...................................................... .44
2.3.3 Das Lösen von Problemen ............................................ .47
2.3.4 Die Zeit .......................................................................... 50
3 Information und Infektion ............................................................ 53
3.1 Was ist eine Infektion? ............................................................ 53
3.2 Die Informationsspeicher: Lebende Eindringlinge ................. 54
3.2.1 Würmer .......................................................................... 56
3.2.2 Bakterien ........................................................................ 58
3.2.3 Wie Bakterien genetische Informationen übertragen .... 60
3.2.4 Viren .............................................................................. 61
3.3 Die Informationsaufnahme: Das Eindringen der Schädlinge .. 63
3.3.1 Die Haut als Schutzwall ................................................. 63
3.4 Die Informationsverarbeitung: Der Kampf gegen die
Eindringlinge ......................................................................... 66
3.4.1 Das Immunsystem .......................................................... 66
3.4.2 Das angeborene Immunsystem ....................................... 67
3.4.3 Das erworbene Immunsystem ........................................ 72
3.4.4 Die B-Zell-Abwehr ........................................................ 74
3.4.5 Die T-Zell-Abwehr ......................................................... 79
3.4.6 Das Zusammenspiel der Abwehrkräfte .......................... 82
VII
3.5 Computer und Infektion .......................................................... 84
3.5.1 Computer-Würmer ......................................................... 85
3.5.2 Trojaner .......................................................................... 88
3.5.3 Computer-Viren ............................................................. 90
3.6 Die Informationsaufnahme: Das Eindringen der Software-
anomalien ............................................................................... 94
3.6.1 Schutzwälle .................................................................... 95
3.7 Die Informationsverarbeitung: Der Kampf gegen die
Softwareanomalien ................................................................ 96
3.7.1 Vorbeugende Abwehrmaßnahmen ................................. 98
3.7.2 Überprüfung und Beeinflussung des Menschen .......... 100
3.8 Abschließende Betrachtungen ............................................... 101
4 Der genetische Code .................................................................... 10 3
4.1 Vom Nichtwissen zur Information: Die Entstehung
genetischer Informationen ................................................... 103
4.2 Die Weitergabe genetischer Informationen .......................... 111
4.3 Evolutionäre Algorithmen: Entstehung und
Weitergabe genetischer Informationen mittels
Computerprogrammen ......................................................... 118
4.4 Die Übersetzung genetischer Informationen ......................... 127
4.4.1 Der genetische Code ...................................................... 128
4.4.2 Der Informationsfluß zum Protein ................................ 130
4.4.3 Regulationsmechanismen .............................................. 134
4.5 Die Übersetzung von Informationen im Computer ............... 138
4.6 Linguistische Theorien .......................................................... 139
5 Neuronale Informationsverarbeitung. ....................................... 153
5.1 Evolution: Die Entstehung von informations-
verarbeitenden Systemen ..................................................... 153
5.2 Das Neuron: die Informationsverarbeitung ........................... 159
5.3 Kommunikationsmuster ........................................................ 168
vm
5.4 Anatomie des Gehirns: Makroskopisch sichtbare
Informationssysteme ............................................................ 172
5.5 Gedächtnis: Die Speicherung von Informationen ................. 178
5.5.1 Kurzzeit- und Langzeitgedächtnis ............................... 180
5.5.2 Neuronale Mechanismen des Gedächtnisses ............... 183
5.6 Von natürlichen zu künstlichen Neuronalen Netzwerken ..... 190
5.6.1 Die Geschichte der Neuronalen Netze ......................... 191
5.6.2 Der Aufbau Neuronaler Netze ..................................... 202
5.6.3 Lernen: Wie nehmen Neuronale Netze
Informationen auf? ....................................................... 208
5.6.4 Gedächtnis: Wie speichern Neuronale Netze
Informationen? ............................................................. 218
5.7 Abschließende Betrachtungen ............................................... 219
Literaturverzeichnis .......................................................................... 221
Bildquellennachweis ........................................................................ 225
Sachwort- und Personen verzeichnis ................................................. 230
IX
Kapitell
Einleitung
1.1 Information ist überall
"Information ist jeder Unterschied, der einen Unterschied macht"
(Gregory Bateson). Weil Zeichen sich von ihrer Umwelt unterschei
den, sind sie wahrnehmbar. Ihre Deutung läßt die Vorstellung von
etwas Unterscheidbarem entstehen und erzeugt so erneut Unterschied
und damit Information.
Zeichen sind auf verschiedene Arten wahrnehmbar. Angefangen
von Zellverbänden bis hin zu sozialen Systemen im Tierreich, ist der
Austausch von Informationen Grundlage aller Lebensgemeinschaften.
Im Laufe einer langen Evolutionsgeschichte entwickelte sich eine
reiche Vielfalt der Informationsverarbeitung.
Der Evolution selbst liegt die Veränderung einer bestimmten Art
von Information, der genetischen, zugrunde. In ihr ist der gesamte
Bauplan eines Individuums gespeichert. Jedes Lebewesen verfügt
über eine eigene genetische Ausrüstung, die ihm seine Besonderheit
und Individualität verleiht. Dennoch gibt es genetische Ähnlichkeit,
so zum Beispiel zwischen Eltern und Kindern, weil die Elterngenera
tion ihre genetische Information an die nachfolgende Generation
weitergegeben hat.
Erbanlagen sind Informationen, die Anweisungen für chemische
Synthesen enthalten. Die Träger der genetischen Information sind die
Nukleinsäuren, die sich in jeder Zelle eines Lebewesens finden. Nu
kleinsäuren sind Fadenmoleküle, die aus vier verschiedenen Bau-
1
