Die Kerze als Symbol des Lebens

Die Flamme als Symbol des Lebens…

Schaun Sie sich eine Kerze an. Das Beispiel ist zwar nicht ganz ideal, doch aus kulturgeschichtlicher Sicht ist es naheliegend. Die Flamme zeigt uns – bis auf kleine Fluktuationen durch Bewegungen der Luft – ein konstantes Erscheinungsbild. Doch in Wirklichkeit ist sie in ständigem Wandel begriffen. Die Flamme zehrt vom Wachs der Kerze und setzt es in Kohlendioxid, Wasser und Ruß um. Die Flamme ist also von einem stetigen Materialdurchfluss gekennzeichnet, wobei jedoch der Wert der eingehenden Stoffe höher liegt als der der entlassenen. Die Flamme braucht also für ihren Bestand hochwertige Substanzen, die sie in niederwertige umsetzt. Die dabei freigesetzte Energie prägt das Erscheinungsbild der Flamme.

Das Leben funktioniert analog. Auch dort werden hochwertige Substanzen oder hochwertige Energieformen in niederwertigere umgesetzt, um eine geordnete Struktur aufrecht zu erhalten. Das Lebe-wesen erscheint uns dabei in einer gewissen Konstanz, doch materiell handelt es sich dabei immer um etwas Neues.

Karl Ludwig Bertalanffy (1901-1972), der Begründer der Systemtheorie, bezeichnete daher lebende Systeme als Fließgleichgewichte. Auch ein Fluss zeigt sich uns immer als derselbe Fluss, obwohl er sich nie aus demselben Wasser zusammensetzt. Bereits Heraklit stellte fest, dass man nicht zweimal in denselben Fluß steigen könne. Heute sagt man dazu nicht mehr Fließgleichgewicht, sondern Stationäres Ungleichgewicht (steady state), da es sich dabei um etwas Grundverschiedenes vom thermodynamischen Gleichgewicht handelt. Ein anderer Systemtheoretiker ist Lotfi Zadeh (*1921). Allerdings beschäftigte er sich mehr mit der unbelebten Natur.

Ordnung und Unordnung in der Natur

Bevor ich auf die Bedeutung der Entropie auf belebte Systeme eingehe, möchte ich über den Begriff Ordnung bzw. Unordnung sprechen. Ordnung bezieht sich aus thermodynamischer Sicht auf Strukturiertheit, Kompexität, Inhomogenität, Ungleichgewicht, Dynamik (sowohl auf materieller als auch auf energetischer Seite: Arbeitsfähige Energie. Materie ist ja nur eine Erscheinungsform der Energie). Unordnung ist demnach Homogenität, Strukturlosigkeit, Dispersivität, Gleichgewicht. Von Natur aus laufen alle Prozesse in Richtung des zweiteren Zustandes ab. Denken Sie nur an die erwähnte Flamme. Oder denken Sie an ein Parfümfläschchen, das offen stehen gelassen wird. Die Duftpartikel werden sich im Raum verteilen - jedoch nie wieder gesamt in den Flacon zurückfinden. Oder denken sie an eine zerbrochene Vase - niemals werden sich die Teile wieder zu einer Vase zusammenfinden. Niemand würde so etwas je erwarten. Trotzdem sind das rein statistische Erscheinungen, theoretisch wäre durchaus auch das Gegenteil möglich. Doch in der Natur finden sie dieses nicht. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik ist daher rein empirisch (wie auch die Kausalität), allerdings sehr gut bewährt.

Entropie

Der Entdecker des Energieprinzips war Julius Robert Mayer (1814-1874). Er eruierte auch das Wärmeäquivalent (also die Wärme, die einer Arbeitseinheit entspricht; heute hinfällig, da alle Energieformen in Joul gemessen werden). Er begründete damit die Energetik (Energie = Akt = Wirksamkeit; Dynamis = Potenz = Vermögen). Den exakten 2. Hauptsatz formulierte Rudolf Clausius (1822-1888). Er führte auch den Begriff der Entropie (Innewendung) ein.

Wie lautet nun der 2. Hauptsatz? Es gibt mehrere Varianten:

            1.         Es gibt kein perpetuum mobile 2. Art

Dieser Satz besagt, das z.B. die Kerze nicht brennen kann, wenn man ihr nicht ständig Energie zuführt. Es ist nicht möglich, eine Maschine zu konstruieren, die läuft, und dabei nicht mehr Energie verbraucht als sie freigibt.

            2.         Es gibt keinen Wirkungsgrad von 100 Prozent

Dieser Satz ist äquivalent mit dem 1. Satz vom Perpetuum Mobile 2. Art. Keine Maschine kann je einen Wirkungsgrad von 100 Prozent erreichen, also genau gleichviel Energie verbrauchen, als ihrer Leistung entspricht. Sie wird immer beträchtlich mehr benötigen.

            3.         Alles strebt einer maximalen Unordnung zu (in einem geschlossenen System)

Dieser Satz drückt aus, dass alle Prozesse im Universum letztendlich in einem Zustand größter Homogenität enden. Dieser Satz beinhaltet auch den Zeitpfeil, da er die Irreversibilität vieler Vorgänge ausdrückt. Ludwig Boltzmann hatte diesen Aspekt erstmals in die allgemeine Physik eingeführt (statistische Mechanik). Henri Poincaré erklärte das Phänomen so: Mit einem aus atomaren Teilchen bestehenden, instabilen dynamischen System können Sie niemals ein Experiment machen, in dem die Vergangenheit und die Zukunft gleich sind. Wenn wir mit Teilchen der gleichen Geschwindigkeit anfangen und dann Stöße geschehen lassen, so wird die Sache mit zufälliger Geschwindigkeit enden. Aber wir können das umgekehrte Experiment gar nicht machen. Es gibt keine reversiblen Experimente. Deshalb ist die Welt zeitlich organisiert.

            4.         Nichts hält ewig

Das besagt prinzipiell dasselbe, wie der vorangestellte Satz.

Die Entropie zeichnet sich also durch eine gewisse Asymmetrie aus: Sie kann in einem geschlossenen System bestenfalls konstant bleiben (bei reversiblen Prozessen) oder zunehmen (bei irreversiblen Prozessen). Sie kann allerdings nicht abnehmen.

Dissipatives Leben

Wie ist es möglich, dass, wenn der Entropiesatz stimmt, sich dennoch geordnete, scheinbar negentropische Strukturen – wie eben das Leben – etablieren können? Nun, betrachtet man ein Lebewesen unabhängig von seiner Umwelt, könnte man diesen Eindruck gewinnen. Isoliert man das Lebewesen aber davon, erkennt man bald, dass es ohne sie nicht existieren kann, es ist auf irgendeine Weise von ihr abhängig. Betrachte man nun einen größeren Zusammenhang, so erkennt man, dass das Lebewesen nur lebt, weil es ein offenes System ist, das selbst Entropie erzeugt. Es handelt sich also um eine Entropiemaschiene, die die natürliche Entropiezuwachsrate beschleunigt und aus dieser Dynamik seine Strukturen aufbaut. Man nennt solche Systeme dissipativ. Leben frisst hochwertige Energie und baut daraus einerseits autopoetisch seine Strukturen auf und andererseits setzt es diese Energie dissipativ in niederwertige Energieformen um. Leben muss also, um sich selbst zu erhalten, viel mehr Ordnung zerstören, als es selbst darstellt. Das lässt sich ganz anschaulich anhand der Energiepyramide des Meeres darstellen.

Die Energiepyramide

Im Gegensatz zum Stoffkreislauf durchläuft die Energie ein Ökosystem nur einmal! D.h. sie wird vom Ökosystem verbraucht. Die arbeitsfähige Energie stammt letztendlich von der Sonne und etwa 0'5% dieser Primärenergie wird von den Algen (bzw. Pflanzen) chemisch gebunden (dabei wirken Phosphat und Nitrat als begrenzende Faktoren). Sie sind die Produzenten. Die Konsumenten verschiedenster Ordnung veratmen einen Teil dieser energiereichen Stoffe der Produzenten. Dabei entsteht etwa zu 40% ATP als Energieträger. Der Rest ist wertlose Abwärme (der Mensch verbraucht pro Tag etwa 70kg ATP). Bei Pflanzenfressern schlägt sich daher etwa 20%, bei Fleischfressern nur etwa 10% der pflanzlichen Ausgangsmaterials in ihrer Biomasse nieder. Am Ende der Kette stehen die Destruenten, die die zum Teil noch energiereichen Abfälle der Produzenten und der Konsumenten dezentral umsetzen. Dieser permanente Energieverlust in Form der Abwärme und die damit verbundene Entropiezunahme ist ein irreversibler Prozess und kann nur durch ständige Absorption von Sonnenenergie und deren Festlegung bei der Photosynthese kompensiert werden.

Beispiel: 50t Phytoplankton ergeben sukzessive: 10t Zooplankton, 1t Heringe und 100kg Thunfisch oder Dorsch.

           

Offene Systeme

Offene Systeme zeichnen sich durch einen Energie- bzw. Materiedurchfluss aus. Dadurch können sich negentropische Strukturen etablieren. In geschlossenen Systemen wäre das nicht möglich. Hier folgt unweigerlich der Kältetod. Die Erde steht irgendwo dazwischen. Es gibt keinen Materieaustausch mit der Umwelt, sehr wohl findet jedoch ein Energiedurchfluss statt. Insofern könnte man unseren Planeten als halboffen bezeichnen.

Dem Entropiesatz kommt auf unserer Erde noch eine entscheidende Bedeutung zu, da sich die niedermolekularen Abfallstoffe der Pflanzen und der Tiere dissipativ verteilen. Das ist wichtig, da die Tiere auf den Sauerstoff der Pflanzen, und die Pflanzen auf das Kohlendioxid der Tiere angewiesen sind. So ergeben sich stoffliche Kreisläufe, die ein vollkommenes Recycling-System darstellen.

Autopoesie

Belusow und Zhabotinsky entdeckten eine Reaktion, in der sich spontan geordnete Strukturen ergeben. Gibt man Malonsäure, Bromat und Cer-Ionen in eine flache Schale mit Schwefelsäure, so entstehen bei der richtigen Temperatur faszinierende Schnörkel. Kommt es an einer Stelle zufällig zu einer Anhäufung heller Moleküle, so fördern diese durch Katalyse die Erzeugung weiterer heller Moleküle. So vermehren sich in einem gewissen Bereich die hellen Moleküle, in einem benachbarten Bereich aber die dunklen stärker. Dadurch kommt es zu einer Strukturierung der Lösung. Dank der in der Reaktion ständig frei werdenden Energie entsteht Ordnung. So ähnlich stellt man sich auch die Entstehung des Lebens vor - Leben wird ja neuerdings als Autopoetische Einheit definiert.

Gleichgewicht und Ungleichgewicht

Normalerweise besitzen Biozönosen ein ausgeklügeltes System von Regelkreisen, die das Stationäre Ungleichgewicht aufrecht erhalten. Vielleich wäre es zuvor noch gut, den Begriff des Gleichgewichts zu klären:

Wir unterscheiden Grundsätzlich zwischen statischen und dynamischen Gleichgewichten. Bei den statischen unterscheidet man labile, stabile und indifferente Gleichgewichte. Besonders Interesse verdienen metastabile Zustände.

             (Vergleich: statisches Gleichgewicht – Metastabilität – dynamisches Gleichgewicht)

Lebensprozesse kennzeichnet allerdings ein Ungleichgewicht, d.h. es kommt zu keiner materiellen Konstanz - Materie und Energie durchfließt das System. Regelkreise steuern und stabilisieren diese Ungleichgewichte.

Kybernetik

Der Begründer der Kybernetik war Norbert Wiener (1894-1964). Es ging dabei allerdings ursprünglich nur um technische Informationssysteme. Das Wort leitet sich vom griechischen Kybernetes (Steuermann) ab, sagt also schon aus, das es um Steuerungen geht.

Bei den Regelkreisen unterscheidet man grundsätzlich zwei Typen: positive und negative. Lassen Sie sich durch die Namen nicht in die Irre leiten – sie haben nichts mit einer Bewertung zu tun. Beginnen wir mit dem negativen Regelkreis:

Ein Thermostat ist das einfachste Beispiel für einen negativen Regelkreis. Die Raumtemperatur veranlasst den Thermostat die Heizung zu schalten, die Heizung wirkt sich auf die Raumtemperatur aus und diese widerum beeinflusst den Thermostat. In der belebten Natur sind fast alle Vorgänge nach solchen Regelkreisen organisiert, da sie die Statischen Ungleichgewichte stabilisieren.

Ein brisantes Beispiel für einen positiven Regelkreis ist der Verkehr. Je mehr Autos gekauft werden, umso mehr Bedarf sowie Geldmittel stehen dem Straßenbau zu. Der Straßenausbau begünstigt wieder das Verkehrsaufkommen. Dieses begünstigt abermals den Autoabsatz. Ein weiters Beispiel für einen positiven Regelkreis ist die Bevölkerungsexplosion.        

                        dN/dt = rN

                        dN/dt = rN (1 - N/K)

Natürliche Populationen regulieren sich nach dem Volterra-Prinzip. Es handelt sich dabei um einen sogenannten Grenzzyklus, d.h. der Bestand oszilliert innerhalb eines wohldefinierten Zyklus um einen Mittelwert. Dadurch wird Übervölkerung verhindert.

                        dN1/dt = r1N1

                        dN2/dt = - r2N2

                        dN1/dt = (r1 - v1N2)N1

                        dN2/dt = (- r2 + v2N1)N2

                        dN1/dt = dN2/dt = 0

Wenn Räuber und Beute (in diesem Fall Schädlinge) durch Schädlingsbekämpfungsaktionen gleichermäßig dezimiert werden, so wächst die Populationsdichte der Beute (des Schädlings) schneller als die des Räubers. Über längere Zeiträume vermag dann eine zu geringe Räuberdichte den Zuwachs des Schädlings nicht mehr zu kontrollieren. Heute wird vielfach unter dem Zwang von Augenblickserfolgen und in Unkenntnis der ökologischen Verflechtungen das biologische Gleichgewicht in immer stärkerem Maße gestört.

Wirtschaftswachstum

In der Regel ignorieren die Wirtschaftsforscher die versteckten Kosten, die ein deregulierter Welthandel der Umwelt und dem Gemeinwesen aufbürdet. (...) Transportkosten sind energieintensiv. (...) Mit der Energie wird indirekt der Handel subventioniert. (...) Der freie Güteraustausch kann zudem höchst unsinnige Folgen haben. Im Gegensatz zur Regel komparativer Kostenvorteile besteht mehr als die Hälfte des Handels aus dem gleichzeitigen Import und Export gleichartiger Güter. Zum Beispiel importieren die Amerikaner dänische Kekse und die Dänen amerikanische. Der Austausch der Rezepte wäre sicherlich wirtschaftlicher – und würde auch eher der Maxime von Keynes entsprechen, dass das Wissen international sein sollte und die Waren hausgemacht (Daly 1994).

Geld ist beispielsweise kein natürlicher Faktor in der Welt - Geld ist ein Artefakt. Der relevante natürliche Faktor ist die Energie. Die Wirtschaft und unsere ganze Gesellschaft setzen sich leider über diesen Faktor in erschreckender Weise hinweg. Kunststoff- und Aluminiumverpackungen, Transporte etc. kosten kaum Geld, dafür aber umso mehr an Energie. Die Vielfalt an Produkten aus aller Welt stellt ein ernsthaftes Problem für unsere Umwelt dar. Auch wenn wir es zurzeit noch kaum merken, über kurz oder lang wird sich dieser ungezügelte Umgang mit Energie rächen.

Dass die gängigen Paradigmen sehr problematisch sind, zeigt sich an den Folgen für unsere Umwelt. Vom egoistischen Standpunkt aus betrachtet ist ständiges Wachstum ein erstrebenswertes Gut; vom naturwissenschaftlichen Standpunkt aus führt es wie jeder positive Regelkreis (d.i. Deregulation) zu Instabilität und folglich zum Kollaps. Die Natur zeigt uns nirgends unbegrenztes und unkontrolliertes Wachstum. Wir tun so, als handle es sich bei unserer Wirtschaft um ein Perpetuum Mobile 1ter Art, als ob sie unentwegt mehr (Ordnung) produzieren könne als sie selbst verbraucht, doch so etwas gibt es nicht. Ein Luftballon lässt sich größer und größer aufblasen – doch was ihn zusammenhält, wird dabei immer dünner (Zimmermann 1994).

Das Müllproblem

Überlegen Sie einmal, wie viele Dinge von der Kugelschreibermine bis zum Auto zu Ihrem täglichen Leben gehören, welche Fülle von Produkten in gigantischen Industrieunternehmen Sekunde für Sekunde die vollautomatischen Fertigungsstraßen verlässt. Ausnahmslos alles, was jetzt vor ihrem geistigen Auge vorbeizieht, ist potentieller Müll. Morgen oder übermorgen sind diese Dinge abgenutzt oder Sie werden sie einfach nicht mehr brauchen und fortwerfen (Paturi 1974).

Da hilft auch das Rezyklieren nichts, denn der Recycling-Prozess lässt sich nicht ewig aufrecht erhalten (da er niemals zu 100 Prozent funktionieren kann), sodass der Müll nur etwas verzögert anfällt. Oft bleiben die Abfälle schon nach dem ersten Recycling unbrauchbar liegen. Vor allem Verbundstoffe sind praktisch nicht rezyklierbar. Auch aus anderer Sicht ist das Rezyklieren unökologisch, denn der Energieaufwand steigt. Die einzig ökologisch vertretbare Lösung wäre der Verzicht auf alle Problemstoffe. Doch davon will die Wirtschaft nichts hören.

            Durch die immer geringer werdenden Anteile an Eisen- und Nichteisenschrott in den Altautos zu Lasten von unverwertbaren Anteilen wie Kunststoff, Textilien, Glas, Gummi etc. sinkt das Rendement bei der Autowrackverwertung. D.h. aus ökonomisch-ökologischer Sicht steht bei der Autoverwertung dem verwertbaren Anteil ein mit hohen Entsorgungskosten verbundener – und Deponievolumen verbrauchender – Anteil gegenüber (Vogel 1990).

            Pro Autowrack ist mit mindestens 15kg umweltgefährdenden Stoffen wie Treibstoff, Motor-, Getriebe- und Hydrauliköle, Kühlerflüssigkeit, Schmierstoffe, Akkusäuren etc. zu rechnen. Von der Wassergefährdung her ergibt sich ein Potenzial von jährlich mindestens 750 Mio m³ Trinkwasser (Vogel 1990).

Pflanzlicher Abfall wird in kürzester Zeit restlos abgebaut. Produktion und Abbau halten sich die Waage. Solch ein ausgewogenes System ist zeitlich unbegrenzt funktionsfähig. Unseren Produktionen steht bisher kein nennenswerter Abbau gegenüber. Selbst das, was wir Müllverwertung nennen, verdient kaum diese Bezeichnung.

Verbrennungsanlagen verwandeln lediglich festen Müll in gasförmigen, Wasseraufbereitungsanlagen flüssigen in festen. Wir produzieren dauernd Dinge, die man nicht mehr verschwinden lassen kann, wie dies bei natürlichen Produkten geschieht.

Wirkungsgrade

Ein einziger Farmer in den USA versorgt heute im Durchschnitt 40 Menschen mit Lebens-mitteln und Textilfasern. Ein chinesischer Reisbauer dagegen arbeitet mühsam von früh bis spät, ohne mehr als sein eigenes Existenzminimum zu sichern. Welch ein Unterschied im Wirkungsgrad! - Im Wirkungsgrad? Ja, gewiß, der Wirkungsgrad ist sehr verschieden; doch ich behaupte, die Tätigkeit des amerikanischen Farmers schneidet gerade in Bezug auf den Wirkungsgrad bei einer kritischen Betrachtung wesentlich schlechter ab als die des chinesischen Kleinbauern. Der US-Landwirt erntet zwar gegenüber seinem asiatischen Kollegen ein Vielfaches, aber welchen Preis zahlt er dafür?

            Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen Ergebnis und Aufwand. Wer die mit den geernteten Pflanzen gewonnene Energie in Kilowattstunden umrechnet und sie mit der für die Ernte aufgewandten Energie vergleicht, erschrickt über das Ergebnis: Für 50 geerntete Energieeinheiten investiert der amerikanische Farmer 250 Einheiten an Brennstoffenergie, der chinesische Bauer dagegen nur eine einzige Einheit menschlicher Energie. Das bedeutet nichts anderes, als daß der primitive Landmann des Ostens mit einem Wirkungsgrad von 5000 Prozent arbeitet... (Paturi, 1974).

            1E       100%
            50E     x%
                        x = 5000%

Das Verhältnis hat sich heute sicher noch mehr zuungunsten des technisierten Farmers verschoben; denken Sie nur an den Energieaufwand bei der Spritzmittel- und Düngererzeugung sowie bei der Saatgutzucht. Oder denken Sie an die Verwendung von (energiereichen) Kunststofffolien bei der Silierung, die noch dazu unsere Landschaft verunstalten.

Zurzeit ist die intensive Land- und Forstwirtschaft der größte Landschaftszerstörer in der Steiermark, wie ich es selbst erfahren konnte (Projekt Biodigitop der Steiermärkischen Landesregierung). Ihr erklärtes Ziel ist ja auch die flächendeckende Nutzung. Was das bedeutet, kann sich jeder selbst ausmalen. Die Verödung der Landschaft ist die Folge massiver menschlicher Eingriffe. Unsere scheinbar negentropischen Systeme erzeugen unentwegt Unordnung (Entropie) in Form von Müll, Abwässern, Emissionen, Abwärme, Systemzerstörung. Sie sind allesamt dissipativ, und das auf eine äußerst unökologische Weise.