Alfred Gierer

Full applicability of physics to human biology does not necessarily imply that one can uncover a comprehensive, algorithmic correlation between physical brain states and corresponding mental states. The argument takes into account that information processing is finite in principle in a finite world. Presumbly the brain-mind-relation cannot be resolved in all essential aspects, particularly when high degrees of abstraction or self-analytical processes are involved. Our conjecture plausibly unifies the universal validity of physics and a logical limitation of human thought, and it does not regard consciousness -the most basic human experience - as a marginal phenomenon.

A summarizing English version on “Theory of Innovation and the Evolution of General Human Capabilities, such as Cognition-based Empathy” is included in the download. Den biologisch modernen Menschentyp charakterisieren sehr allgemeine Fähigkeiten, wie begriffliche Sprache, strategisches Denken und kognitionsgestützte Empathie. Neurobiologisch kann Empathiefähigkeit als eine Verbindung von Repräsentationen von Mitmenschen mit dem je eigenen Gefühlszentren im Gehirn angesehen werden. In Grundzügen ist sie vor vielleicht 100 000 Jahren als Folge von Mutationen der Erbsubstanz DNA entstanden. Für solche genetische Innovationen spielten wohl nicht nur lokale Veränderungen des Genoms eine Rolle, sondern auch seltene größere Umordnungen, besonders neue Zufallskombinationen von Regelbereichen in der DNA. Dies könnte in seltenen Einzelfällen eine Art Weichenstellung für eine neue Richtung der Evolution bewirken, die dann in vielen kleinen Schritten ausgeprägt wurde. Interessant ist die Analogie solcher biologischer mit technischer Innovation: Auch in ihr, Beispiel Dampfschiff, spielt die (seltene) Neukombination von Grundfähigkeiten eine Initialrolle für die Ausbreitung einer Innovation.

The development of modern science has depended strongly on specific features of the cultures involved; however, its results are widely and trans-culturally accepted and applied. The science and technology of electricity provides a particularly interesting example. It emerged as a specific product of post-Renaissance Europe, rooted in the Greek philosophical tradition that encourages explanations of nature in theoretical terms. It did not evolve in China presumably because such encouragement was missing. The trans-cultural acceptance of modern science and technology is postulated to be due, in part, to the common biological dispositions underlying human cognition, with generalizable capabilities of abstract, symbolic and strategic thought. These faculties of the human mind are main prerequisites for dynamic cultural development and differentiation. They appear to have evolved up to a stage of hunters and gatherers perhaps some 100 000 years ago. However, the extent of the correspondence between some constructions of the human mind and the order of nature, as revealed by science, is a late insight of the last centuries. Quantum physics and relativity are particularly impressive examples.

Der Text ist eines von achtzig Kurzessays zum Thema „Was ist der Mensch“, zu denen unsere Arbeitsgruppe „Humanprojekt“ der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaften eingeladen hat. So genau Aussagen inhaltlicher Naturwissenschaft oft sind, auf der metatheoretischen Ebene bleibt die Gesamtheit unseres Wissens, und damit auch die Stellung des Menschen in der Natur deutungsfähig und deutungsbedürftig; sie ist mit verschiedenen, natürlich nicht mit allen, philosophischen, kulturellen und religiösen Interpretationen vereinbar; erkenntnislogisch gesehen dürfen und können wir wählen. Worum es dabei eigentlich geht, ist Lebenskunst, die Frage nach der guten Art zu leben, und deshalb plädiere ich im Zweifelsfall für metaphysischen Optimismus. Der Mensch kann fast im platonischen Sinne das Mentale und damit die Beziehung seines Bewusstseins zur gedanklichen Ordnung des Naturgeschehens betonen, und er muss sich auch nicht die religiöse Frage verbieten, was diese Verbindung für ihn bedeuten kann. Was die Ethik angeht, so ist Gemeinsinn eine wertvolle, aber knappe Ressource unserer biologischen Spezies „Mensch“, die eher behutsam und mit Rücksicht auf natürliche Anlagen des Menschen zu aktivieren ist.

In 1972, we proposed a theory of biological pattern formation in which concentration maxima of pattern forming substances are generated through local self- enhancement in conjunction with long range inhibition. Since then, much evidence in various developmental systems has confirmed the importance of autocatalytic feedback loops combined with inhibitory interaction. Examples are found in the formation of embryonal organizing regions, in segmentation, in the polarization of individual cells, and in gene activation. By computer simulations, we have shown that the theory accounts for much of the regulatory phenomena observed, including signalling to regenerate removed parts. These self- regulatory features contribute to making development robust and error-tolerant. Furthermore, the resulting pattern is, to a large extent, independent of the details provided by initial conditions and inducing signals.

Unlike Aristotelian physics with its teleological notions, modern physics was developed exclusively in relation to the nonliving domain. This raised the question as to whether mechanics applies to organisms, and if so, to what extent. From the seventeenth century on, mechanistic ideas became prominent in biological and medical theory. Contemporary biology explains essential features of life on the basis of physical laws and processes. This does not prove, however, that the early mechanists were essentially right. In the eighteenth century, following Cartesian notions of mind-body separation and preformation theories of organismic development, they tended to exclude major biological questions rather than answering them. It was those who insisted on the organizational features of organisms, like Stahl and Wolff, who paved the way for solutions to such crucial problems as the psychological basis of human nature and behavior and the generation of form in the course of reproduction. Though they underrated the potentials of a future, extended physics for understanding biology, their case against reductionist exclusion should not be considered outdated even today.

Nikolaus von Kues ist eine der faszinierendsten Persönlichkeiten im Übergang vom Mittelalter zur Neuzeit. Während seine theologischen und neuplatonischen Vorstellungen viel beachtet werden, gilt das weniger für seine naturphilosophischen Ideen: Wie Gott die Welt in Wirklichkeit, so schafft der Mensch sie in Gedanken. Beobachtung, Experiment und Mathematik sind zum Verständnis der Natur notwendig. Die biblische Überlieferung ist nicht wörtlich zu nehmen. Er propagierte ein fast unendliches Universum ohne Mittelpunkt und Begrenzung mit einer sich bewegenden Erde. Besonders bedeutsam im Hinblick auf Reichweite und Grenzen moderner Naturwissenschaft ist seine Theorie des "Wissens vom Nichtwissen": Wissenschaft selbst ist geeignet, ihre eigenen Grenzen zu erkennen. Die Schrift würdigt auch die Persönlichkeit des Cusanus und schließt mit einem Essay über die Beziehung von Naturwissenschaft und Religion in unserer Zeit. The booklet is a re-edition of sections on Nicolas de Cusa in my book "Die gedachte Natur" (1991), also in philpapers. Cusanus was of one of the most original philosophers of the early Renaissance. He gave reasons for human self-confidence: as God created the world order in reality, man creates it in his mind. Not only mathematics, but also quantitative experiments, are essential for understanding nature. Human rationality is superior to verbal interpretations of the Bible: the universe is almost infinite, with no limits and no centre, and with a moving earth. And he insisted on what he considered to be the highest form of knowledge: the knowledge of the limits of knowledge, with far-reaching implications for the philosophy of nature and human cognition.

What, precisely, are the ‘changing perspectives on reality’ in contemporary scientific thought? The topics of the lecture are the scope and the limits of science with emphasis on the physical foundations of biology. The laws of physics in general and the physics of molecules in particular form the basis for explaining the mechanism of reproduction, the generation of structure and form in the course of the development of the individual organism, the evolution of the diversity and complexity of organisms by mutation and selection, and the control of behaviour by information processing in the nervous system. However, the application of scientific thought to its own foundations reveals some basic limitations in science: indeterminacy in quantum physics, the limits of decidability in mathematics, and, most likely, the limitations of an algorithmic theory of the brain-mind relationship. In all these cases, the application of scientific methods to their own presuppositions leads us to recognize their intrinsic limitations. These limits, in turn, are closely related to fundamental philosophical questions on the relationship between human knowledge and reality. Modern science is consistent with different, though of course not all, interpretations of man and the universe, including the religious interpretations of the universe as God’s creation and man as God’s (mentally creative) image.

Die Reflexion der Grundlagen der Wissenschaft mit ihren eigenen Mitteln, wie die gedankliche Vermessung des Messprozesses, die in die Begründung der Quantenphysik eingeht, und die logische Analyse der Logik im Rahmen der mathematischen Entscheidungstheorie zeigt schließlich prinzipielle Grenzen des möglichen Wissens auf. Eine Theorie des Leib-Seele-Zusammenhangs läuft auf das Bewusstsein von Bewusstsein hinaus und ist damit von dem gleichen Typ des Selbstbezugs, der auf prinzipielle Grenzen der Erkenntnis verweist. Die moderne Naturwissenschaft ist offen für damit verbundene philosophische Fragestellungen, und das Deutungsspektrum ist weit. Nicht zuletzt besteht Deutungsfreiheit auch in Bezug auf Kontingenz, auf unverfügbare, nicht voraussehbare, nicht ableitbare Einzelereignisse, die unser Leben wesentlich bestimmen. Eine Weltanschauung der Sinnleugnung oder des Sinnverzichts ist logisch möglich, naturwissenschaftlich zwingend ist sie nicht, und Kriterien der Lebenskunst würde sie kaum gerecht werden.

Georg Ernst Stahl (1659-1734) was a German physician and chemist. The book (in German) documents a symposium of the Academy Leopoldina on his works and thoughts that contributed to the Enlightenment. Der weite Horizont seines Denkens und seiner Arbeiten umfasst die Phlogiston-Theorie der Verbrennung, die später mit der Entdeckung des Sauerstoffs widerlegt wurde, aber dennoch wichtige Erkenntnisse zur Reversibilität von Reaktionen und zur unsichtbaren Persistenz der beteiligten chemischen Komponenten beitrug. Seine Gedanken zur Rolle der „Anima“, die heute überholt erscheinen, führten bereits am Beginn des 18. Jahrhunderts Konzepte ein, die für die moderne Biologie und Psychologie von Bedeutung sind. Dazu zählen etwa Homöostase, Synergie, die Vorbereitung willentlicher Bewegungen und Unterschiede zwischen unbewussten aber vernünftigen Handlungen und solchen, die von rationalen Erwägungen geleitet werden. Stahls medizinisches Hauptwerk ist die „Theoria medica vera”, Halle 1708. Eine der zentralen Publikationen zur chemischen Theorie der Verbrennung ist die „Zymotechnia fundamentalis seu fermentationis theoria generalis”, Halle 1697, in deutscher Sprache 1734. Siehe auch „Georg Ernst Stahl (1659-1734), German Physician and Chemist“, Artikel von A. Gierer, in: Encyclopedia of the Enlightenment (Hg. A.C. Kors), Bd. 4, Oxford University Press, New York 2003, S. 124-125.

The book (in German) on “Solar Energy – challenge for research, development and international co-operation” is the report of a study group of the Akademie der Wissenschaften zu Berlin. It reviews solar thermal, photovoltaic, and bio mimetic solar energy techniques; prospects of de-central techniques in developing countries; transport and storage of solar energy; and chances for cooperation with Arabic countries and countries of the South of the former Soviet Union. The prospect of large scale energy production in arid areas, and the modern potentials of conducting electricity over long distances by high-voltage DC transmission (V, 2.1) are particularly relevant for the concluding section. Political chances as well as risks were considered for reliable long term cooperation with various Arab countries on these issues. The recommendations appear to be still appropriate 25 years after the book was published, particularly the political advice in favour of cooperation between Europe and suitable countries of the Maghreb. The global time scale of implementation (discussed in chapter I, 7.2) is of the same (high) magnitude as that of other major changes in the history of technology, such as the substitution of sailing ships by steamboats which took almost a century.

There is increasing evidence for directional guidance of growing axons by molecular gradients in target tissues. Aside from biochemical studies on gradients and their role, the capability of axons to approach their target position from different aspects of a two-dimensional field is itself an indication for guidance by gradients. According to this criterion, such guidance is expected to be involved not only in map-formation in the visual system but also in targeting of receptor cell axons in the olfactory bulb. In this paper, physico-chemical concepts of visual mapping are adapted to olfactory targeting. In both cases there must be sophisticated processing of graded cues in the growing tip of the axon for growth cone navigation. In visual map formation, a target position is determined by influences of cues depending on the position of axonal origin; in olfactory targeting, however, these influences are expected to be based on properties of the receptor-cell-specific molecules (possibly including the receptor molecule itself), as well as by gene regulation affecting the levels of expression. According to this concept, the main role of molecules expressed in a receptor-cell-type specific manner is not matching specific counterparts on the target tissue, but instead quantitative modulation of growth cone steering for sensing the direction towards the target position.