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Symmetriebrüche

Ein Bekannter hat ein Bild gepostet, das in verschiedenen Version im Netz herumgeistert. Man findet das Original schnell, wenn man in einer Suchmaschine z.B. die Wörter left right brain mercedes eingibt.

leftrightbrain

In dem Forum, in dem das Bild gepostet wurde, ging es daraufhin um die Frage, warum es so einen und inzwischen auch empirisch gut bestätigten funktionellen Unterschied zwischen den beiden Gehirnhälften gibt.

Zur Einführung etwas weiter ausgeholt und salopp formuliert: In erster Näherung leben wir auf einer großen Kugel, die sich dreht und auf der es eine starke Gravitationskraft gibt, die uns nach unten zieht. Das gibt für unser Körperdesign die Notwendigkeit, zwischen oben und unten zu unterscheiden. Die schwere Erde ist unten, die leichte Luft ist oben, was zum Beispiel die Lage von Fortbewegungs- und Atmungsorganen festlegt. Des weiteren bewegen sich alle Tiere zumindest in den beiden verbleibenden horizontalen Dimensionen, woraus sich bezüglich vorn und hinten weitere Vorgaben ergeben. Die Sinnesorgane sind meistens in Bewegungsrichtung orientiert, die Abfälle des Stoffwechsels lässt man besser hinter sich.

Auf den ersten oberflächlichen Blick sind die Körper der meisten Tiere deshalb äußerlich links- rechtssymmetrisch, wenn man von seltenen Ausnahmen wie den verschieden großen Scheren von Krebsen absieht. Im Körperinneren erzwingen aber die unpaarigen Organe wie z.B. Herz, Leber und Magen Asymmetrien. Weil das Herz mehr links angeordnet ist, hat man rechts drei Lungenlappen, links aber nur zwei.

Die äußeren physikalischen Bedingungen auf der Erde würden ein vollkommen symmetrisches Design bezüglich der Links-Rechts-Körperachse ergeben, trotzdem haben sich diese Asymmetrien entwickelt. Warum ist das so und ginge es auch anders? Man kann sich gut vorstellen, dass es bis zu einem gewissen Punkt der Entwicklung nur vollkommen symmetrische Lebewesen gegeben hat, bis eine zufällige leichte Abweichung dieser Symmetrie in einer beliebigen Richtung für die Träger dieser Mutationen einen Vorteil gegenüber den "Symmetrischen" gegeben hat. Dann wäre die Wahl des heutigen Designs eine kontingente Entscheidung, die genauso hätte anders herum ausfallen können.

Nun ist bekannt, dass es Menschen gibt, deren innere Organe spiegelverkehrt angeordnet sind: Situs inversus. Für die Betreffenden kann das aber zu ernsten Gesundheitsstörungen führen, hier wird zum Beispiel darüber berichtet, dass die Mutationen, die zu einer Umkehr der Lage der Organe führen, auch Veränderungen an anderen Stellen verursachen. Bei den Betroffenen funktionieren die feinen Härchen (Zilien) in den Lungen nicht so gut und Männer mit dieser Abweichung sind nicht so fruchtbar.

Die Arbeitsaufteilung zwischen den beiden Gehirnhälften muss jedoch nicht der Anordnung der inneren Organe entsprechen, hier findet man einen etwas längeren Text, in dem a) geschrieben steht, dass es eine Arbeitsaufteilung zwischen den beiden Hälften gibt, diese aber b) nicht so stark ist, wie es vor allem in manchen populärwissenschaftlichen Büchern überzeichnet wird. Aber es gibt wohl doch einen Regelfall, der sehr viel häufiger als davon abweichende Varianten ist.

In diesem Themenumfeld von spiegelbildlich verkehrten Körperdesigns wird auf weitere Asymmetrien hingewiesen, die man in der Natur findet. Der Situs inversus bei der Weinbergschnecke wird zum Beispiel als Schneckenkönig bezeichnet. Auch hier ist es wieder so, dass das Merkmal rezessiv ist und die Normalform eindeutig bevorzugt wird.

Eine weitere Asymmetrie findet man bei der Faltung von Molekülen. Einige komplexe Moleküle kommen in zwei Versionen vor, entweder links- oder rechtsherum gefaltet. Über das Verhalten unseres Geruchssinns bezüglich dieser Moleküle berichtet der Artikel Ratten riechen spiegelverkehrte Moleküle. In diesem Artikel kann man lesen, dass wir in einigen Fällen bei den beiden Molekülversionen einen unterschiedlichen Geruch erschnüffeln (Pfefferminze versus Kümmel), in anderen Fällen aber keinen abweichenden Geruch wahrnehmen können.

Die Faltung der Proteine wird durch die Reihenfolge ihres Aufbaus aus Aminosäuren vorgegeben. Hier auftretende Störungen sind auf Mutationen der sie kodierenden DNA zurückzuführen und führen meistens zu schweren Gesundheitsstörungen wie einige Krebsarten, Sichelzellenanämie, Alzheimer, Parkinson, Chorea Huntington, BSE.

Richtig spannend wird das Thema, wenn man sich mit den jeweils beiden spiegelbildlich möglichen Formen von Aminosäuren beschäftigt. Auf der Erde bestehen praktisch alle Proteine aus den linksdrehenden Formen der Aminosäuren. Wenn es auch zu den chemischen Substanzen, die mit Aminosäuren oder Proteinen wechselwirken sollen, zwei verschieden gedrehte Varianten gibt, ist sofort einsichtig, dass diese sich je nach Ausrichtung chemisch (und damit physiologisch) unterschiedlich verhalten können: Enantiomere.

Warum aber haben sich für das Leben auf der Erde die linksdrehenden Aminosäuren durchgesetzt? Hier wird eine Antwortmöglichkeit gegeben: Meteoriten brachten linksdrehende Aminosäuren. Allerdings wird nicht erklärt, warum eine (chemisch gleichartige) Molekülform stärker auf Strahlung reagiert als die andere. Doch auch dafür wurden inzwischen quantenmechanische Lösungen gefunden: Mögliche Antwort auf bislang ungeklärte Frage der Evolution gefunden und Warum die Natur bisweilen Links bevorzugt.

Es lässt sich also eine (zumindestens lockere) Kausalitätskette aufstellen, die von (asymmetrisch bevorzugenden) quantenmechanischen Eigenschaften über Molekülasymmetrien zu Körperasymmetrien und damit letztlich zu Asymmetrien im Aufbau des Gehirns führt – und die alle deshalb keineswegs kontingent (zufällig) sind.

Kann man jetzt dieses Konzept, dass es in der Natur offenbar gute Gründe gibt, Asymmetrien hervorzubringen und gegenüber symmetrischen Lösungen zu bevorzugen, auch in der Physik weiterverfolgen? Drei der vier in der Physik bekannten Kräfte haben in diesem Beitrag bereits eine Rolle gespielt: Gravitation als Ursache einer Symmetrieverletzung im vertikalen Aufbau der Lebewesen, Elektromagnetismus als Voraussetzung der (verschiedenen) chemischen Eigenschaften von Molekülen und die schwache Kernkraft als Ursache der Bevorzugung von bestimmten Varianten von ansonsten chemisch gleichartigen Molekülen. Die Eigenschaften der Moleküle wiederum stehen am Beginn der Kausalitätskette für bestimmte Asymmetrien im Körperbau.

Eines der großen Forschungsfelder der Theoretischen Physik ist die Untersuchung, wie sich die vier Kräfte (starke und schwache Kernkraft, Elektromagnetismus und Gravitation) entwickelt haben und wie sie zusammenhängen. Ein Modell, das dabei diskutiert wird, ist das der spontanen Symmetriebrechung. Die vier Kräfte könnten Kondensationen einer einzigen Kraft sein, die nur unter den besonderen Bedingungen unmittelbar nach dem Urknall existent war und bei der darauf folgenden Ausdehnung und Abkühlung in die vier heute bekannten Kräfte zerfiel – eine Auflösung der Symmetrie. Auch hier ist für die Asymmetrien wieder charakteristisch, dass die Teile einige Eigenschaften gemeinsam haben, sich in anderen aber unterscheiden. Zum Beispiel ist die Wechselwirkung bei Gravitation und Elektromagnetismus der Inversen des Quadrats des Abstandes proportional, die Größenordnung der dabei ausgeübten Kräfte aber sehr unterschiedlich. Aufgabe der Theoretiker ist es, auch hier die Ursachen dieser Symmetrieverletzungen zu finden.

Ein weiteres noch ungelöstes Rätsel ist das des asymmetrischen Verhältnisses zwischen Materie und Antimaterie. Zumindest in unserer kosmischen Nachbarschaft gibt es keine freie Antimaterie. Das kann natürlich Zufall sein, aber ich würde mich nicht wundern, wenn eine genauere quantenmechanische Analyse der Eigenschaften von (experimentell durchaus herstellbarer) Antimaterie ergeben würde, dass sie sich in ihren Eigenschaften so stark von Materie unterscheidet, dass auf ihrer Grundlage keine komplexeren Moleküle gebildet werden können – ähnlich wie rechtsdrehende Moleküle für komplexes Leben ungeeignet zu sein scheinen.

Um die (implizite) Eingangsfrage zu beantworten: Es scheint mir so zu sein, dass bestimmte Asymmetrien wohl nicht kontingent (zufällig) sind, sondern sich gesetzmäßig aufgrund der Bedingungen entwickelt haben, die bei oberflächlichem Hinschauen zunächst noch die Existenz verschiedener (und symmetrischer) Varianten ermöglicht hätten.

Kommentare

MMarheinecke 06/17/2011 08:37:56 PM

Die Anzeige dürfte der „Hirnhälftenfolklore“ geschuldet sein
Es stimmt zwar, dass das menschliche Gehirns asymetrisch funktioniert, und dass bestimmte Hirnfunktionen – etwa das Verständnis gesprochener Sprache – bevorzugt in jeweils einer Hemisphäre angesiedelt sind, ist eine Erkenntnis, die für sich allein genommen schwerlich ausreichend populär für eine Anzeige ist, in der für Autos geworben wird.

Hätte es nicht aufgrund von Erkenntnissen aus der Forschung mit Menschen, denen wegen einer schweren Epilepsie der „Hirnbalken“ (Corpus callosum) durchtrennt wurde („Split brain“-Patienten) Spekulationen über die unterschiedlichen Funktionsweisen der Gehirnhäften gegeben, und wären dieser Spekulationen nicht von den Massenmedien (und diversen Pseudowissenschaftlern) aufgegriffen worden, dann würde die überströmend bunte „rechte Gehirnhälfte“ in der Werbung keinen Sinn ergeben.

Die linke Hemisphäre wurde als die streng logische, verbale und dominante Hälfte des Gehirns angesehen, während die rechte als das Zuhause des Vorstellungsvermögens und der Gefühle galt.

Wobei dieser Effekte zum größten Teil wohl Artefakte der Split-Brain-Operation waren: PET-Untersuchungen zeigen, wie intensiv die Bereiche eine intakten Gehirns zusammenarbeiten.

Die auch schon historische Erkenntnis von Fink und Marshall, die einen unterschiedliche „Arbeitsstil“ der Hirnhälften nachwiesen, geben einen harten Kontrast zwischen der „nüchternen“ linken und „spinnenden“ rechten Hirnhälfte nicht her.

Der verlinkte Artikel: „Rechte versus linke Gehirnhälfte?“ stellt den Sachverhalt zwar differenziert dar, aber schon Behauptungen, wie, die dass die rechten Gehirnhälfte für Musikalität, Kreativität und räumliches Vorstellungsvermögen zuständig sei, ist bei so komplexen Fähigkeiten wie Musikalität oder selbst räumlichem Vorstellungsvermögen, von etwas so unscharfem wie Kreativität gar nicht zu reden, meines Erachtens nicht haltbar.

Es stimmt: unser Gehirn arbeitet asymetrisch. Aber das Bild, dass die Mercedes-Anzeige zeigt, ist selbst als Metapher falsch!

tom-ate 06/24/2011 10:52:55 AM

Die „Hirnhälftenfolklore“ relativiert sich wie man an dieser Anzeige sieht nur zögerlich. Unser Gehirn ist zwar sowohl anatomisch wie auch funktionell – ein bisschen – asymmetrisch. Wichtig ist jedoch die Feststellung, dass beide etwas ungleichen Hirnhälften intensiv zusammenarbeiten und eine funktionelle Einheit bilden. Die Lokalisation bestimmter kognitiver oder emotionaler Funktionen bleibt bis heute ein wenig spekulativ, denn ein Gebiet mit erhöhter Aktivität kann sowohl die gesuchte Funktion wie auch Unterdrückung anderer, eben störender Funktionen anzeigen. Auch wenn die Grundstruktur unseres Gehirns im Ursprung einmal zwei symmetrische Hälften gewesen ist, so gibt es keinen Selektionsdruck auf perfekte Symmetrie dieses Organs. Warum sollte die Evolution die Hirnhälften sich nicht spezialisieren lassen? Anders bei Organen, deren Aktivität paarweise genau dasselbe ergeben sollte, z.B. unsere Augen. Da gibt es praktisch keine Asymmetrie, weil diese sich wohl eher nachteilig für die Wahrnehmung ausgewirkt hätte.

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