Journal: Biosemiotics Pattern without Message: From Environmental Organization to Selective Relevance
Diese Studie zeigt, dass lebende Systeme wie *Saccharomyces cerevisiae* auf spezifische, persistente akustische Muster in ihrer Umgebung reagieren anstatt auf das Quellsignal selbst, was einen Prozess der „doppelten Selektion“ illustriert, bei dem das Medium die verfügbaren Differenzen filtert und der Organismus selektiv mit ihnen interagiert, um ein semiotisches Scaffolding zu ermöglichen, ohne dabei eine vollständige Semiosis zu konstituieren.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Lebewesen werden ständig von der physischen Welt bombardiert. Eine Brise streift ein Blatt, ein Schatten fällt auf einen Teich, und eine Schallwelle kräuselt sich durch die Luft. Doch damit ein Organismus überleben kann, darf er nicht jede noch so kleine physikalische Differenz als wichtig erachten. Wenn eine Zelle auf jede winzige Schwankung in ihrer Umgebung reagieren würde, wäre sie überfordert. Das zentrale Rätsel der Funktionsweise des Lebens liegt im Verständnis darüber, wie ein Lebewesen entscheidet, welche dieser endlosen physikalischen Unterschiede tatsächlich von Bedeutung sind. Einige Unterschiede sind bloßes Rauschen, während andere eine Änderung des Verhaltens, des Wachstums oder der Entwicklung auslösen. Dieser Prozess des Filterns der Welt auf das biologisch Wesentliche ist der Ausgangspunkt für das Verständnis darüber, wie das Leben mit seiner Umwelt interagiert.
Wissenschaftler wissen seit langem, dass ein Organismus die Welt nicht exakt so erlebt, wie sie in der Physik ist. Stattdessen lebt er in einer persönlichen Welt, die durch seine eigenen Bedürfnisse und Sinne geformt wird. Ein Geräusch, das für einen Stein nur eine Vibration ist, kann für einen Vogel ein Warnsignal sein. Aber bevor ein Geräusch zu einem Signal werden kann, muss es erst die Reise von seiner Quelle zum Organismus überstehen. Wenn ein Schall durch Wasser, Luft oder die Wände eines Behälters reist, verändert er sich. Er wird verzerrt, einige Teile werden lauter und andere leiser. Die Frage, die dieses Forschungsteam zu beantworten versuchte, war einfach, aber tiefgreifend: Wie sieht der Schall tatsächlich aus, wenn er schließlich bei der lebenden Zelle ankommt, und spielt diese spezifische Form des Schalls eine Bedeutung für die Zelle?
Um die Antwort zu finden, wandten sich die Forscher an eine sehr einfache Form des Lebens: Bäckerhefe. Hefe ist ein einzelliger Pilz, der keine Ohren, kein Gehirn und kein Nervensystem besitzt. Sie kann nicht hören, wie Menschen oder Tiere es tun. Dies machte sie zum perfekten Untersuchungsobjekt für das Experiment, da jede Reaktion, die sie zeigte, nicht durch das „Hören“ einer Nachricht oder das Erkennen einer Stimme erklärt werden konnte. Die Wissenschaftler wollten sehen, ob die physische Struktur des Schalls selbst, losgelöst von jeglicher Bedeutung, dennoch die Zelle beeinflussen kann. Sie setzten Hefekulturen fünf verschiedenen Arten von Schall aus: synthetischen Tönen, menschlichem Gesang, pfeifenden Geräuschen, kurzen Impulsgeräuschen und einem breiten, statischen Rauschen.
Die Forscher wussten jedoch, dass der von ihren Lautsprechern erzeugte Schall nicht derselbe Schall war, den die Hefe tatsächlich erlebte. Der Schall musste eine Gummischnittstelle, ein Reagenzglas und das flüssige Medium, in dem die Hefe gehalten wurde, durchqueren. Während er sich durch dieses System bewegte, wurden die Schallwellen reflektiert, interferierten miteinander und veränderten sich. Um zu verstehen, was die Hefe wirklich fühlte, platzierte das Team ein empfindliches Unterwassermikrofon, ein Hydrophon, genau dort, wo sich die Hefezellen befanden. Sie zeichneten den Schall so auf, wie er innerhalb der Flüssigkeit existierte, und nicht so, wie er von der Maschine ausgesendet wurde.
Was sie entdeckten, war, dass die Umgebung wie ein Filter wirkte, der den Schall auf komplexe Weise umgestaltete. Der Schall, der bei der Hefe ankam, war nicht einfach nur eine leisere Version des Originals; er war ein neuer akustischer Zustand mit seiner eigenen, einzigartigen Struktur. Einige regelmäßige Muster im Schall blieben erhalten, während andere völlig verschwanden. Beispielsweise wurde die rhythmische Regelmäßigkeit einer singenden Stimme oder eines synthetischen Tons oft verzerrt, während er durch das Glas und die Flüssigkeit wanderte, und verlor viel von seinem ursprünglichen Timing. Andere Merkmale, wie etwa die Stabilität der Energie des Schalls über die Zeit, blieben jedoch überraschend intakt. Die Forscher entwickelten eine Methode, um diese überlebenden Merkmale zu messen und sie zu einem einzigen Wert zu kombinieren, der beschrieb, wie „strukturiert“ der Schall war, sobald er die Zelle erreichte.
Als sie diesen Wert mit der Reaktion der Hefe verglichen, zeichnete sich ein klares Muster ab. Die Hefe reagierte weder auf die Lautstärke des Schalls noch auf die spezifische Art der Schallquelle, wie etwa ob es sich um eine menschliche Stimme oder einen maschinellen Ton handelte. Stattdessen reagierte die Hefe auf das Ausmaß der Organisation, die im Schall nach dem Durchgang durch die Umgebung übrig geblieben war. Wenn der ankommende Schall einen hohen Grad dieser verbleibenden Struktur aufwies, zeigte die Hefe eine signifikante Änderung ihrer Wachstumsrate. Im Gegensatz dazu zeigte die Hefe bei einem chaotischen und ungeordneten Schall fast gar keine Reaktion.
Das Team blickte tiefer als nur auf die Wachstumsraten. Sie untersuchten die interne Architektur der Hefezellen, speziell das Netzwerk aus Proteinfasern, das der Zelle ihre Form gibt und ihr hilft, sich zu bewegen. Unter dem Mikroskop sahen sie, dass Zellen, die hochstrukturierten Schallen ausgesetzt waren, ihre internen Fasern auf eine klare, polarisierte Weise organisierten, was sie auf ein spezifisches Wachstumsziel vorbereitete. Zellen, die ungeordneten Schallen ausgesetzt waren, behielten hingegen ihre verstreuten und diffusen Fasern bei. Dieser Unterschied in der internen Struktur war auch in der Art und Weise sichtbar, wie die Zellen ihre Form bei der Stimulation zur Reproduktion änderten. Die Zellen, die strukturierten Schallen ausgesetzt waren, bildeten deutliche, längliche Ausstülpungen, während jene, die unstrukturierten Schallen ausgesetzt waren, rund und ungeformt blieben.
Die Ergebnisse legen einen zweistufigen Selektionsprozess nahe. Zuerst selektiert die physische Umgebung, welche Teile des Schalls die Reise überstehen. Das Glasröhrchen und das flüssige Medium fungieren als Torwächter, die entscheiden, welche Muster verfügbar bleiben. Zweitens selektiert der Organismus, welche dieser überlebenden Muster relevant sind. Die Hefe reagierte nicht auf jeden Schall, der sie erreichte; sie reagierte nur auf jene, die ein gewisses Maß an struktureller Ordnung bewahrten. Dies bedeutet, dass die Umgebung selbst eine aktive Rolle dabei spielt, was ein Lebewesen wahrnehmen kann, noch bevor das Lebewesen selbst eine Entscheidung darüber trifft, was zu tun ist.
Diese Studie behauptet nicht, dass Hefe „zuhört“ oder dass der Schall eine Nachricht mit Bedeutung ist. Die Hefe interpretiert den Schall nicht als Lied oder Warnung. Stattdessen hebt die Forschung einen grundlegenden Schritt hervor, der stattfindet, bevor Bedeutung existiert. Damit ein Unterschied in der Welt zu einem Signal werden kann, muss er zuerst als stabiles, organisiertes Muster durch das physische Medium bestehen bleiben. Die Umgebung liefert das Rohmaterial organisierter Differenzen, und das lebende System setzt sich dann mit eben diesen spezifischen Mustern auseinander. Der Schall, der für die Hefe wichtig ist, ist nicht derjenige, der abgespielt wurde, sondern derjenige, der tatsächlich ankam, umgestaltet durch die Welt, durch die er gereist ist. Diese Arbeit bietet eine neue Sichtweise darauf, wie das Leben mit seiner Umgebung in Verbindung tritt, und zeigt, dass die physische Struktur der Umgebung ebenso wichtig ist wie die biologische Maschinerie des Organismus, um zu bestimmen, was bemerkt wird.
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