Neubewertung kognitiver Leistungen im Lichte der Fähigkeiten einzelliger Lebewesen

Summary

A closer look at unicellular organisms and their behavior as autonomous and social beings sheds new light on the nature of cognition. This allows, at the same time, a search for minimal conditions that help to identify the yet unknown appearance of cognition during evolution. Positive results might also serve as principles for the construction of intelligent artefacts as striven for in artificial intelligence and cognitive robotics research.

Analyzing the abilities of prokaryotes and unicellular eukaryotes and comparing them to the abilities of “higher” organisms, we conclude that common definitions of cognition are not specific enough. The attempt to define cognition by focusing on the coupling between stimulus and response and asserting that (to have cognition) it has to be indirect and modifiable fails, simply because in all organisms every reaction to a stimulus is indirect and modifiable. A definition of cognition based on such a distinction cannot hold unless one is willing to ascribe cognitive capacities also to Escherichia coli bacteria, for instance.

Viewing cognition as the sum of abilities necessary for coping with a complex physical and social environment is also highly questionable, i.e. unspecific. We show that functions comparable to the cognitive functions “perception” and “memory” in higher organisms can well be identified in unicellular beings. The “architecture” of the bacterial (prokaryotic) sensorimotor apparatus is also in some structures, but particularly at the functional level, comparable with that of higher organisms and should be, as a consequence, indicative of cognition.

Furthermore, we discuss other, somewhat more delimitable, phenomena like detection of identity, counting, adaptation, habituation and learning in ethological categories and compare them to findings from the microorganismic world. In this context, we argue that so-called “true learning” and the appearance of nervous systems are not break-points in the evolution of cognition. The presence of nervous systems means only a huge amplification of the recognition power of individual organisms. The molecular net that realizes the regulation and transduction of signals in unicellular beings is comparable to the processes within a neural net, and a population of unicellular organisms can be viewed as an individual, multicellular net with amplified recognition power. Finally, we show that sophisticated forms of cooperation and competition developed also in populations of unicellular organisms. This seems not to be true for the phenomena imagination (rehearsal) and introspection, also to be seen as stemming from social problem-solving needs. As for these aspects, further research is needed, however, to put them on firm scientific grounds.

Zusammenfassung

Eine genaue Betrachtung einzelliger Lebewesen und ihres Verhaltens als autonome und soziale Wesen wirft neues Licht auf die Natur von Kognition. Das erlaubt gleichzeitig eine Suche nach minimalen Bedingungen, die bei der Bestimmung des Erscheinens von Kognition in der Evolution helfen. Positive Ergebnisse könnten auch als Prinzipien für die Konstruktion intelligenter Artefakte dienen, wie sie in der Künstlichen Intelligenz und der kognitiven Robotikforschung angestrebt werden.

Ein Vergleich der Fähigkeiten von Einzellern mit denen von “höheren” Organismen führt uns zu dem Schluß, daß gängige Definitionen von Kognition nicht spezifisch genug sind. Der Versuch, Kognition über die Indirektheit und Modifizierbarkeit der Kopplung zwischen Reiz und Reaktion zu definieren, scheitert, weil in allen Organismen Reiz- Reaktionsverbindungen indirekt und modifizierbar sind. Eine solche Definition ist nicht haltbar, es sei denn, man ist bereit, z.B. auch Escherichia coli-Bakterien kognitive Eigenschaften zuzubilligen.

Die Definition von Kognition als Summe der Eigenschaften, die notwendig sind, um in einer komplexen physikalischen und sozialen Umgebung zu bestehen, ist ebenfalls hinterfragbar und unspezifisch.Wir zeigen, daß Leistungen, die mit den Kognitionsleistungen “Wahrnehmung” und “Gedächtnis” in höheren Organismen vergleichbar sind, in Einzellern nachweisbar sind. Die sensomotorische Komplexit ät von Einzellern ist auch in vieler Hinsicht strukturell, vor allem aber funktionell vergleichbar mit derjenigen höherer Organismen und kann deshalb als ein Hinweis auf Kognition gewertet werden.

Darüber hinaus diskutieren wir andere, abgrenzbare Phänomene, wie Erfassung von Identität, Zählen, AdapJ. W. Lengeler et al.: Neubewertung kognitiver Leistungen im Lichte der Fähigkeiten einzelliger Lebewesen 161 tation, Habituation und Lernen, aus der Sicht der Verhaltensforschung und vergleichen sie mit Befunden aus der Welt der Mikroorganismen. In diesem Zusammenhang bestreiten wir, daß sogenanntes “echtes Lernen” und das Erscheinen von Nervensystemen Bruchstellen in der Evolution von Kognition sind. Die Anwesenheit von Nervensystemen bedeutet nur den Übergang von Systemen mit einem relativ begrenzten (Erkennungs-) Potential zu solchen mit einem riesigen Potential. Das molekulare Netz, das die Regulation und Transduktion von Signalen in Einzellern realisiert, ist vergleichbar mit den Prozessen innerhalb eines Nervennetzes. Eine Population von einzelligen Organismen kann als individuelles, multizelluläres Netz mit erhöhtem Erkennungspotential angesehen werden.

Schließlich zeigen wir, daß raffinierte Formen von Kooperations- und Konkurrenzverhalten auch in Einzellerpopulationen vorhanden sind. Eine ähnliche Aussage scheint nicht für Phänomene wie Imagination (Probehandeln) und Introspektion möglich zu sein, die auch im Zusammenhang mit der Bewältigung sozialer Probleme zu sehen sind. Eine genaue naturwissenschaftliche Erfassung solcher Aspekte, die erst einen Vergleich zwischen Mehrzellern und Einzellern erlauben würde, ist allerdings noch zu leisten.