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Systemtheorie

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Systemtheorie ist ein interdisziplinäres Erkenntnismodell, in dem Systeme zur Beschreibung und Erklärung unterschiedlich komplexer Phänomene herangezogen werden. Um Vorhersagen über das Verhalten dieser Systeme treffen zu können, werden Strukturen und Funktionen analysiert, wobei die Funktionsweise durch Regelkreisschemata beschrieben wird. Die meisten Systemmodelle lassen sich mathematisch abbilden.

Die Begriffe der Systemtheorie werden in verschiedensten wissenschaftlichen Disziplinen angewendet. Die Systemtheorie will physikalische, biologische, psychische und soziale Phänomene erklären. In die Systemtheorie fließen Erkenntnisse aus Informatik, Physik, Biologie, Logik, Mathematik, Neurophysiologie, Ethnologie, Soziologie, Semiotik und Philosophie ein, wobei systemtheoretische Begriffe auf alle diese Wissenschaftszweige zurückwirken. Die Systemtheorie ist keine eigene Disziplin, sondern ein weitverzweigter und heterogener Rahmen für einen interdisziplinären Diskurs, der den Begriff System als Grundbegriff führt. Es gibt folglich auch nicht eine "Systemtheorie", sondern eher eine Vielzahl unterschiedlicher, zum Teil konkurrierender Systemdefinitionen und -begriffe. Es hat sich jedoch heute ein relativ stabiles Set an Begriffen und Theoremen herausgebildet, auf das der systemtheoretische Diskurs rekurriert.

Der Begriff Allgemeine Systemtheorie geht auf den Biologen Ludwig von Bertalanffy zurück. Seine Arbeiten bilden zusammen mit der Kybernetik (Norbert Wiener, William Ross Ashby) und der Informationstheorie (Claude Shannon, Warren Weaver) die grundlegenden Überlegungen dieses Wissenschaftsansatzes. Weitere wichtige Theorien stammen von Humberto Maturana und Francisco Varela (Autopoiesis), Stuart Kauffman (Selbstorganisation), Bronislaw Malinowski und Alfred Radcliffe-Brown (Funktionalismus) sowie Talcott Parsons (Strukturfunktionalismus oder Systemfunktionalismus) und Niklas Luhmann (soziologische Systemtheorie).

Chronologie
  • um 1950 Allgemeine Systemtheorie (basierend auf Ludwig von Bertalanffy)
  • um 1960 Kybernetik (W. Ross Ashby, Norbert Wiener) Mathematische Theorie der Kommunikation und Kontrolle von sozialen Systemen durch feedbackschleifen, verwandt ist die Kontrolltheorie
  • um 1970 Katastrophentheorie Dieser Zweig der Mathematik beschreibt plötzliche Veränderungen, die sich aus kleinen Impulsen ergeben.
  • um 1980 Chaostheorie Mathematische Theorie von nichtlinearen dynamischen Systemen, die Verzweigungen beschreibt, Attraktoren und chaotische Bewegungen.


Hauptströmungen der Systemtheorie

Die Systemtheorie beruht auf unabhängig voneinander entwickelten Ansätzen, die später vermischt und erweitert wurden:

Der Begriff Systemtheorie entlehnt sich Bertalanffys bereits 1949 veröffentlichem Buch "General Systems Theory". Bertalanffy spricht von offenen Systemen und bezieht sich dabei ausdrücklich auf Energie- und Stoffströme. Erst mit der Ausformulierung des Informationsbegriffes ließ sich dieses Konzept jedoch weiter generalisieren. Bereits ein Jahr zuvor (1948) hatte Norbert Wiener mit "Cybernetics" (Kybernetik) einen ebenfalls zentralen Ausdruck geprägt, der heute mit dem Systembegriff eng verbunden ist. Ein weiteres verwandtes Konzept ist die Tektologie Alexander Bogdanows.

Systemlehre (L. von Bertalanffy)

Bertalanffy introduzierte ein neues wissenschaftliches Paradigma, das er als Gegenentwurf zur klassisichen Physik positionierte. Er kritisierte deren deduktive Verfahren und die damit einhergehende isolierte Betrachtung von Einzelphänomenen. Für die Biologie sei diese Methode nicht adäquat. Anstelle von Einzelhänomenen, die realiter niemals isoliert aufträten, seien diese Phänomene in ihrer Vernetzung zu beschreiben. Daher setzte er der isolierten Einzelbetrachtung den Systembegriff entgegen, wobei dieser Begriff eine Menge von Elementen und deren Relation untereinander beschreiben soll. Als ein solches Modell betrachtete er die "organisierte Komplexität". Während die klassische Wissenschaft "unorganisierte Komplexität" erfolgreich beschrieben habe, stehe die theoretische Erfassung organisierte Komplexität vor neuen Herausforderungen. Organisierte Komplexität sei gegeben, wenn Einzelphänomene nicht schlicht linear logisch miteinander gekoppelt seien, sondern Wechselwirkungen unter ihnen bestünden. Sei dies der Fall, könne eine exakte Beschreibung der reziproken Vernetzungsbedingungen ein Bild von der Einheit der Summe jener Einzelphänomene vermitteln. Die Systemlehre untersucht somit die Organisationsformen komplexer Wechselbeziehungen zwischen einzelnen Elementen jenseits linear darstellbare Relationen und einfacher Kausalität. Dabei unterschied Bertalanffy zwischen offenen und geschlossenen Systemen. Ein geschlossenes System wird als binnenstabil und über keine Wechselwirkungen mit der Umwelt verfügend beschrieben. In einem solchen System gibt es strenggenommen keine organisierte Komplexität, da sich die Elemente im Gleichgewichtszustand in mathematisch eindeutiger Weise zueinander verhalten. Ein offenes System dagegen verfügt über variablisierte Relationen seiner Elemente, die durch nichtprognostizierbare Umwelteinflüsse verändert werden. Die interne Variabilität ermöglicht es dem System, sich in einem dynamischen Umfeld relativ zu stabilisieren (Fließgleichgewicht). Offene Systeme entfalten also im Austauch mit ihrer Umwelt eine Dynamik und variieren ihre Zuständlichkeit ohne dabei ihre Systemstrukturen vollständig ändern zu müssen. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass sie nicht kausal von außen beeinflusst werden, sondern ihre interne Organisation bei Umweltveränderungen selbst umstellen ("Black Box"-Theorem). Dies wird als Selbstorganisation bezeichnet und kann als Paradigma organisierter Komplexität gelten.

Gegen das "Newtonsche Weltbild" setzte Bertalanffy also seinen Gedanken einer allgemeinen, interdisziplinären Systemlehre. Auch in Wissenschaftsgebieten, die sich nicht in den Rahmen physikalisch-chemischer Gesetzmäßigkeiten einordneten - etwa der Biologie oder der Soziologie -, träten dennoch exakte Gesetzmäßigkeiten auf, die durch passend gewählte Modellvorstellungen abgebildet werden könnten.

Die Systemlehre wurde als allgemeine Naturwissenschaft des Lebens konzipiert. In der Systemlehre werden energetisch offene Systeme beschrieben. L. von Bertalanffy argumentierte vor dem Hintergrund der physikalischen Auffassung der Thermodynamik (Wärmetod). Offene Systeme können Energie aus ihrer Umwelt aufnehmen und sich so zu höherer Ordnung entwickeln, also die globale thermodynamische Entropie lokal umgehen. Die Systeme der Systemlehre sind Lebewesen, der wesentliche Prozess ist die Osmose, die in einem Fliessgleichgewicht (steady state) verläuft.

Die Informations- und Regelungsprozesse wurden von L. von Bertalanffy mathematisch formuliert.

Erweiterungen der Systemlehre

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Kybernetik

Die Kybernetik behandelt operationell geschlossene Mechanismen. Sie wurde als Regelungs- und Kommunikationstheorie konzipiert. Der Fokus der Kybernetik liegt auf Regelung und Steuerung. Deshalb kommen in der Kybernetik als Systeme nur geregelte Mechanismen in Betracht. Die Regelung beruht immer auf Prozessen, die mit der Informationstheorie beschrieben werden. L. von Bertalanffy hat sich gegen die Vermischung seiner Systemlehre und der Kybernetik ausgesprochen, weil er das mechanistische Denken der Kybernetik für die Beschreibung von Leben nicht als adäquat erachtete. Heute wird der Ausdruck "Systemtheorie" aber beliebig für beides aud drittes verwendet.

Generelle Eweiterungen der Kybernetik

Als Systemtheorie 2. Ordnung bezeichnet man Systemtheorien, die in dem Sinne selbstbezüglich sind, als mit der jeweiligen Systemtheorie der Systemtheoretiker, der die Theorie macht (Beobachter) beschrieben (beobachtet) wird. Der Kernbegriff it deshalb Beobachter beobachten.

Erfinder der 2. Ordnung ist Heinz von Foerster, er sprach von 2. order cybernetics oder von cybernetics of cybernetics. Die Systemtheorie 2. Ordnung ist eine erkenntnistheoretische Interpretation der Systemtheorie, in welcher untersucht wird, was der Systemtheoretiker als System theoretisch wissen kann. Die Systemtheorie 2. Ordnung ist eng verwandt mit dem Radikalen Konstruktivismus. In den frühen Schriften spielt die Selbstorganisation ein grössere Rolle, in den späteren Schriften ist viel von Ethik die Rede.

Als Autopoiesis bezeichnet H. Maturana sowohl seine Systemtheorie wie auch den wesentlichen Prozess, den er mit seiner Theorie beschreibt, nämlich das Leben. H. Maturana beschreibt, grob gesehen, das gleiche wie L. von Betalannfy in seiner Systemlehre, er argumentiert aber kybernetisch: er spricht von lebenden (autopoietischen) Maschinen, die operationell geschlossen sind.

Als Selbstorganisation bezeichnet man Prozesse, die wie die Autopoiese zu höheren strukturellen Ordnungen führen, ohne dass ein Prozessor/Operator erkennbar ist. Ein exemplarisches Beispiel ist der Laserstrahl, anhand dessen die Theorie von H. Haken auch entwickelt wurde .

Der Radikale Konstruktivismus wurde von Ernst von Glasersfeld entwickelt. Er hat dabei die Arbeiten von Jean Piaget radikal interpretiert und kybernetisch reformuliert. Die Denkweise von J. Piaget war implizit kybernetisch und explizit epistemologisch. Die radikale Interpretation führt zu einer Theorie, die eng verwandt mit der Systemtheorie 2. Ordnung ist. E. von Glasersfeld argumentiert insbesondere auch mit der operationellen Geschlossenheit von Systemen. In der vulgären Variante des Radikalen Konstruktivismus wird die Systemtheorie weggelassen, dafür über die Wirklichkeit der Wirklichkeit "philosophiert".

Als System Dynamics bezeichnet man die Modellierung mit Regelkreisen. Bekannt gemacht hat das Verfahren Jay W. Forrester durch das Weltmodell des Club of Rome

Fachspezifische Erweiterungen der Kybernetik

  • Technologische Kybernetik (Automatik , Informatik, Systemtheorie der Technik)
  • Biologische Kybernetik (biologische Autopoiesis, Biokybernetik)
  • Sozietale Kybernetik (Sozialkybernetik)

Soziologische Systemtheorie

Der soziologische Systembegriff geht auf Talcott Parsons zurück. Parsons betrachtet dabei Handlungen als konstitutive Elemente sozialer Systeme (handlungstheoretische Systemtheorie).

Erweiterungen

Niklas Luhmann hat die Theorie von T. Parsons weitergeführt. Er geht unter Verwendung des Informationsbegriffes davon aus, dass Kommunikationen die basalen Operationen eines Systems sind (kommunikationstheoretische Systemtheorie). Auf dieser Basis beschreibt er Gesellschaft als Kommunikationssystem mit funktional ausdifferenzierten Subsystemen. Leitdifferenz ist für ihn dabei die Unterscheidung von System und Umwelt. Einen solchen binären Code zur Strukturierung der Kommunikationen versucht er in der Beschreibung aller gesellschaftlicher Subsysteme zu identifizieren, indem er die spezifischen Diskurse des jeweiligen Systems untersucht (z.B. Recht/Untrecht im Rechtssystem, Wahr/Falsch im Wissenschaftssystem oder Zahlen/Nichtzahlen im Wirtschaftsystem, Glauben/Nichtglauben im Religionssystem, Regierung/Opposition im politischen System). Wichtige, kommunikativ erzeugte Unterscheidungen sind für ihn etwa Zentrum/Peripherie, Interaktion/Organisation, Stratifikation/funktionale Differenzierung. Die soziologische Systemtheorie ist konstruktivistisch und basiert auf der Theorie operativ geschlossener Systeme.

Theorie komplexer Systeme

Die neueste Strömung ist die Theorie komplexer Systeme. Ein komplexes System ist dabei ein System dessen Eigenschaften sich nicht vollständig aus den Eigenschaften der Komponenten des Systems erklärt werden können. Komplexe Systeme bestehen aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen und interagierenden Teilen, Entitäten oder Agenten.

verwandte Gebiete

Diese vier Hauptrichtungen haben Vorläufer, Unterabteilungen, Entwicklungen, Anwendungen in den Fachdiziplinen.

Informationstheorie

Die Informationstheorie wurde entwickelt von Claude Shannon und Warren Weaver, wichtige Begriffe sind: Information, Entropie, Informationsübertragung, Datenkompression, Kodierung, Kryptographie, Komplexitätstheorie.

Weitere

Konkrete Ausprägungen

  • Medizinische Kybernetik

Die Medizinische Kybernetik umfaßt die Anwendung systemtheoretischer, nachrichtentheoretischer, konnektionistischer und entscheidungsanalytischer Konzepte für biomedizinische Forschung und klinische Medizin.

  • Medizinische Systemtheorie

Das Ziel der Medizinischen Systemtheorie ist es, die komplexen Zusammenhänge des physischen Systems und deren spezifische vernetzte Funktionsweise besser zu verstehen. Dabei werden physiologische Dynamiken im gesunden und erkrankten Organismus identifiziert und systemtheoretisch modelliert.

  • Chaostheorie

(David Ruelle, Edward Lorenz, Mitchell Feigenbaum, Steve Smale, James A. Yorke) Die Chaostheorie beschäftigt sich mit bestimmten nichtlinearen dynamischen Systemen, die eine Reihe von Phänomenen aufweisen, die man Chaos nennt. Eines dieser Phänomene ist der Schmetterlingseffekt, der besagt, dass kleine Änderungen unerwartet große Effekte haben können. Benannt wurde der Effekt nach Edward N. Lorenz, der sich die Frage stellte, ob der Flügelschlag eines Schmetterlings einen Tornado in Texas auslösen kann. Weitere Vertreter sind Benoit Mandelbrot und Henri Poincaré. Chaotische Systeme sind zum Beispiel Wetter, Klima, Plattentektonik, Turbulenz, Wirtschaftskreisläufe, Internet und das Bevölkerungswachstum.

  • Dialektische Systemtheorie

Die Dialektische Systemtheorie geht davon aus, dass der Begriff System, verstanden als ein strukturiertes Ganzes, für die Wissenschaft als konstitutiv verstanden werden muss. Als Gegenbegriff des Systems wird das Chaos gesetzt. Der so verstandene Systembegriff und die Leitunterscheidung System und Chaos werden vor allem bei Kant und Hegel formuliert.

(René Thom, E.C. Zeeman) Zweig der Mathematik, der sich mit den Verzweigungen von dynamischen Systemen beschäftigt, beschreibt plötzliche Veränderungen, die sich aus kleinen Veränderungen von Umständen ergeben.

  • Konnektionismus

Der Konnektionismus versteht ein System als Wechselwirkungen vieler vernetzter, einfacher Einheiten. Die meisten konnektionistischen Modelle beschreiben die Infomationsverarbeitung in Neuronennetzen. Sie bilden eine Brücke zwischen biologischer Forschung und technischer Anwendung.

  • Komplexe Adaptive Systeme

Die Theorie der Komplexen adaptiven Systeme beruht vorwiegend auf den Arbeiten des Santa Fe Institute. Komplexe adaptive Systeme (John H. Holland, Murray Gell-Mann, Harold Morowitz, W. Brian Arthur) Diese neue Komplexitätstheorie, die Emergenz, Anpassung, und Selbstorganisation beschreibt, basiert auf Agenten und Computersimulationen, die Multi-agent Systeme (MAS) einschließen, die zu einem wichtigen Instrument bei der Erforschung von sozialen und komplexen Systemen wurden.

Universalitätsanspruch

Ein Charakteristikum dieser theoretischen Ansätze ist der Anspruch, eine formale Theorie zu erarbeiten, die möglichst umfassend anwendbar ist. Dieser Anspruch geht vor allem aus Bertalanffys Werk "Allgemeine Systemtheorie" hervor: "Wenn wir .. den Begriff des Systems entsprechend definieren, so finden wir, daß es Modelle, Prinzipien und Gesetze gibt, die für verallgemeinerte Systeme zutreffen, unabhängig von der Natur dieser Systeme". Auch heute ist es diese Ausrichtung, die systemtheoretische Ansätze attraktiv erscheinen lässt, auch wenn das Ziel bislang unerreicht ist. So verbindet etwa das Santa Fe Institute mit seiner "Theorie komplexer adaptiver Systeme" einen universellen Erklärungsanspruch. Auch die "Theorie Sozialer Systeme" Niklas Luhmanns teilt diese Ausrichtung.

Begriffe der Systemtheorie

Der zentrale Grundbegriff der Systemtheorie ist das System (nach gr. to systeme = Zusammenstellung). Die Annahme, es gäbe Systeme, kann quasi als Grundaxiom dieses Ansatzes betrachtet werden.

Ein System ist etwa wie folgt definiert:

1. Ein System ist begrenzt und abgrenzbar (System/Umwelt-Differenz). Es besteht aus einer Systemgrenze ("Boundary"), einem Systemkern, Systemelementen, dem Zusammenwirken dieser Elemente sowie aus Energie oder Signalen. Wird etwas über die Systemgrenzen hinweg transportiert ist dieses System ein offenes, sonst ein geschlossenes System. Alles außerhalb der Systemgrenze Liegende ist nicht Teil des Systems, sondern dessen Umwelt.

2. Ein System ist eine Menge von Elementen, die in einem abgegrenzten oder abgrenzbaren Bereich so zusammenwirken, dass dabei ein vollständiges, sinnvolles, zweck- und zielgerichtetes Zusammenwirken in einem funktionellen Sinne erzielbar wird.

3. Aufbau und Funktionsweise eines Systems hängen von dem Standpunkt des Betrachters ab.

Weitere Begriffe:


Beispiele

Im folgenden einige Beispiele für systemtheoretisches Denken aus der Ingieneurswissenschaft. Diesen Beispielen ist gemein, dass sie sich mit derselben Art von Differentialgleichungen lösen lassen. Diese Verwendung eines universellen Werkzeugs zur Lösung verschiedener, zunächst nicht verwandt erscheinender Problemen ist Teil des "systemtheoretischen" Denkens.

Siehe auch

Literatur

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