Elméleti biológia

Egy ragadozó-zsákmány rendszer fázisú űrszelvényei . Az elméleti biológia egyik első matematikai tárgya.

Az elméleti biológia formális modelleket dolgozott ki a biológiai jelenségek leírására . Ehhez különösen a matematika módszereit használja . Modelleket és elméleteket dolgoznak ki az élő rendszerek felépítésének és dinamikájának leírására . A biológia számos alapvető megállapítása , például az evolúciósan stabil stratégiák leírása vagy a replikátor -egyenletek az elméleti biológiából származnak. Tisztán matematikai orientációjában az elméleti biológiát biomatematikának is nevezik, és az alkalmazott matematika részterülete .

sztori

1920 Korai standard munka a matematika előtti elméleti biológiáról

Az ötlet egy elméleti biológia körül alakult 1900 távú elméleti biológia először egy központi helyen 1901-ben a könyv címe Bevezetés az elméleti biológia által Johannes Reinke . Az ebből kialakult hagyományban az elméleti biológia feladatát kevésbé a biológiai elméletek matematizálásában látták, mint a biológia fogalmi alapjának. Ezen a ponton a biológia mint tudományág még csak most kezdett kialakulni, és a sok különböző tudományág elmélete zavaros és nagyrészt ellentmondásos. A 19. században még azt remélték, hogy Darwin evolúciós elmélete vállalhatja a biológia alapjainak lerakását. De a darwinizmus mély válságon ment keresztül 1900 körül.

Reinke nyomán számos publikáció jelent meg olyan szerzőknél, akik a biológia elméleti és filozófiai problémáival foglalkoznak. Meg kell említeni Jakob Johann von Uexküllt és Julius Schaxelt, mint az elméleti biológia korai szakaszának központi elemeit . Mindketten az elméleti biológia kifejezéssel dolgoztak. Míg Uexküll saját új biológiai koncepcióját szerette volna kifejleszteni, Schaxel 1919 -ben megjelent Az elméletképzés alapjai a biológiában című könyvével és az ugyanabban az évben alapított elméleti biológiával foglalkozó cikksorozatával, a biológia elméleti problémáira próbálta felhívni a figyelmet. fórum a feldolgozásra e problémák megállapítása érdekében. Az elméleti biológia további fontos képviselői Max Hartmann és Ludwig von Bertalanffy voltak .

Az elméleti biológia, mint matematikai eszközökkel rendelkező biológia kifejezés jelenlegi jelentése viszonylag későn alakult ki: A matematikailag megértett elméleti biológia korai szereplői Alfred J. Lotka matematikus és Vito Volterra fizikus voltak, akik abban az időben a rendes differenciálegyenletek független rendszerei voltak. leírva a populációk dinamikáját. De csak a második világháború alatt és után alakult ki széles matematika-orientált hagyomány az elméleti biológiában. Itt nagy szerepet játszott az orosz biológusok hatása is, ahol a matematika és a biológia kapcsolata hosszabb hagyományokkal rendelkezett, és szélesebb körben elterjedt volt. Itt különösen a populációgenetika volt fontos terület. Az olyan biológusok, mint Theodosius Dobzhansky , Ronald Fisher , Sewall Wright és John Burdon Sanderson Haldane , akik szintén a szintetikus evolúcióelmélet központi alakjai közé tartoztak , fontos úttörő munkát végeztek itt. 1948 -ban Nicolas Rashevsky létrehozta a világ első matematikai biológia szakát . Alan Turing 1952 és 1954 között megalapozta a fejlődésbiológia matematizálását , korszakalkotó eredményekkel a biológiai rendszerek mintázatának kialakulásáról, különösen a róla elnevezett Turing-mechanizmusról .

Ma azonban az elméleti biológia eredeti programja, mint a biológia filozófiája is új fellendülést tapasztal .

Területek

Az elméleti biológia nagy területei matematikai módszereket alkalmaznak a dinamikus rendszerek területéről a biológiai kapcsolatok modellezésére . Bizonyos kapcsolat van az elméleti biológia egyes részeiben az elméleti informatika és a bioinformatika tárgykörével . Ezen utóbbi területeken elsősorban a diszkrét matematika eszközeit használják.

Az elméleti biológia területei a következők:

Elméleti ökológia

Itt többek között megkísérelnek nyilatkozatokat tenni a populációk és a biocenózisok dinamikájáról . A ragadozó-zsákmány kapcsolatok szinte minden ökológiai interakciós struktúrában alapvetőnek bizonyulnak . A ragadozó-zsákmány modellek matematikai megfogalmazásában , amelyet először az 1920-as években vállalt Lotka és Volterra, hagyományosan hagyományos differenciálegyenleteket (pl. Lotka-Volterra egyenletek ) és differenciálegyenleteket használnak . Az egyik nehézség abban rejlik, hogy sok biológiai kapcsolat természetesen nemlineáris egyenletekhez vezet, amelyek csak numerikus, közvetett vagy kvalitatív módszerekkel vizsgálhatók.

Az elméleti ökológia egy, az alkalmazásokhoz kapcsolódó részterülete használja az explicit számítógépes szimuláció lehetőségeit, és az egyszerű, több ágensen alapuló szimulációktól a teljes ökoszisztémák számítógépes ábrázolásáig terjed . Sima átmenet van az elméleti ökológia és a gyakorlati ökoszisztéma -kezelés között .

Matematikai járványtan

A matematikai epidemiológia megpróbálja pontosan felfogni a fertőző betegségek terjedésének formájával és sebességével, valamint a védőintézkedések hatékonyságával kapcsolatos kérdéseket, és a dinamikus rendszerek elmélete alapján válaszolni rájuk. Például az úgynevezett SIR modell használható az influenza járványának leírására. Az alkalmazott egyenletek gyakran szorosan kapcsolódnak az elméleti ökológia egyenleteihez.

Elméleti neurobiológia

A kísérleti neurobiológiához hasonlóan az integráció különböző szintjein is dolgoznak. Az elméleti neurobiológia, más néven számítási idegtudomány feladatai így például egy vagy néhány ioncsatorna modellezésétől a nagy idegsejtek asszociációinak elemzéséig és szimulációjáig terjednek . Az egyik példa az agy bizonyos funkcióinak modellezése, például a nappali-éjszakai ciklus ( cirkadián ritmus ) létrehozása. Van néhány szoros kapcsolat a neuroinformatikával .

Elméleti evolúciós biológia

Az elméleti evolúciós biológia matematikai módszerekkel vizsgálja a fejlődő rendszerek dinamikáját. A klasszikus elméleti evolúciós biológia nagyrészt Fischer, Wright és Haldane befolyásos munkáján alapul . Az elméleti evolúciós biológia újabb ága az evolúciós játékelmélet, amelyhez többek között John Maynard Smith fektetett le fontos alapokat. Az érdeklődés középpontjában az úgynevezett replikátor-dinamika és az evolúciósan stabil stratégiák állnak, mint az önreplikáló rendszerek közös absztrakciója . A replikátor dinamikájának alapvető egyenletei részben a Lotka-Volterra rendszerekhez kapcsolódnak a diffeomorfizmusok révén, amint azt Hofbauer munkái is mutatják. Az utóbbi időben nagyobb hangsúlyt fektettek a véges populációkra. Véges populációkban a sztochasztikus hatások nagyobb szerepet játszanak. Az evolúciósan stabil stratégia fogalmát Martin A. Nowak kiterjesztette a véges populációk esetére.

Az elméleti biológia további matematikailag orientált területei

fejlődés

Újabban az angol-amerikai kulturális térségben rohamosan terjeszkedő elméleti biológia is emelkedőben van Németországban. Erről tanúskodik több elméleti biológiai szék létrehozása; megfigyelhető a kutatási témák diverzifikációja. Németországban az elméleti biológia központja a berlini Humboldt Egyetem Elméleti Biológiai Intézete, és történelmileg a biológia néhány nem matematikai területét időnként elméleti biológiának tekintették.

tanulmányok

Az elméleti biológia nem kötelező minden egyetemen az alaptanfolyam vagy az alapképzés rendszeres tantárgyaként.

Az elméleti biológiát jelenleg többek között a berlini Humboldt Egyetemen és a Bonni Egyetemen lehet biológia szakként tanulni. Bár a biológia szakos hallgatók matematikaoktatásának típusa és terjedelme néhol jelentősen megnövekedett, a biológusok csak kis hányada rendelkezik még olyan ismeretekkel, amelyek lehetővé teszik számukra az elméleti biológia kutatását.

Számos egyetemen lehetőség van elméleti biológia tanulmányozására matematika szakon, az alkalmazott matematikára összpontosítva. A Greifswaldi Egyetem Booth 2018 -ban felajánlja a "biomatematika", a Bachelor of Science és a Master of Science ("B.Sc." és "M.Sc") alapképzést. Emellett a bécsi és az oxfordi egyetemek többek között elméleti biológiára specializálódnak. Bécs mesterképzést kínál. Az osztály a fejlesztési biológia kvantitatív módszereire összpontosít nagy felbontású mikro-CT képalkotás segítségével, valamint a fejlesztési folyamatok modellezésére és elméleti integrálására.

A doktori fokozat alatt és után számos elméleti biológiával foglalkozó kutatóintézetben folytathatja tanulmányait.

irodalom

  • JT Bonner: A komplexitás evolúciója a természetes szelekció segítségével. Princeton University Press, Princeton 1988.
  • J. Bammert, HJ Jesdinsky , E. Walter , C. Otto, R. Roßner: Biomatematika orvosi szakemberek számára. 3. Kiadás. Teubner, 1988.
  • Nicholas F. Britton: Essential Mathematical Biology. Jumper.
  • H. Hertel: Szerkezet, forma, mozgalom. Reinhold Publishing Corp, New York, 1963.
  • M. Mangle: Különszám, Az elméleti biológia klasszikusai. (1. rész). In: Bull. Math. Biol. Vol. 52, 1/2, 1990, 1-318.
  • J. Murray : Matematikai biológia. Jumper.
  • P. Prusinkiewicz, A. Lindenmeyer: A növények algoritmikus szépsége. Springer-Verlag, Berlin 1990.
  • DW Thompson: A növekedésről és a formáról. 2. kiadás. Cambridge University Press., Cambridge 1942. (2 kötet)
  • S. Vogel: Az élet eszközei: az állatok és növények fizikai világa. Princeton University Press, Princeton 1988.
  • Ricard Solé, Brian Goodwin: Az élet jelei: A komplexitás hogyan hatja át a biológiát. Alapkönyvek , 2001, ISBN 0-465-01927-7 .
  • Hogyan változtatta meg a leopárd a helyét: A komplexitás evolúciója. Scribner, 1994, ISBN 0-02-544710-6 . (Németül: A leopárd, aki elveszíti a foltjait. Piper, München 1997, ISBN 3-492-03873-5 )
  • Gerry Webster, BC Goodwin: Form and Transformation: Generative and Relational Principles in Biology. Cambridge Univ. Press, 1996, ISBN 0-521-35451-X .
  • Kwang W. Jeon, Richard J. Gordon (szerk.): A citoszkeleton mechanikai tervezése a fejlődésbiológiában (International Review of Cytology). Academic Press, London 1994, ISBN 0-12-364553-0 .
  • Brian Goodwin, Peter Saunders és munkatársai (szerk.): Elméleti biológia: Epigenetikai és evolúciós rend komplex rendszerekhez. Edinburgh University Press, 1989, ISBN 0-85224-600-5 .
  • AJ Lotka: A fizikai biológia elemei . Williams és Wilkins, Baltimore 1925, ISBN 0-486-60346-6 .
  • AJ Lotka: A biológiai populációk elemzési elmélete. (= The Plenum Series on Demography Methods and Population Analysis ). Plenum Press, New York, 1998, ISBN 0-306-45927-2 .

web Linkek

Szaklapok

Kutatóintézetek

Szakmai társaságok

Egyéni bizonyíték

  1. ^ J. Maynard Smith: Evolúció és játékelmélet. Cambridge University Press, 1982.
  2. ↑ Greifswaldi Egyetem - Minden tantárgy ábécé sorrendben (pdf; 77,5 kB; 3 oldal), 2018. június 15 -i állapot szerint, 1. o., Hozzáférés: 2018. október 28.
  3. ^ A Bécsi Egyetem Elméleti Biológiai Tanszéke