Biologie teoretică

Traiectorii spațiale de fază ale unui sistem prădător-pradă. Una dintre primele materii matematice din biologia teoretică.

Teoretice de Biologie dezvoltat modele formale pentru a descrie biologice fenomene . În acest scop, ea folosește în special metode din matematică . Modelele și teoriile sunt dezvoltate pentru a descrie structura și dinamica sistemelor vii. Multe descoperiri fundamentale în biologie , cum ar fi descrierea strategiilor stabile din punct de vedere evolutiv sau ecuațiile replicatorului , provin din biologia teoretică. În orientarea sa pur matematică, biologia teoretică este numită și biomatematică și este o sub-zonă a matematicii aplicate .

istorie

1920 Lucrări standard timpurii despre biologia teoretică pre-matematică

Ideea unei biologii teoretice s-a dezvoltat în jurul anului 1900. Termenul de biologie teoretică a apărut pentru prima dată într-un punct central în 1901 în titlul cărții Introducere în biologia teoretică de Johannes Reinke . În tradiția care s-a dezvoltat din aceasta, sarcina biologiei teoretice a fost văzută mai puțin în matematizarea teoriilor biologice decât ca o bază conceptuală pentru biologie. În acest moment, biologia abia începea să se formeze ca disciplină, iar teoria multor discipline individuale era confuză și în mare parte contradictorie. În secolul al XIX-lea încă se spera că teoria evoluției lui Darwin ar putea prelua sarcina de a pune bazele biologiei. Dar darwinismul a trecut printr-o criză profundă în jurul anului 1900.

În urma lui Reinke, numeroase publicații au fost publicate de autori care se ocupă de problemele teoretice și filosofice din biologie. Jakob Johann von Uexküll și Julius Schaxel trebuie menționați ca fiind esențiali pentru această fază timpurie a biologiei teoretice . Ambii au lucrat cu termenul de biologie teoretică. În timp ce Uexküll dorea să-și dezvolte propriul concept nou pentru biologie, Schaxel a încercat să atragă atenția asupra problemelor teoretice ale biologiei cu cartea sa Bazele formării teoriei în biologie din 1919 și seria de lucrări despre biologia teoretică fondată în același an și să ofere un forum pentru procesare pentru a stabili aceste probleme. Alți reprezentanți importanți ai biologiei teoretice au fost Max Hartmann și Ludwig von Bertalanffy .

Înțelesul actual al termenului de biologie teoretică ca biologie cu mijloace matematice s-a dezvoltat relativ târziu: Protagoniștii timpurii ai biologiei teoretice înțelese matematic au fost matematicianul Alfred J. Lotka și fizicianul Vito Volterra , care la acea vreme erau sisteme independente de ecuații diferențiale obișnuite . descriind dinamica populațiilor. Dar abia în timpul și după cel de- al doilea război mondial s -a dezvoltat o tradiție largă orientată spre matematică în biologia teoretică. Influența biologilor din Rusia, unde legătura dintre matematică și biologie avea o tradiție mai lungă și era mai răspândită, a jucat, de asemenea, un rol major aici. Genetica populației în special a fost un domeniu important aici. Biologi precum Theodosius Dobzhansky , Ronald Fisher , Sewall Wright și John Burdon Sanderson Haldane , care s-au numărat și printre figurile centrale ale teoriei sintetice a evoluției , au făcut aici o lucrare importantă de pionierat. În 1948, Nicolas Rashevsky a înființat primul curs universitar din lume în biologie matematică . Între 1952 și 1954, Alan Turing a pus bazele matematizării biologiei dezvoltării cu rezultate epocale privind formarea modelelor în sistemele biologice, în special mecanismul Turing numit după el .

În zilele noastre, însă, programul inițial de biologie teoretică, ca filosofie a biologiei, se confruntă, de asemenea, cu o nouă creștere.

Zone

Zonele mari de biologie teoretică folosesc metode matematice din domeniul sistemelor dinamice pentru a modela relațiile biologice. Există o anumită relație în anumite părți ale biologiei teoretice cu domeniile de informatică teoretică și bioinformatică . În aceste din urmă domenii, sunt utilizate în principal instrumente din matematică discretă.

Domeniile biologiei teoretice includ:

Ecologie teoretică

Printre altele, încearcă să facă afirmații despre dinamica populațiilor și a biocenozelor . Relațiile prădător-pradă prezente în aproape fiecare structură ecologică de interacțiune se dovedesc a fi fundamentale . În formularea matematică a modelelor prădător-pradă , care a fost inițiată de Lotka și Volterra în anii 1920, sunt utilizate în mod tradițional ecuațiile diferențiale convenționale (de exemplu, ecuațiile Lotka-Volterra ) și ecuațiile de diferență . O dificultate constă în faptul că multe relații biologice duc în mod natural la ecuații neliniare care pot fi investigate doar folosind metode numerice, indirecte sau calitative.

O sub-zonă de ecologie teoretică mai legată de aplicații folosește posibilitățile de simulare explicită pe computer și variază de la simple simulări bazate pe multi-agenți până la reprezentarea asistată de computer a întregilor ecosisteme . Există o tranziție lină între ecologia teoretică și managementul practic al ecosistemului .

Epidemiologia matematică

Epidemiologia matematică încearcă să înțeleagă întrebări cu privire la forma și viteza de răspândire a bolilor infecțioase, precum și eficacitatea măsurilor de protecție, exact și să răspundă la acestea pe baza teoriei sistemelor dinamice. De exemplu, așa-numitul model SIR poate fi utilizat pentru a descrie epidemiologia gripei . Ecuațiile utilizate sunt adesea strâns legate de ecuațiile ecologiei teoretice.

Neurobiologie teoretică

La fel ca în neurobiologia experimentală , se lucrează la diferite niveluri de integrare. Sarcinile neurobiologiei teoretice, cunoscute și sub numele de neuroștiințe computaționale , se extind astfel, de exemplu, de la modelarea unuia sau a câtorva canale ionice la analiza și simularea asociațiilor neuronale mari. Un exemplu este modelarea anumitor funcții ale creierului, de exemplu generarea ciclului zi-noapte ( ritm circadian ). În unele cazuri există legături strânse cu neuroinformatica .

Biologie evolutivă teoretică

Biologia teoretică evolutivă folosește metode matematice pentru a investiga dinamica sistemelor în evoluție. Biologia evolutivă teoretică clasică se bazează în mare parte pe lucrările influente ale lui Fischer, Wright și Haldane . O ramură mai recentă a biologiei evolutive teoretice este teoria jocului evolutiv, pentru care John Maynard Smith, printre altele, a pus bazele importante. Centrul de interes este așa-numita dinamică a replicatorului și strategiile stabile din punct de vedere evolutiv, ca o abstractizare comună a sistemelor de auto-replicare . Ecuațiile de bază ale dinamicii replicatorului sunt parțial legate de sistemele Lotka-Volterra prin difeomorfisme, așa cum arată lucrările lui Hofbauer. În ultima vreme s-a concentrat mai mult pe populațiile finite. În populațiile finite, efectele stochastice joacă un rol mai mare. Martin A. Nowak a extins conceptul de strategie stabilă din punct de vedere evolutiv la cazul populațiilor finite.

Alte domenii de biologie teoretică orientate matematic

dezvoltare

Biologia teoretică, care se extinde rapid în zona culturală anglo-americană de mult timp, este în creștere și în Germania. Înființarea mai multor catedre de biologie teoretică mărturisește acest lucru; se poate observa o diversificare a temelor de cercetare. Institutul de biologie teoretică de la Universitatea Humboldt din Berlin este un centru de biologie teoretică în Germania . Din punct de vedere istoric, unele domenii non-matematice ale biologiei au fost considerate ocazional drept biologie teoretică.

Educaţie

Biologia teoretică nu este obligatorie la toate universitățile ca subiect obișnuit al studiilor de bază sau al formării de licență.

Biologia teoretică poate fi studiată în prezent ca specializare în biologie la Universitatea Humboldt din Berlin și Universitatea din Bonn. Deși tipul și sfera educației la matematică pentru studenții la biologie au fost mult crescute în unele locuri, doar o mică parte din biologi deține încă cunoștințe care le permit să cerceteze biologia teoretică.

Mai multe universități oferă posibilitatea de a studia biologia teoretică ca parte a unei diplome de matematică, cu accent pe matematica aplicată. Universitatea din Greifswald , oferte, Booth 2018, de licență de curs "biomatematica", Bachelor of Science și Master of Science ( "B.Sc." și "M.Sc") pentru a. În plus, universitățile din Viena și Oxford, printre altele, oferă o specializare în biologie teoretică. Viena oferă un master. Departamentul se concentrează pe metodele cantitative în biologia dezvoltării cu ajutorul imagisticii de înaltă rezoluție cu micro-CT, precum și modelarea și integrarea teoretică a proceselor de dezvoltare.

În timpul și după doctorat, vă puteți continua studiile la numeroase institute de cercetare specializate în biologie teoretică.

literatură

  • JT Bonner: Evoluția complexității prin mijloace de selecție naturală. Princeton University Press, Princeton 1988.
  • J. Bammert, HJ Jesdinsky , E. Walter , C. Otto, R. Roßner: Biomatematica pentru medici. 3. Ediție. Teubner, 1988.
  • Nicholas F. Britton: Biologie matematică esențială. Săritor.
  • H. Hertel: Structură, formă, mișcare. Reinhold Publishing Corp, New York 1963.
  • M. Mangle: Ediție specială, Clasici de biologie teoretică. (partea 1). În: Bull. Math. Biol. Vol. 52, Nr. 1/2, 1990, pp. 1-318.
  • J. Murray : Biologie matematică. Săritor.
  • P. Prusinkiewicz, A. Lindenmeyer: Frumusețea algoritmică a plantelor. Springer-Verlag, Berlin 1990.
  • DW Thompson: Despre creștere și formă. Ediția a II-a. Cambridge University Press., Cambridge 1942. (2 volume)
  • S. Vogel: Dispozitivele vieții: lumea fizică a animalelor și plantelor. Princeton University Press, Princeton 1988.
  • Ricard Solé, Brian Goodwin: Semne de viață: modul în care complexitatea pervade biologia. Cărți de bază, 2001, ISBN 0-465-01927-7 .
  • Modul în care leopardul și-a schimbat punctele: evoluția complexității. Scribner, 1994, ISBN 0-02-544710-6 . (Germană: Leopardul care își pierde petele. Piper, München 1997, ISBN 3-492-03873-5 )
  • Gerry Webster, BC Goodwin: Formă și transformare: principii generative și relaționale în biologie. Cambridge Univ. Presă, 1996, ISBN 0-521-35451-X .
  • Kwang W. Jeon, Richard J. Gordon (Eds.): Ingineria mecanică a citoscheletului în biologia dezvoltării (International Review of Cytology). Academic Press, Londra 1994, ISBN 0-12-364553-0 .
  • Brian Goodwin, Peter Saunders și colab. (Ed.): Biologie teoretică: ordine epigenetică și evolutivă pentru sisteme complexe. Edinburgh University Press, 1989, ISBN 0-85224-600-5 .
  • AJ Lotka: Elemente de biologie fizică . Williams și Wilkins, Baltimore 1925, ISBN 0-486-60346-6 .
  • AJ Lotka: Teoria analitică a populațiilor biologice. (= Seria Plenului privind metodele demografice și analiza populației ). Plenum Press, New York 1998, ISBN 0-306-45927-2 .

Link-uri web

Reviste de specialitate

Instituții de cercetare

Societăți profesionale

Dovezi individuale

  1. ^ J. Maynard Smith: Evoluție și teoria jocurilor. Cambridge University Press, 1982.
  2. ↑ Universitatea din Greifswald - Toate subiectele în ordine alfabetică (pdf; 77,5 kB; 3 pagini), începând cu 15 iunie 2018, p. 1, accesat la 28 octombrie 2018.
  3. ^ Departamentul de biologie teoretică Universitatea din Viena