Teoreettinen biologia

Petoeläin-saalisjärjestelmän vaihe-avaruusradat . Yksi ensimmäisistä matemaattisista aiheista teoreettisessa biologiassa.

Teoreettisen biologian kehitetty muodollista malleja kuvaamaan biologisia ilmiöitä . Tätä varten hän käyttää erityisesti matematiikan menetelmiä . Malleja ja teorioita kehitetään kuvaamaan elävien järjestelmien rakennetta ja dynamiikkaa . Monet biologian perushavainnot , kuten evoluutiosti vakaiden strategioiden kuvaus tai replikaattoriyhtälöt , ovat peräisin teoreettisesta biologiasta. Puhtaasti matemaattisessa suuntauksessaan teoreettista biologiaa kutsutaan myös biomatematiikaksi ja se on soveltavan matematiikan osa-alue .

tarina

1920 Varhainen standardityö esimatemaattisesta teoreettisesta biologiasta

Ajatus teoreettisen biologian ympärille 1900. Termi teoreettisen biologian ensimmäinen ilmestyi keskeisessä kohdassa 1901 kirjan nimi Johdatus teoreettisen biologian , jonka Johannes Reinke . Tästä kehittyneessä perinteessä teoreettisen biologian tehtävä nähtiin vähemmän biologisten teorioiden matemaatisoinnissa kuin biologian käsitteellisenä perustana. Tässä vaiheessa biologia oppiaineena oli vasta alkamassa muodostua ja monien eri tieteenalojen teoria oli hämmentävä ja suurelta osin ristiriitainen. 1800 -luvulla vielä toivottiin, että Darwinin evoluutioteoria voisi ottaa tehtävänsä luoda perusta biologialle. Mutta darwinismi kärsi syvän kriisin noin vuonna 1900.

Reinken jälkeen julkaistiin lukuisia julkaisuja tekijöiltä, ​​jotka käsittelevät biologian teoreettisia ja filosofisia ongelmia. Jakob Johann von Uexküll ja Julius Schaxel on mainittava keskeisenä tässä teoreettisen biologian alkuvaiheessa . Molemmat työskentelivät termillä teoreettinen biologia. Vaikka Uexküll halusi kehittää oman uuden biologian konseptinsa, Schaxel yritti kiinnittää huomiota biologian teoreettisiin ongelmiin vuonna 1919 julkaistulla teoksellaan Basics of Theory Formation in Biology ja samana vuonna perustetulla teoreettista biologiaa käsittelevällä paperisarjalla. käsittelyfoorumi näiden ongelmien selvittämiseksi. Muita tärkeitä teoreettisen biologian edustajia olivat Max Hartmann ja Ludwig von Bertalanffy .

Termin teoreettinen biologia nykyinen merkitys biologiana matemaattisin keinoin kehittyi suhteellisen myöhään: Matemaattisesti ymmärretyn teoreettisen biologian varhaiset päähenkilöt olivat matemaatikko Alfred J.Lotka ja fyysikko Vito Volterra , jotka olivat tuolloin itsenäisiä tavallisten differentiaaliyhtälöjärjestelmiä kuvataan populaatioiden dynamiikkaa. Mutta vasta toisen maailmansodan aikana ja sen jälkeen teoreettisessa biologiassa kehittyi laaja matematiikkaan suuntautunut perinne. Myös biologien vaikutus Venäjältä, jossa matematiikan ja biologian välisellä yhteydellä oli pidempi perinne ja joka oli laajempi, näytti tässä suurta roolia. Erityisesti väestögenetiikka oli tässä tärkeä alue. Biologit, kuten Theodosius Dobzhansky , Ronald Fisher , Sewall Wright ja John Burdon Sanderson Haldane , jotka olivat myös synteettisen evoluutioteorian keskeisiä hahmoja , tekivät täällä tärkeää uraauurtavaa työtä. Vuonna 1948 Nicolas Rashevsky perusti maailman ensimmäisen matematiikan biologian jatkokurssin . Vuosina 1952–1954 Alan Turing loi perustan kehitysbiologian matemaattisuudelle ja sai aikaan mullistavia tuloksia kuvioiden muodostumisesta biologisissa järjestelmissä, erityisesti hänen nimellään Turingin mekanismissa .

Nykyään kuitenkin myös alkuperäinen teoreettisen biologian ohjelma biologian filosofiana on nousussa.

Alueet

Suuret teoreettisen biologian alueet käyttävät dynaamisten järjestelmien matemaattisia menetelmiä biologisten suhteiden mallintamiseen . Teoreettisen biologian osissa on tietty suhde teoreettisen tietojenkäsittelytieteen ja bioinformatiikan aihealueisiin . Näillä jälkimmäisillä aloilla käytetään pääasiassa erillisen matematiikan työkaluja.

Teoreettisen biologian alueita ovat:

Teoreettinen ekologia

Täällä muun muassa yritetään antaa lausuntoja populaatioiden ja biosenoosien dynamiikasta . Lähes jokaisessa ekologisessa vuorovaikutusrakenteessa esiintyvät saalistaja-saalis-suhteet osoittautuvat perustavanlaatuisiksi . Matemaattinen formulaatio peto-saalis malleja , joka tehtiin ensin vuonna 1920 Lotka ja Volterra, tavanomaisia differentiaaliyhtälöt (esimerkiksi Lotka-Volterra yhtälöt ) ja differenssiyhtälöt käytetään perinteisesti . Yksi vaikeus on siinä, että monet biologiset suhteet johtavat luonnollisesti epälineaarisiin yhtälöihin, joita voidaan tutkia vain numeerisilla, epäsuorilla tai laadullisilla menetelmillä.

Sovelluksiin liittyvä teoreettisen ekologian osa-alue hyödyntää nimenomaisen tietokonesimulaation mahdollisuuksia ja vaihtelee yksinkertaisista moniagenttipohjaisista simulaatioista kokonaisten ekosysteemien tietokoneavusteiseen esitykseen . Siirtyminen teoreettisen ekologian ja käytännön ekosysteemien hallinnan välillä on sujuvaa .

Matemaattinen epidemiologia

Matemaattinen epidemiologia pyrkii ymmärtämään tarkasti kysymyksiä tartuntatautien leviämisen muodosta ja nopeudesta sekä suojatoimenpiteiden tehokkuudesta ja vastaamaan niihin dynaamisten järjestelmien teorian perusteella. Esimerkiksi influenssan epidemiologiaa voidaan kuvata ns. SIR-mallilla . Käytetyt yhtälöt liittyvät usein läheisesti teoreettisen ekologian yhtälöihin.

Teoreettinen neurobiologia

Kuten kokeellisessa neurobiologiassa , työtä tehdään eri integraatiotasoilla. Teoreettisen neurobiologian, joka tunnetaan myös nimellä laskennallinen neurotiede , tehtävät ulottuvat siten esimerkiksi yhden tai muutaman ionikanavan mallinnuksesta suurten hermosoluliittojen analysointiin ja simulointiin. Yksi esimerkki on tiettyjen aivotoimintojen mallintaminen, esimerkiksi päivä-yö-syklin luominen ( vuorokausirytmi ). Neuroinformatiikkaan liittyy läheisiä yhteyksiä .

Teoreettinen evoluutiobiologia

Teoreettinen evoluutiobiologia käyttää matemaattisia menetelmiä kehittyvien järjestelmien dynamiikan tutkimiseen. Klassinen teoreettinen evoluutiobiologia perustuu suurelta osin Fischerin, Wrightin ja Haldanen vaikutusvaltaisiin teoksiin . Uudempi teoreettisen evoluutiobiologian haara on evoluutiopeliteoria, jolle muun muassa John Maynard Smith loi tärkeän perustan. Kiinnostava painopiste on ns. Replikatorin dynamiikassa ja evoluutionmukaisesti vakaissa strategioissa itsensä replikoituvien järjestelmien yhteisenä abstraktiona . Toistimen dynamiikan perusyhtälöt liittyvät osittain Lotka-Volterra-järjestelmiin diffeomorfismien kautta, kuten Hofbauerin teokset osoittavat. Viime aikoina on kiinnitetty enemmän huomiota rajallisiin populaatioihin. Rajallisissa populaatioissa stokastisilla vaikutuksilla on suurempi rooli. Evoluution vakaan strategian käsite ulottui Martin A. Nowakin äärellisten populaatioiden tapaukseen.

Muita matemaattisesti suuntautuneita teoreettisen biologian aloja

kehitystä

Viime aikoina teoreettinen biologia, joka on laajentunut nopeasti angloamerikkalaisella kulttuurialueella, on ollut nousussa myös Saksassa. Tämän todistaa useiden teoreettista biologiaa käsittelevien tuolien perustaminen; tutkimusaiheiden monipuolistuminen on havaittavissa. Saksan teoreettisen biologian keskus on Berliinin Humboldtin yliopiston teoreettisen biologian instituutti, jonka historiallisesti joitain ei-matemaattisia biologian alueita on toisinaan laskettu teoreettiseksi biologiaksi.

opinnot

Teoreettinen biologia ei ole pakollista kaikissa yliopistoissa peruskurssin tai kandidaatin tutkinnon säännöllisenä aineena.

Teoreettista biologiaa voidaan tällä hetkellä opiskella biologian pääaineena mm. Berliinin Humboldtin yliopistossa ja Bonnin yliopistossa. Vaikka biologian opiskelijoiden matematiikan opetuksen tyyppiä ja laajuutta on joissakin paikoissa lisätty huomattavasti, vain pienellä osalla biologeista on edelleen tietoa, jonka avulla he voivat tutkia teoreettista biologiaa.

Useissa yliopistoissa on mahdollisuus opiskella teoreettista biologiaa osana matematiikan tutkintoa keskittyen soveltavaan matematiikkaan. Greifswaldin yliopistossa tarjouksia, Booth 2018 perustutkintoa tietenkin "biomatematiikka", kandidaatin ja maisterin ( "insinööri" ja "M.Sc") on. Lisäksi Wienin ja Oxfordin yliopistot tarjoavat erikoistumista teoreettiseen biologiaan. Wien tarjoaa maisterin tutkinnon. Osasto keskittyy kehitysbiologian kvantitatiivisiin menetelmiin korkean resoluution mikro-CT-kuvantamisen avulla sekä kehitysprosessien mallintamiseen ja teoreettiseen integrointiin.

Tohtorin aikana ja sen jälkeen voit jatkaa opintojasi lukuisissa teoreettiseen biologiaan erikoistuneissa tutkimuslaitoksissa.

kirjallisuus

  • JT Bonner: Monimutkaisuuden kehitys luonnonvalinnan keinoin. Princeton University Press, Princeton 1988.
  • J. Bammert, HJ Jesdinsky , E. Walter , C. Otto, R. Roßner: Biomatematiikka lääketieteen ammattilaisille. 3. Painos. Teubner, 1988.
  • Nicholas F.Britton: Olennainen matemaattinen biologia. Jumpperi.
  • H. Hertel: Rakenne, muoto, liike. Reinhold Publishing Corp, New York 1963.
  • M. Mangle: Erityisnumero, teoreettisen biologian klassikot. (osa 1). Julkaisussa: Bull. Math. Biol. Vol. 52, nro 1/2, 1990, s. 1-318.
  • J. Murray : Matemaattinen biologia. Jumpperi.
  • Prusinkiewicz, A. Lindenmeyer: Kasvien algoritminen kauneus. Springer-Verlag, Berliini 1990.
  • DW Thompson: Kasvusta ja muodosta. 2. painos. Cambridge University Press., Cambridge 1942. (2 osaa)
  • S. Vogel: Elämän laitteet: eläinten ja kasvien fyysinen maailma. Princeton University Press, Princeton 1988.
  • Ricard Solé, Brian Goodwin: Elämän merkit: kuinka monimutkaisuus läpäisee biologian. Peruskirjat, 2001, ISBN 0-465-01927-7 .
  • Kuinka leopardi muutti paikkojaan: monimutkaisuuden kehitys. Scribner, 1994, ISBN 0-02-544710-6 . (Saksa: leopardi, joka menettää pisteensä . Piper, München 1997, ISBN 3-492-03873-5 )
  • Gerry Webster, BC Goodwin: Muoto ja muutos: Generatiiviset ja suhteelliset periaatteet biologiassa. Cambridgen yliopisto Press, 1996, ISBN 0-521-35451-X .
  • Kwang W.Jeon, Richard J.Gordon (toim.): Mechanical Engineering of the Cytoskeleton in Developmental Biology (International Review of Cytology). Academic Press, Lontoo 1994, ISBN 0-12-364553-0 .
  • Brian Goodwin, Peter Saunders et ai. (Toimittaja): Theoretical Biology: Epigenetic and Evolutionary Order for Complex Systems. Edinburgh University Press, 1989, ISBN 0-85224-600-5 .
  • AJ Lotka: Fysikaalisen biologian elementtejä . Williams ja Wilkins, Baltimore 1925, ISBN 0-486-60346-6 .
  • AJ Lotka: Biologisten populaatioiden analyyttinen teoria. (= Plenum -sarja demografisista menetelmistä ja väestöanalyysistä ). Plenum Press, New York 1998, ISBN 0-306-45927-2 .

nettilinkit

Asiantuntijalehdet

Tutkimuslaitokset

Ammattiyhdistykset

Yksilöllisiä todisteita

  1. ^ J. Maynard Smith: Evoluutio ja peliteoria. Cambridge University Press, 1982.
  2. ↑ Greifswaldin yliopisto - Kaikki aineet aakkosjärjestyksessä (pdf; 77,5 kB; 3 sivua), 15. kesäkuuta 2018 alkaen, s. 1, käyty 28. lokakuuta 2018.
  3. ^ Teoreettisen biologian laitos, Wienin yliopisto