Teoretická biologie

Fázové vesmírné trajektorie systému dravec-kořist. Jeden z prvních matematických předmětů v teoretické biologii.

Teoretická biologie vyvinula formální modely pro popis biologických jevů . K tomu používá zejména metody z matematiky . Modely a teorie jsou vyvinuty k popisu struktury a dynamiky živých systémů. Mnoho zásadních poznatků v biologii , jako je popis evolučně stabilních strategií nebo rovnic replikátorů , pochází z teoretické biologie. Ve své čistě matematické orientaci se teoretická biologie také nazývá biomatematika a je podoblastí aplikované matematiky .

příběh

1920 Počáteční standardní práce z předmatematické teoretické biologie

Myšlenka teoretické biologie se vyvinula kolem roku 1900. Termín teoretická biologie se poprvé objevil v ústředním bodě v roce 1901 v názvu knihy Úvod do teoretické biologie od Johannesa Reinkeho . V tradici, která se z toho vyvinula, byl úkol teoretické biologie vnímán méně v matematizaci biologických teorií než jako koncepční základ pro biologii. V tomto okamžiku se biologie jako disciplína teprve začala formovat a teorie mnoha různých jednotlivých oborů byla matoucí a do značné míry rozporuplná. V 19. století se stále doufalo, že Darwinova evoluční teorie by mohla převzít úkol položit základy biologie. Ale darwinismus prošel kolem roku 1900 hlubokou krizí.

Po Reinke byly publikovány četné publikace autorů, kteří se zabývají teoretickými a filozofickými problémy v biologii. Jakob Johann von Uexküll a Julius Schaxel by měli být zmíněni jako ústřední v této rané fázi teoretické biologie . Oba pracovali s pojmem teoretická biologie. Zatímco Uexküll chtěl vyvinout svůj vlastní nový koncept biologie, Schaxel se pokusil upozornit na teoretické problémy biologie svou knihou Základy formování teorie v biologii z roku 1919 a sérií prací o teoretické biologii založených ve stejném roce a poskytnout fórum pro zpracování k určení těchto problémů. Dalšími významnými představiteli teoretické biologie byli Max Hartmann a Ludwig von Bertalanffy .

Současný význam pojmu teoretická biologie jako biologie s matematickými prostředky se vyvinul relativně pozdě: Prvními protagonisty matematicky chápané teoretické biologie byli matematik Alfred J. Lotka a fyzik Vito Volterra , kteří v té době byli nezávislými systémy obyčejných diferenciálních rovnic popisující dynamiku populací. Teprve během druhé světové války a po ní se v teoretické biologii vyvinula široká tradice zaměřená na matematiku. Velkou roli zde také hrál vliv biologů z Ruska, kde mělo spojení matematiky a biologie delší tradici a bylo rozšířenější. Důležitou oblastí zde byla zejména populační genetika . Významnou průkopnickou práci zde odvedli biologové jako Theodosius Dobzhansky , Ronald Fisher , Sewall Wright a John Burdon Sanderson Haldane , kteří rovněž patřili k ústředním postavám syntetické evoluční teorie . V roce 1948 založil Nicolas Rashevsky první postgraduální kurz matematické biologie na světě . Od roku 1952 do roku 1954 položil Alan Turing základ pro matematizaci vývojové biologie s epochálními výsledky tvorby obrazců v biologických systémech, zejména po něm pojmenovaném Turingově mechanismu .

Dnes však původní program teoretické biologie jako filozofie biologie zažívá také nový vzestup.

Oblasti

Velké oblasti teoretické biologie používají k modelování biologických vztahů matematické metody z oblasti dynamických systémů . V částech teoretické biologie existuje určitý vztah k předmětným oblastem teoretické informatiky a bioinformatiky . V těchto posledních oblastech se používají hlavně nástroje z diskrétní matematiky.

Mezi oblasti teoretické biologie patří:

Teoretická ekologie

Zde se mimo jiné pokouší učinit prohlášení o dynamice populací a biocenóz . Vztahy dravec-kořist přítomné téměř v každé struktuře ekologických interakcí se ukazují jako zásadní . V matematické formulaci modelů dravec-kořist , která byla poprvé provedena ve dvacátých letech minulého století Lotkou a Volterrou, se tradičně používají konvenční diferenciální rovnice (např. Lotka-Volterrovy rovnice ) a diferenciální rovnice . Jeden problém spočívá ve skutečnosti, že mnoho biologických vztahů přirozeně vede k nelineárním rovnicím, které lze zkoumat pouze pomocí numerických, nepřímých nebo kvalitativních metod.

Podobnější oblast teoretické ekologie související s aplikacemi využívá možností explicitní počítačové simulace a sahá od jednoduchých simulací založených na více agentech až po počítačem podporovanou reprezentaci celých ekosystémů . Mezi teoretickou ekologií a praktickým řízením ekosystému existuje hladký přechod .

Matematická epidemiologie

Matematická epidemiologie se pokouší přesně uchopit otázky týkající se formy a rychlosti šíření infekčních nemocí a účinnosti ochranných opatření a odpovědět na ně na základě teorie dynamických systémů. Například k popisu epidemiologie chřipky lze použít takzvaný model SIR . Použité rovnice často úzce souvisí s rovnicemi teoretické ekologie.

Teoretická neurobiologie

Stejně jako v experimentální neurobiologii se pracuje na různých úrovních integrace. Úkoly teoretické neurobiologie, známé také jako výpočetní neurověda , se tedy rozšiřují například od modelování jednoho nebo několika iontových kanálů až po analýzu a simulaci velkých neuronálních asociací. Jedním z příkladů je modelování určitých mozkových funkcí, například generování cyklu den-noc ( cirkadiánní rytmus ). K neuroinformatice existuje několik úzkých vazeb .

Teoretická evoluční biologie

Teoretická evoluční biologie využívá matematické metody ke zkoumání dynamiky vyvíjejících se systémů. Klasická teoretická evoluční biologie je z velké části založena na vlivném díle Fischera, Wrighta a Haldana . Novější oblastí teoretické evoluční biologie je evoluční teorie her, pro kterou mimo jiné položil důležité základy John Maynard Smith . Těžiště zájmu je v takzvané dynamice replikátorů a evolučně stabilních strategiích jako společné abstrakci samoreplikačních systémů . Jak ukazují práce Hofbauera, základní rovnice dynamiky replikátorů částečně souvisejí se systémy Lotka-Volterra prostřednictvím diffeomorphismů. V poslední době se více zaměřuje na konečné populace. V konečných populacích hrají větší roli stochastické efekty. Koncept evolučně stabilní strategie rozšířil Martin A. Nowak na případ konečných populací.

Další matematicky orientované obory teoretické biologie

rozvoj

V poslední době je v Německu na vzestupu také teoretická biologie, která se v angloamerické kulturní oblasti rychle rozšiřuje. Svědčí o tom zřízení několika židlí pro teoretickou biologii; lze pozorovat diverzifikaci témat výzkumu. Centrem teoretické biologie v Německu je Ústav pro teoretickou biologii na Humboldtově univerzitě v Berlíně .. Historicky byly některé teoretické biologie příležitostně počítány s některými nematematickými oblastmi biologie.

studie

Teoretická biologie není povinná na všech univerzitách jako běžný předmět základního kurzu nebo bakalářského titulu.

Teoretickou biologii lze v současné době mimo jiné studovat jako biologický obor na Humboldtově univerzitě v Berlíně a na univerzitě v Bonnu. Přestože se typ a rozsah matematického vzdělávání pro studenty biologie na některých místech značně zvýšil, jen malá část biologů má stále znalosti, které jim umožňují zkoumat teoretickou biologii.

Na několika univerzitách existuje možnost studovat teoretickou biologii jako součást matematického titulu se zaměřením na aplikovanou matematiku. The University of Greifswald offers, Booth 2018, the pregraduate course "biomathematics", Bachelor of Science and Master of Science ("B.Sc." and "M.Sc") to. Univerzity ve Vídni a Oxfordu navíc nabízejí mimo jiné specializaci v teoretické biologii. Vídeň nabízí magisterský titul. Katedra se zaměřuje na kvantitativní metody ve vývojové biologii pomocí mikro-CT zobrazování s vysokým rozlišením, dále modelování a teoretickou integraci vývojových procesů.

Během doktorátu a po něm můžete pokračovat ve studiu na mnoha výzkumných ústavech, které se specializují na teoretickou biologii.

literatura

  • JT Bonner: Evoluce složitosti prostředky přírodního výběru. Princeton University Press, Princeton 1988.
  • J. Bammert, HJ Jesdinsky , E. Walter , C. Otto, R. Roßner: Biomathematics for medical professional. 3. Edice. Teubner, 1988.
  • Nicholas F. Britton: Essential Mathematical Biology. Skokan.
  • H. Hertel: Struktura, forma, pohyb. Reinhold Publishing Corp, New York 1963.
  • M. Mangle: Zvláštní vydání, klasika teoretické biologie. (část 1). In: Bull. Math. Biol. Sv. 52, č. 1/2, 1990, s. 1-318.
  • J. Murray : Matematická biologie. Skokan.
  • P. Prusinkiewicz, A. Lindenmeyer: Algoritmická krása rostlin. Springer-Verlag, Berlín 1990.
  • DW Thompson: O růstu a formě. 2. vydání. Cambridge University Press., Cambridge 1942. (2 svazky)
  • S. Vogel: Životní zařízení: Fyzický svět zvířat a rostlin. Princeton University Press, Princeton 1988.
  • Ricard Solé, Brian Goodwin: Známky života: Jak složitost prostupuje biologii. Základní knihy, 2001, ISBN 0-465-01927-7 .
  • Jak leopard změnil svá místa: Evoluce složitosti. Scribner, 1994, ISBN 0-02-544710-6 . (Němec: Leopard, který ztrácí svá místa. Piper, Mnichov 1997, ISBN 3-492-03873-5 )
  • Gerry Webster, BC Goodwin: Forma a transformace: generativní a relační principy v biologii. Cambridge Univ. Press, 1996, ISBN 0-521-35451-X .
  • Kwang W. Jeon, Richard J. Gordon (Eds.): Mechanical Engineering of the Cytoskeleton in Developmental Biology (International Review of Cytology). Academic Press, London 1994, ISBN 0-12-364553-0 .
  • Brian Goodwin, Peter Saunders a kol. (Eds.): Theoretical Biology: Epigenetic and Evolutionary Order for Complex Systems. Edinburgh University Press, 1989, ISBN 0-85224-600-5 .
  • AJ Lotka: Elements of Physical Biology . Williams a Wilkins, Baltimore 1925, ISBN 0-486-60346-6 .
  • AJ Lotka: Analytická teorie biologických populací. (= Plenum Series o demografických metodách a populační analýze ). Plenum Press, New York 1998, ISBN 0-306-45927-2 .

webové odkazy

Odborné časopisy

Výzkumné instituce

Profesní společnosti

Individuální důkazy

  1. ^ J. Maynard Smith: Evoluce a teorie her. Cambridge University Press, 1982.
  2. ↑ University of Greifswald - Všechny předměty v abecedním pořadí (pdf; 77,5 kB; 3 strany), k 15. červnu 2018, s. 1, přístup 28. října 2018.
  3. ^ Katedra teoretické biologie, Vídeňská univerzita