Biologie théorique

Trajectoires spatiales des phases d' un système prédateur-proie. L'une des premières matières mathématiques en biologie théorique.

La biologie théorique a développé des modèles formels pour décrire les phénomènes biologiques . Pour ce faire, elle utilise des méthodes issues notamment des mathématiques . Des modèles et des théories sont développés pour décrire la structure et la dynamique des systèmes vivants. De nombreuses découvertes fondamentales en biologie , telles que la description de stratégies évolutivement stables ou les équations du réplicateur , proviennent de la biologie théorique. Dans son orientation purement mathématique, la biologie théorique est aussi appelée biomathématiques et est un sous-domaine des mathématiques appliquées .

histoire

1920 Premiers travaux de référence sur la biologie théorique pré-mathématique

L'idée d'une biologie théorique s'est développée vers 1900. Le terme de biologie théorique est apparu pour la première fois à un point central en 1901 dans le titre du livre Introduction to Theoretical Biology de Johannes Reinke . Dans la tradition qui s'est développée à partir de là, la tâche de la biologie théorique était considérée moins dans la mathématisation des théories biologiques que comme un fondement conceptuel de la biologie. À ce moment-là, la biologie en tant que discipline commençait tout juste à se former et la théorie des nombreuses disciplines individuelles différentes était confuse et largement contradictoire. Au 19e siècle, on espérait encore que la théorie de l'évolution de Darwin pourrait se charger de jeter les bases de la biologie. Mais le darwinisme a traversé une crise profonde vers 1900.

À la suite de Reinke, de nombreuses publications ont été publiées par des auteurs qui traitent de problèmes théoriques et philosophiques en biologie. Jakob Johann von Uexküll et Julius Schaxel doivent être mentionnés comme étant au centre de cette première phase de la biologie théorique . Tous deux ont travaillé avec le terme biologie théorique. Alors qu'Uexküll souhaitait développer son propre nouveau concept de biologie, Schaxel tentait d' attirer l'attention sur les problèmes théoriques de la biologie avec son livre Basics of Theory Formation in Biology de 1919 et la série d' articles sur la biologie théorique fondée la même année et de fournir un forum de traitement pour établir ces problèmes. D'autres représentants importants de la biologie théorique étaient Max Hartmann et Ludwig von Bertalanffy .

Le sens actuel du terme biologie théorique en tant que biologie avec des moyens mathématiques s'est développé relativement tard: les premiers protagonistes de la biologie théorique mathématiquement comprise étaient le mathématicien Alfred J. Lotka et le physicien Vito Volterra , qui à cette époque étaient des systèmes indépendants d'équations différentielles ordinaires décrire la dynamique des populations. Mais ce n'est que pendant et après la Seconde Guerre mondiale qu'une large tradition mathématique s'est développée en biologie théorique. L'influence des biologistes de Russie, où le lien entre les mathématiques et la biologie avait une plus longue tradition et était plus répandu, a également joué un rôle majeur ici. La génétique des populations en particulier était un domaine important ici. Des biologistes tels que Theodosius Dobzhansky , Ronald Fisher , Sewall Wright et John Burdon Sanderson Haldane , qui figuraient également parmi les figures centrales de la théorie synthétique de l'évolution , ont fait ici un important travail de pionnier. En 1948, Nicolas Rashevsky a créé le premier cours d'études supérieures au monde en biologie mathématique . De 1952 à 1954, Alan Turing a jeté les bases de la mathématisation de la biologie du développement avec des résultats marquants sur la formation de motifs dans les systèmes biologiques, en particulier le mécanisme de Turing qui porte son nom .

Aujourd'hui, cependant, le programme original de biologie théorique comme philosophie de la biologie connaît également un nouvel essor.

Zones

De vastes domaines de la biologie théorique utilisent des méthodes mathématiques du domaine des systèmes dynamiques pour modéliser les relations biologiques. Il existe une certaine relation entre certaines parties de la biologie théorique et les domaines de l' informatique théorique et de la bio - informatique . Dans ces derniers domaines, les outils des mathématiques discrètes sont principalement utilisés.

Les domaines de la biologie théorique comprennent :

Écologie théorique

Ici, entre autres, des tentatives sont faites pour faire des déclarations sur la dynamique des populations et des biocénoses . Les relations prédateur-proie présentes dans presque toutes les structures d' interaction écologique s'avèrent fondamentales . Dans la formulation mathématique des modèles prédateurs-proies , qui a été entreprise pour la première fois dans les années 1920 par Lotka et Volterra, les équations différentielles conventionnelles (par exemple les équations de Lotka-Volterra ) et les équations aux différences sont traditionnellement utilisées . Une difficulté réside dans le fait que de nombreuses relations biologiques conduisent naturellement à des équations non linéaires qui ne peuvent être étudiées qu'à l'aide de méthodes numériques, indirectes ou qualitatives.

Un sous-domaine de l'écologie théorique plus lié aux applications utilise les possibilités de la simulation informatique explicite et va des simples simulations multi-agents à la représentation assistée par ordinateur d' écosystèmes entiers . Il y a une transition en douceur entre l'écologie théorique et la gestion pratique des écosystèmes .

Épidémiologie mathématique

L' épidémiologie mathématique essaie de saisir exactement les questions sur la forme et la vitesse de propagation des maladies infectieuses, ainsi que sur l'efficacité des mesures de protection et d'y répondre sur la base de la théorie des systèmes dynamiques. Par exemple, le modèle SIR peut être utilisé pour décrire l'épidémiologie de la grippe . Les équations utilisées sont souvent étroitement liées aux équations de l'écologie théorique.

Neurobiologie théorique

Comme en neurobiologie expérimentale , des travaux sont menés à différents niveaux d'intégration. Les tâches de la neurobiologie théorique, également appelées neurosciences computationnelles , s'étendent ainsi, par exemple, de la modélisation d'un ou de quelques canaux ioniques à l'analyse et à la simulation de grandes associations neuronales. Un exemple est la modélisation de certaines fonctions cérébrales, par exemple la génération du cycle jour-nuit ( rythme circadien ). Il existe des liens étroits avec la neuroinformatique .

Biologie évolutive théorique

La biologie évolutive théorique utilise des méthodes mathématiques pour étudier la dynamique des systèmes en évolution. La biologie évolutive théorique classique est basée en grande partie sur les travaux influents de Fischer, Wright et Haldane . Une branche plus récente de la biologie évolutionnaire théorique est la théorie des jeux évolutionnaires, pour laquelle John Maynard Smith, entre autres, a jeté des bases importantes. Le centre d'intérêt est sur la soi-disant dynamique de réplicateur et les stratégies évolutivement stables en tant qu'abstraction commune des systèmes d' auto-réplication . Les équations de base de la dynamique du réplicateur sont en partie liées aux systèmes Lotka-Volterra via des difféomorphismes, comme le montrent les travaux de Hofbauer. Ces derniers temps, l'accent a été mis davantage sur les populations finies. Dans les populations finies, les effets stochastiques jouent un rôle plus important. Le concept de stratégie évolutivement stable a été étendu au cas des populations finies par Martin A. Nowak .

Autres domaines de biologie théorique à orientation mathématique

développement

Plus récemment, la biologie théorique, qui s'est rapidement développée dans l'aire culturelle anglo-américaine, s'est également développée en Allemagne. La création de plusieurs chaires de biologie théorique en témoigne ; une diversification des thèmes de recherche peut être observée. L'Institut de biologie théorique de l' Université Humboldt de Berlin est un centre de biologie théorique en Allemagne.Historiquement , certains domaines non mathématiques de la biologie ont parfois été considérés comme de la biologie théorique.

études

La biologie théorique n'est pas obligatoire dans toutes les universités en tant que matière régulière du cours de base ou du baccalauréat.

La biologie théorique peut actuellement être étudiée en tant que majeure en biologie à l'Université Humboldt de Berlin et à l'Université de Bonn, entre autres. Bien que le type et la portée de l'enseignement des mathématiques pour les étudiants en biologie aient été considérablement augmentés dans certains endroits, seule une faible proportion de biologistes possède encore des connaissances leur permettant de faire des recherches en biologie théorique.

Dans plusieurs universités, il est possible d'étudier la biologie théorique dans le cadre d'un diplôme de mathématiques avec une spécialisation en mathématiques appliquées. L' Université de Greifswald propose, Stand 2018, le cours de premier cycle "biomathématiques", Bachelor of Science et Master of Science ("B.Sc." et "M.Sc") à. En outre, les universités de Vienne et d'Oxford, entre autres, proposent une spécialisation en biologie théorique. Vienne propose un master. Le département se concentre sur les méthodes quantitatives en biologie du développement à l'aide de l'imagerie micro-CT à haute résolution, ainsi que sur la modélisation et l'intégration théorique des processus de développement.

Pendant et après votre doctorat, vous pouvez poursuivre vos études dans de nombreux instituts de recherche spécialisés en biologie théorique.

Littérature

  • JT Bonner : L'évolution de la complexité au moyen de la sélection naturelle. Princeton University Press, Princeton 1988.
  • J. Bammert, HJ Jesdinsky , E. Walter , C. Otto, R. Roßner : Biomathématiques pour les professionnels de la santé. 3. Édition. Teubner, 1988.
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  • H. Hertel : Structure, Forme, Mouvement. Reinhold Publishing Corp, New York 1963.
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  • J. Murray : Biologie Mathématique. Sauteur.
  • P. Prusinkiewicz, A. Lindenmeyer : La beauté algorithmique des plantes. Springer-Verlag, Berlin 1990.
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  • S. Vogel : Les appareils de la vie : le monde physique des animaux et des plantes. Princeton University Press, Princeton 1988.
  • Ricard Solé, Brian Goodwin : Signes de vie : comment la complexité imprègne la biologie. Livres de base, 2001, ISBN 0-465-01927-7 .
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  • Gerry Webster, BC Goodwin : Forme et transformation : principes génératifs et relationnels en biologie. Université de Cambridge. Presse, 1996, ISBN 0-521-35451-X .
  • Kwang W. Jeon, Richard J. Gordon (Eds.): Génie mécanique du cytosquelette en biologie du développement (Revue internationale de cytologie). Academic Press, Londres 1994, ISBN 0-12-364553-0 .
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  • AJ Lotka : Éléments de biologie physique . Williams et Wilkins, Baltimore 1925, ISBN 0-486-60346-6 .
  • AJ Lotka : Théorie analytique des populations biologiques. (= The Plenum Series on Demographic Methods and Population Analysis ). Plenum Press, New York 1998, ISBN 0-306-45927-2 .

liens web

Revues spécialisées

Institutions de recherche

Sociétés professionnelles

Preuve individuelle

  1. ^ J. Maynard Smith : Évolution et théorie des jeux. Cambridge University Press, 1982.
  2. ↑ Université de Greifswald - Toutes les matières par ordre alphabétique (pdf; 77,5 ko; 3 pages), au 15 juin 2018, p. 1, consulté le 28 octobre 2018.
  3. ^ Département de biologie théorique, Université de Vienne