Biologie und Mathematik (eBook)

Jürgen Jost (Autor)

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2019 | 1. Aufl. 2019
XV, 306 Seiten
Springer Berlin Heidelberg (Verlag)
978-3-662-59480-3 (ISBN)

Infos

Mit ihrer Vielzahl von erstaunlichen Phänomenen und ihrer komplexen Verwobenheit unterschiedlichster Skalen ist die Biologie die reichhaltigste aller Naturwissenschaften. Sie hat in den letzten Jahrzehnten die eindrucksvollsten Fortschritte erzielt. Aber Biologie und Mathematik sind sich traditionell fremd. Dabei kann die Mathematik die Biologie in vielfältiger Weise bereichern und unterstützen, von der logischen Klärung der Grundbegriffe über die formale Modellierung biologischer Strukturen und Prozesse bis zur systematischen Analyse riesiger Datenmengen. Für die Mathematik gibt es nicht nur eine Menge neuer Anwendungsmöglichkeiten, sondern auch großartige Chancen und Herausforderungen für die Entwicklung neuer Theorien und Methoden.

Souverän, kritisch und humorvoll entfaltet Jürgen Jost in diesem Buch das Panorama der modernen Biologie und lotet die Möglichkeiten für die Mathematik aus. Dabei tritt fast das gesamte Spektrum der Teilgebiete der Mathematik auf.

Jürgen Jost studierte von 1975 bis 1980 Mathematik, Physik, Volkswirtschaftslehre und Philosophie an der Universität Bonn. Er promovierte 1980 in der Mathematik und wurde nach verschiedenen internationalen Forschungsaufenthalten 1984 als Professor für Mathematik an die Ruhruniversität Bochum und 1996 als Direktor an das neu zu gründende Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften in Leipzig berufen. Er ist auch Honorarprofessor an  der Universität  Leipzig  und externes Fakultätsmitglied des Santa Fe Institute for the Sciences of Complexity in den USA. 1993 erhielt er den Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis der DFG und 2010 einen Advanced Grant des European Research Council. Er ist Autor von mehr als 20 Forschungsmonographien und Lehrbüchern und von über 400 wissenschaftlichen Fachpublikationen. In seinen Forschungen verbindet er eine Vielzahl von mathematischen Disziplinen und Methoden mit einer allgemeinen Theorie komplexer Systeme und vielfältigen Anwendungen in der mathematischen und theoretischen Biologie und Neurobiologie.

Inhalt

Vorwort 5
Danksagung 11
Inhaltsverzeichnis 13
1 Geschichte und Struktur der Biologie 16
1.1 Klassifikation und Evolution 16
1.2 Die verschiedenen Teile der Biologie 21
1.3 Konzepte und Kontroversen 26
2 Evolutionsbiologie 44
2.1 Konzeptionelle Aspekte. Konkurrenz zwischen Individuen, Genen und Stammbäumen 44
2.2 Evolutionär stabile Strategien. Konkurrenz zwischen Artgenossen 55
2.3 Gruppenselektion. Konkurrenz zwischen Individuen vs. Konkurrenz zwischen Gruppen 60
2.4 Der Kampf der Geschlechter. Konkurrenz zwischen Fortpflanzungsstrategien 66
2.5 Das Wechselspiel zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt. Konkurrenz mit dem Rest der Welt 74
2.6 Evolutionäre und genetische Algorithmen 76
2.7 Populationsgenetik und statistische Gesetzmäßigkeiten 83
2.8 Das komplexe Wirkgefüge verschiedener Faktoren 93
2.9 Stammbäume 97
2.10 Erblichkeit und Merkmale 107
3 Molekularbiologie und genetische Steuerung 117
3.1 Biochemische Grundlagen 117
3.2 Genetische Grundgesetze 121
3.3 Molekularbiologische Aspekte des Genbegriffs 126
3.4 Genotyp und Phänotyp neutrale Becken. Das Beispiel der sekundären RNS-Strukturen
3.5 Gegenreihung und Homologie 139
3.6 Die Entstehung des Lebens 142
4 Zellbiologie 149
4.1 Biochemische Kinetik 149
4.2 Metabolische Flüsse 154
4.3 Verschiedene Zeitskalen 157
4.4 Regulations- und Steuerungsnetzwerke 160
5 Physiologie 164
5.1 Das Neuronenmodell von Hodgkin und Huxley 165
5.2 Das FitzHugh-Nagumo-System als Vereinfachung des Hodgkin-Huxley-Systems 170
5.3 Das Immunsystem 176
5.4 Sinnesphysiologie 181
5.5 Die Koordination biologischer Rhythmen 183
6 Entwicklungsbiologie und Musterbildung 185
6.1 Der Turingmechanismus 186
6.2 Phasenübergänge und Bifurkationen 188
6.3 Natur und Umwelt 189
7 Ethologie (Verhaltensforschung) 193
7.1 Chemotaxis 195
7.2 Schwarmbildung 196
7.3 Kollektive Intelligenz 199
8 Ökologie 201
8.1 Interagierende Populationen und gekoppelte Differentialgleichungen 201
8.2 Modelle mit diskreter Zeit 205
8.3 Modelle mit diskreten Agenten 206
8.4 Symbiosen 207
8.5 Soziale Insekten 208
8.6 Systemtheoretische Perspektiven 210
9 Neurobiologie und Kognitionstheorie neuronale Netze als Modelle der Kognition und als maschinelle Lernverfahren
9.1 Neuronale Netze als komplexe Systeme 215
9.2 Neuronale Netze 223
9.3 Stochastische Prozesse 229
9.4 Neuronales Lernen 232
9.5 Die Feuermuster von Neuronen 244
10 Die Perspektive der Systembiologie 253
10.1 Moleküle und Daten 254
10.2 Netzwerke 256
10.3 Das Connectom: Das Netzwerk des Gehirns 269
10.4 Evolution und Kontrolle 271
11 Zusammenfassung und Ausblick 276
Literatur 283
Stichwortverzeichnis 302

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 29.8.2019
• Zusatzinfo: XV, 306 S. 31 Abb., 4 Abb. in Farbe.
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Mathematik / Informatik ► Mathematik
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Biologie
• Schlagworte: Entwicklungsbiologie • Ethologie • Evolutionsbiologie • Grundlegende Fragen der Biologie • mathematische Methoden • Molekularbiologie • Neurobiologie • Ökologie • Physiologie • Systembiologie • Transfer Mathematik und Biologie • Zellbiologie
• ISBN-10: 3-662-59480-3 / 3662594803
• ISBN-13: 978-3-662-59480-3 / 9783662594803