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E-Book

Biologie und Mathematik

AutorJürgen Jost
VerlagSpringer Spektrum
Erscheinungsjahr2019
Seitenanzahl315 Seiten
ISBN9783662594803
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis49,99 EUR

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.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort5
Danksagung11
Inhaltsverzeichnis13
1 Geschichte und Struktur der Biologie16
1.1 Klassifikation und Evolution16
1.2 Die verschiedenen Teile der Biologie21
1.3 Konzepte und Kontroversen26
2 Evolutionsbiologie44
2.1 Konzeptionelle Aspekte. Konkurrenz zwischen Individuen, Genen und Stammbäumen44
2.2 Evolutionär stabile Strategien. Konkurrenz zwischen Artgenossen55
2.3 Gruppenselektion. Konkurrenz zwischen Individuen vs. Konkurrenz zwischen Gruppen60
2.4 Der Kampf der Geschlechter. Konkurrenz zwischen Fortpflanzungsstrategien66
2.5 Das Wechselspiel zwischen Lebewesen und ihrer Umwelt. Konkurrenz mit dem Rest der Welt74
2.6 Evolutionäre und genetische Algorithmen76
2.7 Populationsgenetik und statistische Gesetzmäßigkeiten83
2.8 Das komplexe Wirkgefüge verschiedener Faktoren93
2.9 Stammbäume97
2.10 Erblichkeit und Merkmale107
3 Molekularbiologie und genetische Steuerung117
3.1 Biochemische Grundlagen117
3.2 Genetische Grundgesetze121
3.3 Molekularbiologische Aspekte des Genbegriffs126
3.4 Genotyp und Phänotyp neutrale Becken. Das Beispiel der sekundären RNS-Strukturen131
3.5 Gegenreihung und Homologie139
3.6 Die Entstehung des Lebens142
4 Zellbiologie149
4.1 Biochemische Kinetik149
4.2 Metabolische Flüsse154
4.3 Verschiedene Zeitskalen157
4.4 Regulations- und Steuerungsnetzwerke160
5 Physiologie164
5.1 Das Neuronenmodell von Hodgkin und Huxley165
5.2 Das FitzHugh-Nagumo-System als Vereinfachung des Hodgkin-Huxley-Systems170
5.3 Das Immunsystem176
5.4 Sinnesphysiologie181
5.5 Die Koordination biologischer Rhythmen183
6 Entwicklungsbiologie und Musterbildung185
6.1 Der Turingmechanismus186
6.2 Phasenübergänge und Bifurkationen188
6.3 Natur und Umwelt189
7 Ethologie (Verhaltensforschung)193
7.1 Chemotaxis195
7.2 Schwarmbildung196
7.3 Kollektive Intelligenz199
8 Ökologie201
8.1 Interagierende Populationen und gekoppelte Differentialgleichungen201
8.2 Modelle mit diskreter Zeit205
8.3 Modelle mit diskreten Agenten206
8.4 Symbiosen207
8.5 Soziale Insekten208
8.6 Systemtheoretische Perspektiven210
9 Neurobiologie und Kognitionstheorie neuronale Netze als Modelle der Kognition und als maschinelle Lernverfahren215
9.1 Neuronale Netze als komplexe Systeme215
9.2 Neuronale Netze223
9.3 Stochastische Prozesse229
9.4 Neuronales Lernen232
9.5 Die Feuermuster von Neuronen244
10 Die Perspektive der Systembiologie253
10.1 Moleküle und Daten254
10.2 Netzwerke256
10.3 Das Connectom: Das Netzwerk des Gehirns269
10.4 Evolution und Kontrolle271
11 Zusammenfassung und Ausblick276
Literatur283
Stichwortverzeichnis302

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