Interdisziplinäre Gruppe Theoretische Biologie
am Botanischen Institut der Universität Bonn

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Unsere Arbeitsgruppe

ist interdisziplinär und besteht in ihrem Kern derzeit aus einem Biologie-Studenten, drei Biologie-Diplomanden, drei Diplom-Biologen und einem Diplom-Mathematiker als Doktoranden der Theoretischen Biologie, drei promovierten Mitarbeitern, nämlich zwei Physikern und einem Biologen, sowie einem in Angewandter Mathematik habilitierten Professor der Theoretischen Biologie. [mehr ...]

Unser aktuelles Beispiel

Unser aktuelles Beispiel zeigt ein einfaches Modell für die Interaktion von Aktin-Filamenten mit Hilfe eines auf Newtonscher Dynamik basierenden Partikelsystems. Die Partikel, simuliert durch Knotenpunkte, welche durch starre Stäbe verbunden sind, interagieren miteinander durch eine abstandsabhängige Anziehungskraft (Fa) welche ihre ansonsten zufällige Brownsche Bewegung beeinflusst. Diese Bewegung wird dadurch erzeugt, daß in jedem Zeitschritt (10 ms Echzteit) eine zufällig orientierte Kraft auf jeden Partikel einwirkt. Hookesche Federn zwischen Paaren von Knoten erhalten die Länge des Filamentes, während Biegekräfte (Fb) dafür sorgen, daß das semiflexible, stabähnliche Objekt nach jeder Verformung zu seiner Ausgangskonfiguration zurückkehrt. [mehr ...]

Was ist Theoretische Biologie?

Der Theoretischen Biologie geht es um die Aufdeckung von allgemeinen Prinzipien in der schillernden Biologischen Vielfalt. Theoretische Biologie ist der ursprüngliche und umfassendere Begriff, aber andere Namen wie z.B. Systembiologie und Integrative Biologie, sowie Bioinformatik, werden ebenfalls benutzt, insbesondere, wenn spezielle Anwendungsgebiete im Vordergrund stehen. Theoretische Biologie ist naturgemäß interdisziplinär und mit vielen verwandten Gebieten verwoben, wie z.B. Künstliches Leben, Komplexe Adaptive Systeme, Mathematische Modellierung, Kybernetik, Informatik, und so weiter. [mehr ...]

Studium und Lehre

In unserer Abteilung bieten wir drei Studiengänge im Haupt- und Aufbaustudium an:

• Mathematik-Diplom mit Schwerpunkt in der Angewandten Mathematik (insbesondere Stochastische Prozesse und Partielle Differentialgleichungensmodelle für biologische Systeme)
• Biologie-Diplom mit Hauptfach Theoretische Biologie (unter Berücksichtigung eines ausgewählten experimentellen Fachs wie etwa Zellbiologie, Mikrobiologie, Botanik oder Zoologie)
• Promotion zum Dr. rer. nat. mit Hauptfach Theoretische Biologie

Neben der Mathematik-Grundausbildung von Biologie-Studierenden (zusammen mit dem Institut für Angewandte Mathematik) mit dem Angebot eines Rechner-Statistik-Praktikums und eines Simulations-'Studios' im Grundstudium konzentriert sich das Lehrangebot im Haupt- und Aufbaustudium auf Seminare über diverse Themen der Theoretischen Biologie wie z.B. Musterbildung und Morphogenese, Spieltheorie und Evolution, Polymer-Dynamik, Schwarm-Dynamik und Vielteilchen-Systeme und Block-Praktika über Zelluläre Bewegung, Modellgestützte statistische Datenanalyse, Modelle in der Mikrobiologie, und Modelle in der Ökologie.
Außerdem findet ein regelmäßiges Biomathematisches Kolloquium mit eingeladenen Gästen zu aktuellen Fragen der Theoretischen Biologie, Biophysik und Bioinformatik statt. [mehr ...]

Mit dem Rechner-Statistik-Praktikum für das Grundstudium beteiligen wir uns am Projekt Studienreform 2000+ der Universität Bonn auf der Suche nach neuen und verbesserten Formen in Studium und Lehre. Einzelheiten, auch für die Studierenden in dieser Veranstaltung, finden sich auf der zugehörigen Seite.

Forschungsthemen

Unsere Forschungsarbeiten zielen auf ein generelles Schwerpunktthema: Modellierung, Simulation und Datenanalyse von interaktiver räumlicher Dynamik, bei biologischen Phänomenen der Bewegung, des Wachstums und der Evolution.

Hierbei untersuchen wir mit Hilfe von stochastischen Vielteilchenmodellen oder kontinuierlichen Differentialgleichungssystemen, mit adaptiven Methoden der 2-dimensionalen Bildverarbeitung und statistischer Analyse zur Zeit folgende Themenbereiche:

• Zelluläre Bewegung: die Dynamik molekularer Motoren (etwa Kinesin), cytoplasmatischer Polymer-Netzwerke (etwa von Aktin-Filamenten), Zell-Adhäsion und -Migration, Zellform-Dynamik sowie die Bewegung in Zellverbänden (etwa bei Monolayern von epidermalen Keratinozyten)
• Suchverhalten und Schwarmdynamik: die Perzeption, motorische Steuerung und Ausbildung von Suchstrategien bei der Chemotaxis (etwa von Braunalgen-Gameten) oder bei der Rückorientierung zur Wohnhöhle (von Wüsten-Arthropoden) sowie die Interaktionsdynamik bei der Formation von Zellschwärmen (etwa Myxobakterien) oder Vogel-Schwärmen (insbesondere bei Zugvögeln)
• Biologische Oberflächen und Biofilme: Die von elastischen, Reibungs- und Zufallskräften getriebene Dynamik der Lipid-Surfactant-Schicht auf Lungenbläschen (Alveolen), die durch Reduktion der Oberflächenspannung stabilisiert werden.
  Individuen-basierte Modellierung des Wachstums von Mikroorganismen in Kolonien, Biofilmen, Eiern, etc. Struktur <-> Funktionsbeziehungen, Einfluß der extrazellulären Matrix, modulare Organisation, Kooperation und Konkurrenz.
• Evolutionäre Dynamik: Die theoretische Grundlage der Aufspaltung einer Population in voneinander isolierte Untergruppen und schließlich die Herausbildung neuer Arten (Speziation), insbesondere die Bedeutung eines ausgedehnten und heterogenen Lebensraums für diesen Vorgang.
  Sparsame Ressourcen-Nutzung als altruistisches Verhalten in Biofilmen.

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