Брайан Гудвин - Brian Goodwin

Брайан Гудвин в 1992 году

Брайан Кэри Гудвин (25 марта 1931 г. - 15 июля 2009 г.) Канадский математик и биолог, заслуженный профессор Открытый университет и основатель теоретическая биология и биоматематика. Он ввел использование сложных систем и генеративных моделей в биология развития. Он предложил редукционист взгляд на природу не в состоянии объяснить сложные функции, спорно, ПРЕДУСМАТРИВАЮЩИХ структуралист теория, что морфогенетические поля может заменить естественный отбор в вождении эволюция.^[1] Он также был видным членом Третья культура движение.^[2]

биография

Брайан Гудвин родился в Монреаль, Квебек, Канада в 1931 году. Изучал биологию в Университет Макгилла а затем эмигрировал в Великобритания, под Стипендия Родса для изучения математики в Оксфорде. Он получил докторскую степень в Эдинбургский университет под присмотром Конрад Хэл Уоддингтон. Затем он переехал в Сассексский университет до 1983 года, когда он стал полным профессор на Открытый университет в Милтон Кейнс до выхода на пенсию в 1992 году. Он стал важной фигурой в раннем развитии математическая биология, наряду с другими исследователями. Он был одним из участников знаменитых встреч, которые проходили между 1965 и 1968 годами на вилле Сербеллони, организованной Фонд Рокфеллера, по теме «К теоретической биологии». В семинаре участвовали, среди других ключевых ученых, Конрад Уоддингтон, Джек Коуэн, Майкл Конрад, Джим Бернс, Кристофер Зееман, Ричард Левонтин, Роберт Розен, Стюарт Кауфман, Джон Мейнард Смит, Рене Том и Льюис Вулперт. В результате переговоров и дискуссий на конференции вышел четырехтомный отчет о мероприятии, который в то время стал основным справочным материалом в этой области.

После этого он преподавал в Шумахер колледж в Девон, Великобритания, где он сыграл важную роль в поступлении в колледж магистра в области холистических наук. Незадолго до смерти он стал одним из основателей колледжа Шумахера. Гудвин также занимал должность исследователя в Массачусетский технологический институт и был долгое время посетителем нескольких учреждений, включая UNAM в Мехико. Он был одним из основателей Институт Санта-Фе в Нью-Мексико где он также несколько лет был членом научного совета.^[3]^[4]

Брайан Гудвин умер в больнице в 2009 году после операции в результате падения с велосипеда.^[5] У Гудвина остались его третья жена Кристель и дочь Линн.

Генные сети и развитие

Вскоре после Франсуа Жакоб и Жак Моно разработали свою первую модель регуляции генов, Гудвин предложил первую модель генетического осциллятора, показав, что регуляторные взаимодействия между генами допускают периодические колебания. Вскоре после того, как эта модель была опубликована, он также сформулировал общую теорию сложных сети регуляции генов с помощью статистическая механика В своей простейшей форме осциллятор Гудвина включает в себя единственный ген, который сам себя подавляет. Уравнения Гудвина изначально были сформулированы в терминах консервативных (гамильтоновых) систем, таким образом, не принимая во внимание диссипативные эффекты, необходимые для реалистичного подхода к регуляторным явлениям в биологии. С тех пор было разработано много версий. Самая простая (но реалистичная) формулировка учитывает три переменные: X, Y и Z, указывающие концентрации РНК, белок и конечный продукт, который порождает отрицательные Обратная связь петля. Уравнения

{ displaystyle { frac {dX} {dt}} = {k_ {1} over K_ {1} + Z ^ {n}} - k_ {2} X}

{ displaystyle { frac {dY} {dt}} = k_ {3} X-k_ {4} Y}

{ displaystyle { frac {dZ} {dt}} = k_ {5} Y-k_ {6} Z}

а замкнутые колебания могут возникать при n> 8 и вести себя предельные циклы: после возмущения состояния системы она возвращается к своему прежнему аттрактору. Простая модификация этой модели, добавление других терминов, вводящих дополнительные шаги в механизм транскрипции, позволяет находить колебания для меньших значений n. Модель Гудвина и ее расширения на протяжении многих лет широко использовались в качестве основного каркаса для других моделей колебательного поведения, включая циркадные часы, деление клеток или системы физиологического контроля.

Биология развития

В области биология развития, Гудвин исследовал самоорганизация в формирование рисунка, используя тематические исследования из одноклеточных (как Ацетабулярия ) к многоклеточным организмам, включая раннее развитие в Дрозофила. Он предложил морфогенетические поля, определенные в терминах пространственного распределения химических сигналов (морфогенов), могут формировать паттерн и формировать эмбрион. Таким образом, геометрия и развитие были связаны математическим формализмом. Вместе со своим коллегой Линн Трейнор Гудвин разработал набор математических уравнений, описывающих изменения как физических границ в организме, так и химических градиентов.

Рассматривая механохимическое поведение кортикальной цитоплазмы (или цитогеля) растительных клеток, вязкоупругого материала, в основном состоящего из актиновых микрофиламентов и усиленного сетью микротрубочек, Goodwin & Trainor (1985) показали, как связывать кальций и механические свойства цитоплазмы. . Цитогель рассматривается как непрерывная вязкоупругая среда, в которой ионы кальция могут диффундировать и взаимодействовать с цитоскелетом. Модель состоит из двух нелинейных уравнений в частных производных, которые описывают эволюцию поля механической деформации и распределения кальция в цитогеле.

Было показано (Trainor & Goodwin, 1986), что в диапазоне значений параметров в этой системе могут возникать и развиваться нестабильности, приводящие к внутриклеточным паттернам деформации и концентрации кальция. В общем виде уравнения читаются так:

{ displaystyle rho { partial ^ {2} xi over partial t ^ {2}} = { partial over partial x} left (P_ {1} ( chi) { partial xi over partial x} right) + { partial over partial x} left (P_ {2} ( chi) { partial ^ {2} xi over partial x partial t} right ) -P_ {3} ( chi) -F_ {0} { partial chi over partial x}}

{ displaystyle { partial chi over partial t} = left (a_ {0} + a { partial xi over partial x} right) (K- chi) -k_ {1} ( beta + chi) chi ^ {n} + D { partial ^ {2} xi over partial x ^ {2}}}

Эти уравнения описывают пространственно-временную динамику смещения от эталонного состояния и концентрации кальция соответственно. Здесь x и t - координаты пространства и времени соответственно. Эти уравнения могут применяться ко многим различным сценариям, а различные функции P (x) вводят конкретные механические свойства среды. Эти уравнения могут генерировать самые разнообразные статические и динамические паттерны, от сложных геометрических мотивов до колебаний и хаоса (Briere 1994).^{[цитата не найдена ]}.

Структурализм

Он также был решительным сторонником того мнения, что гены не могут полностью объяснить сложность биологических систем. В этом смысле он стал одним из самых сильных защитников системного взгляда на редукционизм. Он предположил, что нелинейные явления и фундаментальные законы, определяющие их поведение, необходимы для понимания биологии и ее эволюционных путей. Его положение в эволюционной биологии можно определить как структуралист один. Гудвину многие закономерности в природе являются побочным продуктом ограничений, налагаемых сложностью. Ограниченный репертуар мотивов, наблюдаемый в пространственной организации растений и животных (в некоторых масштабах), был бы, по мнению Гудвина, отпечатком роли, которую играют такие ограничения. Роль естественный отбор будет второстепенным.

Эти мнения были весьма противоречивыми, и они привели Гудвина к конфликту со многими выдающимися дарвиновскими эволюционистами, в то время как некоторые физики сочли некоторые из его взглядов естественными. Физик Мюррей Гелл-Манн например, признал, что «когда биологическая эволюция - основанная в значительной степени на случайных вариациях генетического материала и на естественном отборе - воздействует на структуру реальных организмов, она подчиняется законам физической науки, которые налагают важные ограничения на то, как живые существа могут быть построенным ". Ричард Докинз, бывший профессор общественного понимания науки в Оксфордском университете и известный дарвиновский эволюционист, признал: «Я не думаю, что есть много веских доказательств, подтверждающих [его тезис], но важно, чтобы кто-то вроде Брайана Гудвина говорил такое вещи, потому что она обеспечивает другую крайность, и правда, вероятно, находится где-то посередине ". Докинз также согласился, что «это действительно интересная возможность, что основные законы морфологии допускают только определенный ограниченный диапазон форм». Со своей стороны, Гудвин отвергал не фундаментальный дарвинизм, а только его крайности.

Прием

Биолог Герт Кортоф высоко оценил исследования Гудвина, комментируя, что он пытался «улучшить дарвинизм научным путем».^[6] Дэвид Б. Уэйк также положительно оценил исследование Гудвина, описав его как «вдумчивого ученого, одного из величайших несогласных с ортодоксальными взглядами современной эволюционной, генетической биологии и биологии развития».^[7]

Гудвин утверждал, что естественный отбор была «слишком слабой силой», чтобы объяснить эволюцию, и действовала только как фильтрующий механизм. Он утверждал, что современная эволюционная биология не смогла дать объяснения теории биологической формы и игнорировала важность морфогенез в эволюции. Он утверждал, что создал новую эволюционную теорию на замену неодарвинизма. В критическом обзоре биолог Кэтрин С.С. Прайс отметила, что, хотя ему удалось предоставить альтернативу мутации как единственному источнику вариаций, он не смог предоставить альтернативу естественному отбору как механизму адаптации.^[8] Прайс утверждал, что «обсуждение эволюции Гудвином необъективно, недостаточно разработано и плохо информировано», и что он искажал дарвинизм, использовал соломенный человек аргументы и проигнорировали исследования от популяционная генетика.^[8]

Эволюционный биолог Гюнтер П. Вагнер описал структурализм Гудвина как " челка движение в эволюционной биологии ».^[9]

Публикации

Книги

1963. Временная организация в клетках Academic Press, Лондон, 1963 г., ISBN 1376206161
1989. Теоретическая биология: эпигенетический и эволюционный порядок сложных систем с Питером Сондерсом, Издательство Эдинбургского университета, 1989, ISBN 0-85224-600-5
1994. Машиностроение цитоскелета в биологии развития (Международный обзор цитологии), совместно с Кваном В. Чоном и Ричардом Дж. Гордоном, Academic Press, Лондон, 1994 г., ISBN 0-12-364553-0
1996. Форма и трансформация: генеративные и реляционные принципы в биологии, Cambridge Univ Press, 1996.
1997. Как леопард менял свои пятна: эволюция сложности, Скрибнер, 1994, ISBN 0-02-544710-6 (Немецкий: Леопард, леопард Флекен верлиерт, Пайпер, Мюнхен 1997, ISBN 3-492-03873-5)
2001. Признаки жизни: как сложность пронизывает биологию, с Рикаром В. Соле, Basic Books, 2001, ISBN 0-465-01927-7
2007. Дело природы: исцеление нашей фрагментированной культуры, Флорис Букс, 2007, ISBN 0-86315-596-0

Избранные научные труды

Goodwin, BC 1965, "Колебательное поведение в процессах ферментативного контроля", Adv. Enz. Рег. 3: 425-428.
Гудвин BC 1978, "Когнитивный взгляд на биологический процесс". J Soc Biol Structures 1: 117-125
Гордон Д.М., Гудвин Британская Колумбия и Трейнор ЛЕХ 1992, "Параллельно распределенная модель поведения колоний муравьев", J. Theor. Биол. 156, 293-307.
1997, "Временная организация и дезорганизация в организмах". в: Chronobiology International 14 (5): 531-536 1997
Goodwin BC, 1978 "Когнитивный взгляд на биологический процесс", J. Soc. Биол. Struct. 1, 117-125.
2000, «Жизнь формы. Новые паттерны морфологической трансформации». в: Comptes rendud de la Academie des Science III 323 (1): 15-21 ЯНВ 2000
Гудвин BC (2000). Жизнь формы. Новые паттерны морфологической трансформации. Comptes rendus de l'academie des sciencies III - Sciences de la vie-life Sciences 323 (1): 15-21.
Гудвин BC. (1997) Временная организация и дезорганизация организмов. Международная хронобиология 14 (5): 531-536
Р. Соле, О. Мирамонтес и Гудвин до н. Э. (1993) «Порядок и хаос в муравьиных обществах». J. Theor. Биол. 161: 343
Мирамонтес, О., Р. Соле и BC Гудвин (1993), Коллективное поведение случайно активируемых мобильных клеточных автоматов. Physica D 63: 145-160.
Jaeger, J. и Goodwin BC 2001, "Модель клеточного осциллятора для формирования периодических структур" J. Theor. Биол. 213, 71–181.
2002, «В тени культуры». в: «Следующие пятьдесят лет: наука в первой половине двадцать первого века» под редакцией Джона Брокмана, Vintage Books, МАЙ 2002 г., ISBN 0-375-71342-5
Гудвин Б. 2005, "Значение в эволюции" J. Biol. Phys. Chem. 5, 51–56.

внешняя ссылка

[1] Дикинсон, У. Джозеф. (1998). Форма и трансформация: генеративные и реляционные принципы в биологии. Джерри Вебстера; Брайан Гудвин. Ежеквартальный обзор биологии. Vol. 73, No. 1. С. 62-63.

[2] Некролог Брайана Гудвина - Хранитель, 9 августа 2009 г.

[3] Брайан Гудвин В архиве 4 сентября 2011 г. Wayback Machine, SteinerBooks

[4] Некролог Брайана Гудвина - Независимый, 31 июля 2009 г..

[5] Профессор Брайан Гудвин В архиве 13 сентября 2009 г. Wayback Machine, Шумахер колледж

[6] «Как леопард менял пятна». Проверено 25 апреля 2014.

[7] Проснись, Дэвид Б.. (1996). Как леопард изменил свои пятна: эволюция сложности Брайана Гудвина. Американский ученый. Vol. 84, No. 3. С. 300-301.

[Price_1995-8] а ^б Прайс, Кэтрин С.С. (1995). Структурно неосновательный. Эволюция. Vol. 49, No. 6. С. 1298-1302.

[Wagner2014-9] Вагнер, Гюнтер П., Гомология, гены и эволюционные инновации. Издательство Принстонского университета. 2014. Глава 1: Интеллектуальный вызов морфологической эволюции: аргументы в пользу вариационного структурализма. Стр.7

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]