Брайан Гудвин

Чтобы узнать о бейсболисте, см. Брайан Гудвин (бейсбол) . Чтобы узнать о шотландском футболисте, см. Брайан Гудвин (футболист) .

Брайан Гудвин в 1992 году

Брайан Кэри Гудвин (25 марта 1931 — 15 июля 2009) ( Сент-Анн-де-Бельвю , Квебек, Канада — Дартингтон , Тотнес , Девон, Великобритания) — канадский математик и биолог , почётный профессор Открытого университета и основатель теоретической биологии и биоматематики. Он представил использование сложных систем и генеративных моделей в биологии развития . Он предположил, что редукционистский взгляд на природу не способен объяснить сложные особенности, выдвигая противоречивую структуруалистскую теорию о том, что морфогенетические поля могут заменить естественный отбор в движущей силе эволюции . Он также был видным членом движения Третьей культуры .

Биография

Брайан Гудвин родился в Монреале , Квебек , Канада, в 1931 году. Он изучал биологию в Университете Макгилла , а затем эмигрировал в Великобританию по стипендии Родса для изучения математики в Оксфорде. Он получил докторскую степень в Эдинбургском университете, защитив диссертацию «Исследования по общей теории развития и эволюции». под руководством Конрада Хэла Уоддингтона . Затем он перешел в Университет Сассекса до 1983 года, а затем стал профессором Открытого в университета Милтон -Кейнсе до выхода на пенсию в 1992 году. Он стал важной фигурой в раннем развитии математической биологии вместе с другими исследователями. Он был одним из участников знаменитых встреч, проходивших между 1965 и 1968 годами на вилле Сербеллони, организованных Фондом Рокфеллера , на тему «На пути к теоретической биологии».

После этого он преподавал в Колледже Шумахера в Девоне , Великобритания , где сыграл важную роль в открытии в колледже степени магистра в области целостных наук. Незадолго до своей смерти он стал членом-основателем Колледжа Шумахера. Гудвин также занимал исследовательскую должность в Массачусетском технологическом институте и долгое время посещал несколько учреждений, включая UNAM в Мехико. Он был одним из основателей Института Санта-Фе в Нью-Мексико, где также в течение нескольких лет был членом научного совета.

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

Генные сети и развитие

Вскоре после того, как Франсуа Жакоб и Жак Моно разработали свою первую модель регуляции генов, Гудвин предложил первую модель генетического осциллятора, показав, что регуляторные взаимодействия между генами позволяют возникать периодическим колебаниям. Вскоре после того, как эта модель была опубликована, он также сформулировал общую теорию сложных генных регуляторных сетей, используя статистическую механику .В своей простейшей форме осциллятор Гудвина включает в себя единственный ген, который подавляет себя. Уравнения Гудвина изначально были сформулированы в терминах консервативных (гамильтоновых) систем, не принимая во внимание диссипативные эффекты, необходимые для реалистичного подхода к регуляторным явлениям в биологии. С тех пор было разработано множество версий. Самая простая (но реалистичная) формулировка рассматривает три переменные: X, Y и Z, обозначающие концентрации РНК , белка и конечного продукта, которые создают петлю отрицательной обратной связи . Уравнения

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

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

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

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 с добавлением других членов, вводящих дополнительные этапы в механизм транскрипции, позволяет находить колебания для меньших значений n. Модель Гудвина и ее расширения на протяжении многих лет широко использовались в качестве базовой основы для других моделей колебательного поведения, включая циркадные часы , деление клеток или системы физиологического контроля.

Биология развития

В области биологии развития Гудвин исследовал самоорганизацию в формировании паттернов , используя тематические исследования от одноклеточных (таких как Acetabularia ) до многоклеточных организмов, включая раннее развитие у дрозофилы . Он предположил, что морфогенетические поля , определяемые с точки зрения пространственного распределения химических сигналов (морфогенов), могут образовывать и формировать эмбрион. Таким образом, геометрия и развитие были связаны посредством математического формализма. 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, состоящего в основном из актиновых микрофиламентов и армированного сетью микротрубочек, Гудвин и Трейнор (1985) показали, как соединить 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 механических напряжений 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 закономерностям напряжения и концентрации кальция. Уравнения в общем виде гласят:

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

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

Эти уравнения описывают пространственно-временную динамику смещения из исходного состояния и концентрации кальция соответственно. Здесь x и t — пространственная и временная координаты соответственно. Эти уравнения можно применять ко многим различным сценариям, а различные функции P(x) определяют конкретные механические свойства среды. Эти уравнения могут генерировать богатое разнообразие статических и динамических моделей, от сложных геометрических мотивов до колебаний и хаоса (Брьер, 1994). .

Структурализм

Основная статья: Структурализм

Он также был ярым сторонником мнения, что гены не могут полностью объяснить сложность биологических систем. В этом смысле он стал одним из самых ярых защитников системного взгляда против редукционизма . Он предположил, что нелинейные явления и фундаментальные законы, определяющие их поведение, необходимы для понимания биологии и путей ее эволюции. Его позицию в эволюционной биологии можно определить как структуралистскую . Для Гудвина многие закономерности в природе являются побочным продуктом ограничений, налагаемых сложностью. Ограниченный репертуар мотивов, наблюдаемый в пространственной организации растений и животных (в некоторых масштабах), по мнению Гудвина, является отпечатком роли, которую играют такие ограничения. Роль естественного отбора будет второстепенной.

Эти мнения были весьма противоречивыми и привели Гудвина к конфликту со многими видными эволюционистами-дарвинистами, тогда как некоторые физики находили некоторые из его взглядов естественными. Физик Мюррей Гелл-Манн , например, признавал, что «когда биологическая эволюция, основанная в основном на случайных изменениях генетического материала и естественном отборе, воздействует на структуру реальных организмов, она подчиняется законам физической науки, которые накладывают решающие ограничения». о том, как можно построить живые существа». Ричард Докинз , бывший профессор общественного понимания науки в Оксфордском университете и известный дарвинистский эволюционист, признал: «Я не думаю, что существует много убедительных доказательств в поддержку [его тезиса], но важно, чтобы кто-то вроде Брайана Гудвина говорил такого рода вещи, потому что это представляет собой другую крайность, а истина, вероятно, находится где-то посередине». Докинз также согласился с тем, что «это действительно интересная возможность того, что основные законы морфологии допускают только определенный ограниченный диапазон форм». Со своей стороны, Гудвин отвергал не основы дарвинизма, а лишь его крайности.

Прием

Биолог Герт Кортхоф высоко оценил исследования Гудвина, отметив, что он пытался «улучшить дарвинизм научным путем». Дэвид Б. Уэйк также положительно отозвался об исследованиях Гудвина, назвав его «вдумчивым ученым, одним из величайших несогласных с ортодоксальными взглядами современной эволюционной, генетической биологии и биологии развития».

Гудвин утверждал, что естественный отбор был «слишком слабой силой», чтобы объяснить эволюцию, и действовал только как фильтрующий механизм. Он утверждал, что современная эволюционная биология не смогла объяснить теорию биологической формы и проигнорировала важность морфогенеза в эволюции. Он утверждал, что создал новую эволюционную теорию, которая заменит неодарвинизм. В критическом обзоре биолог Кэтрин С.К. Прайс отметила, что, хотя ему и удалось предложить альтернативу мутации как единственному источнику изменчивости, ему не удалось предложить альтернативу естественному отбору как механизму адаптации. Прайс утверждал, что «обсуждение эволюции Гудвина является предвзятым, недостаточно развитым и плохо информированным», и что он искажал дарвинизм, использовал подставные аргументы и игнорировал исследования популяционной генетики .

Биолог-эволюционист Гюнтер П. Вагнер описал структурализм Гудвина как « маргинальное движение в эволюционной биологии».

Публикации

Книги

• 1963. Временная организация в клетках Academic Press, Лондон, 1963, 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 Квангом В. Чоном и Ричардом Дж. Гордоном, Academic Press, Лондон, 1994, ISBN   0-12-364553-0
• 1996. Форма и трансформация: порождающие и реляционные принципы в биологии , Cambridge Univ Press, 1996.
• 1997. Как леопард изменил свои пятна: эволюция сложности , Скрибнер, 1994, ISBN   0-02-544710-6 (немецкий: Леопард, теряющий пятна , Пайпер, Мюнхен, 1997, ISBN   3-492-03873-5 )
• 2001. Признаки жизни: как сложность пронизывает биологию , с Рикардом В. Соле, Basic Books, 2001, ISBN   0-465-01927-7
• 2007. Природа должна: Исцеление нашей фрагментированной культуры , Floris Books, 2007, ISBN   0-86315-596-0

Избранные научные статьи

• Гудвин, BC 1965, "Колебательное поведение в процессах ферментативного контроля", Adv. Энз. Рег. 3: 425-428.
• Гудвин BC 1978, «Когнитивный взгляд на биологический процесс». J Soc Биологические структуры 1: 117-125
• Гордон, Д.М., Гудвин, Б.К. и Трейнор Л.Е., 1992, «Параллельная 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 г.
• Гудвин BC, 1978 «Когнитивный взгляд на биологический процесс», J. Soc. Биол. Структура. 1, 117–125.
• 2000, «Жизнь формы. Новые закономерности морфологической трансформации». в: Comptes rendud de la Academie des Science III 323 (1): 15–21 января 2000 г.
• Гудвин, Британская Колумбия (2000). Жизнь формы. Возникающие закономерности морфологической трансформации. Comptes rendus de l'academie des Sciences III - Sciences de la vie-life Sciences 323 (1): 15-21
• Гудвин, Британская Колумбия. (1997) Временная организация и дезорганизация в организмах. Международная хронобиология 14 (5): 531-536.
• Соле, Р., О. Мирамонтес и Гудвин, Британская Колумбия. (1993) «Порядок и хаос в муравьиных обществах». Дж. Теория. Биол. 161:343
• Мирамонтес, О., Р. Соле и Б.К. Гудвин (1993), Коллективное поведение случайно активируемых мобильных клеточных автоматов. Физика Д 63: 145-160
• Джегер Дж. и Гудвин Б.С. 2001, «Модель клеточного осциллятора для формирования периодических паттернов» 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 эволюции» J. Biol. Физ. хим. 5, 51–56.

Внешние ссылки

• Новая наука о качествах: беседа с Брайаном Гудвином
• Интервью с профессором Брайаном Гудвином