Models for biological rhythms (with Scilab/Xcos)

Abstract

Der schnell wachsende Forschungsbereich zwischen den Biowissenschaften und der Mathematik/Informatik zieht sowohl professionelle Forscher als auch Studenten an. Die Erstellung von Modellen der Natur und deren Simulation auf immer fortschrittlicheren Datenmaschinen bietet ein reiches Feld für multidisziplinäres Lernen und Forschung in vielen Bereichen. Wenn wir den Begriff "Modell" verwenden, denken wir an ein mathematisch-theoretisches Modell, dargestellt durch Gleichungen, Blockschemata usw. In der Biologie/Physiologie werden beispielsweise Meerschweinchen als Tiermodelle für die Untersuchung menschlicher Krankheiten oder der Physiologie verwendet. Im vorliegenden Buch konzentrieren wir uns auf den Bereich der rhythmischen Prozesse in den Biowissenschaften und auf Modelle für diese Prozesse. Die Rhythmen sind von ganz unterschiedlichem Charakter, aber das allgemeine Interesse an so genannten biologischen Uhren wird hervorgehoben. Die Perioden dieser "Uhren" können etwa 24 Stunden betragen. Ein weiteres Hauptthema in diesem Buch werden jedoch schnellere Rhythmen sein, z.B. der Herzrhythmus mit seiner Periode im Sekundenbereich. Außerdem werden Rhythmen mit längeren Perioden (Jahresrhythmen, Räuber-Beute-Rhythmen) diskutiert. Wir hoffen, dass die Darstellung von Modellen dieser biologischen Rhythmen zu einem besseren Verständnis der Systeme führen kann und dass der Leser daraus nützliche neue experimentelle Ansätze ableiten kann.Ein unverzichtbarer Bestandteil der Rhythmusmodellierung ist die Simulation der Modelle (siehe Kap. 6) und der Vergleich mit experimentellen Ergebnissen. Wir werden mit dem Simulationswerkzeug Scilab arbeiten, das kostenlos und einfach zu installieren und zu erlernen ist (siehe Kap. 5). Dieses Buch ist eine allgemeine Erweiterung des Buches von W. Engelmann und K.-H. Witte mit dem Titel "How to stop a biological clock: Point of Singularity", das 2016 im Publikationssystem der Universität Tübingen (TOBIAS, URL: https://tobias-lib.uni-tuebingen.de/xmlui/handle/10900/67800) und 2025 im Repositions-Repositorium der Hochschule RheinMain (PUR, URL https://hlbrm.pur.hebis.de/xmlui/handle/123456789/367) erschienen ist.

The rapidly growing research field between the life sciences and mathematics/informatics is attracting professional researchers as well as students. Building models of nature and simulating them on more and more advanced data machines provides a rich area for multidisciplinary learning and research in many fields. When we use the concept of ’model’ we think of a mathematical - theoretical models, represented by equations, block schemes etc. Sometimes an alternative meaning can be used - in biology/physiology, where for instance Guinea pigs are used as animal models for studying human deseases or physiology. In the present book we focus on the field of rhythmic processes in life sciences and models for these processes. The rhythms will be of quite different character, but the general interest for so called biological clocks will be emphasised. The periods of these “clocks” can be about 24 h. However, another main topic in this book will be more rapid rhythms, e.g. the heart rhythm with its period in the second regime. Furthermore rhythms with longer periods (annual rhythms, predator-prey rhythms) will be discussed. We hope, that presenting models of these biological rhythms can lead to a greater understanding of the systems and that the reader can deduce useful new experimental approaches. An indispensable part of rhythm modelling is the simulation of the models (see Chap. 6) and the comparison with experimental results. We will work with the simulation tool Scilab, which is free of charge and simple to install and learn(see Chap. 5). This book is a general extension of the book by W. Engelmann and K.-H.Witte entitled "How to stop a biological clock: Point of singularity" which was published in 2016 in the publication system of the University of Tübingen (TOBIAS, URL: https://tobias-lib.uni-tuebingen.de/xmlui/handle/10900/67800) and in 2025 in the Repositions-Repositorium of the RheinMain University of Applied Sciences (PUR, URL https://hlbrm.pur.hebis.de/xmlui/handle/123456789/367) .