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Einführung in die Kinetik IV (Biologische Systeme)

Biologische Systeme

In biologischen, also belebten Systemen, gelten dieselben physikalischen und chemischen Naturgesetze wie in den unbelebten Systemen. Was diese beiden Systeme unterscheidet, ist jedoch die Eigenschaft der biologischen Systeme zur Selbstorganisation. Sie beruht auf folgenden Prinzipien:

  • Stoffwechsel: Biologische Prozesse können nur in offenen Systemen ablaufen. Die Zunahme an Struktur und Information und damit die Entropieabnahme des biologischen Systems ist gekoppelt mit einer Entropiezunahme in der Umgebung.
  • Wachstum: Es wird charakterisiert durch die Proteinbiosynthese. Die Zunahme von Biomasse erfolgt letztendlich über die komplex gesteuerte Aktivität von Enzymen (Wachstumshormon).
  • Vermehrung: Sie beruht auf der DNA-Synthese.
  • Konkurrenz und Symbiose.
  • Selektion.

Die oben genannten Prinzipien treffen auf alle biologischen Systeme zu, sei es eine einzelne Zelle, ein vielzelliger Organismus, eine Lebensgemeinsschaft aus mehreren Individuen oder eine Population. Sie können näherungsweise durch Modelle der Reaktionskinetik und Thermodynamik beschrieben werden.

Je mehr Abhängigkeiten zu anderen Organismen bestehen, je artenreicher und vielfältiger die Lebensbedingungen sind, desto weniger Schwankungen treten auf. Die gegenseitige Abhängigkeit führt zu einem biologischen Gleichgewicht (= dynamisches Gleichgewicht). Das System reguliert sich selbst.

Beispiele

  • Das Anwachsen von Mikroorganismen in einem Nährsubstrat (z.B. Hefezellen in einer Glucose-Lösung) wird mathematisch modelliert. Dabei wird insbesondere das Monod'sche Kinetik-Modell für die Abhängigkeit der Wachstumsgeschwindigkeit von der Substratkonzentration verwendet.
  • Das Verhalten von Räuber und Beute wurde näherungsweise durch das Lotka-Volterra-Modell beschrieben. Es beruht auf einer Differenzialgleichung. Gibt es viele Beutetiere, wächst auch die Population der Räuber. Nimmt die Zahl der Beutetiere ab, reduziert sich phasenverschoben auch die Räuberpopulation.
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