Wieloskalowe modelowanie systemów biologicznych: obliczeniowe podejście do badania zjawisk naturalnych od poziomu komórki po ekosystemy
Loading...
Date
2024
Authors
Advisor
Editor
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Title alternative
Multiscale Modelling of Biological Systems: A Computational Approach to Studying Natural Phenomena from Cellular to Ecological Levels
Abstract
Badanie zjawisk naturalnych za pomocą symulacji komputerowych oferuje szerokie możliwości ze względu na złożoność, dynamiczną naturę wzorców obserwowanych w tych procesach. Te zjawiska, począwszy od mechanizmów komórkowych, po szeroko zakrojone dynamiki ekologiczne kształtujące nasze środowisko, prezentują unikalne zachowania i wyzwania. Niniejsza praca doktorska prezentuje rozwój i walidację kilku modeli obliczeniowych symulujących procesy biologiczne na różnych skalach. Celem dysertacji jest po pierwsze wykazanie, że modele obliczeniowe mogą dokładnie odtwarzać i przewidywać złożone systemy biologiczne na różnych skalach; po drugie zilustrowanie konieczności zastosowania różnorodnych podejść do modelowania zjawisk biologicznych; oraz po trzecie, pokazanie, że modele matematyczne można wykorzystać do walidacji lub kwestionowania istniejących teorii biologicznych oraz identyfikacji obszarów wymagających dalszych badań.
Przedstawiam trzy modele specyficznych zjawisk naturalnych, które zostały zwalidowane na podstawie danych empirycznych. Obejmują one dyskretny model formowania wzorca naczyniowego w Arabidopsis thaliana, ciągły model długodystansowego przesyłania sygnału w drzewach oraz zaawansowaną hybrydową symulację pożarów lasów. Wyniki potwierdziły postawione założenia oraz pozwoliły ocenić przydatność stosowanych paradygmatów modelowania w różnych scenariuszach.
The study of natural phenomena gives rich opportunities for those interested in modelling and simulations. The challenge they present lies in the complexity and dynamic nature of such patterns. These processes, ranging from the cellular mechanisms to the environmental or ecological dynamics challenge our understanding and push the boundaries of traditional scientific disciplines.
This thesis shows the development and validation of several computational models that simulate complex biological processes. The goal of this dissertation is first to demonstrate that computational models can accurately replicate and predict complex biological systems across different scales; second to illustrate the necessity of diverse modelling approaches to address distinct biological phenomena; and third, to illustrate that mathematical models can be utilized to validate or challenge existing biological theories and identify areas requiring further investigation.
I present three models of specific natural phenomena validated against empirical data. These include a discrete model for vascular pattern formation in Arabidopsis thaliana, a continuous model of long-distance signalling in birch trees, and an advanced hybrid simulation of wildfires. The results supported the assumptions posed, Additionally, they allowed us to assess the applicability of modelling paradigms used in different scenarios.
Description
Wydział Matematyki i Informatyki
Sponsor
Keywords
modelowanie matematyczne, symulacje komputerowe, computer graphics, mathematical modelling, comutational fluid dynamics, plant morphogenesis, visual computing