Seminarium monograficzne
Teoria i przetwarzanie informacji w układach biologicznych Prowadzący: Jacek Miękisz (MIM UW) www
Michał Komorowski (IPPT PAN) www Opis Entropia i informacja to fundamentalne pojęcia występujące zarówno w badaniach naukowych jak i w życiu codziennym. Będziemy je omawiać z matematycznego, biologicznego oraz fizycznego punktu widzenia. Przedyskutujemy modele matematyczne procesów biochemicznych w żywych komórkach, teorii gier ewolucyjnych oraz nierównowagowej fizyki statystycznej Stopień złożoności żywych organizmów sprawia, że ich zachowanie jest trudne do przewidzenia i co za tym idzie sprawia trudności w ich modelowym opisie. Zachowanie generowane przez oddziałujące ze sobą cząsteczki, komórki czy tkanki nie jest jednak zupełnie przypadkowe a w zorientowane na podtrzymanie procesów życiowych. Począwszy od cząsteczki DNA a skończywszy na zdolnościach percepcyjnych podtrzymanie życia opiera się w dużej części na przekazywaniu informacji. Próba zrozumienia jak żywe organizmy gromadzą, przetwarzają i przekazują informacje jest jednym z kluczowych elementów, które pomogą wyjaśnić mechanizmy leżące u podstaw ich funkcjonowania. Celem seminarium będzie dogłębne zrozumienie dwóch fundamentalnych pojęć: entropii i informacji oraz podstawowych związków miedzy procesami biochemicznymi a przetwarzaniem informacji. Omówiony zostanie podstawowy formalizm matematyczny, wprowadzone i omówione zostaną różne koncepcje i definicje informacji (Shannona, Fishera) i entropii (informacyjna, termodynamiczna). Będziemy analizować w jaki sposób ewolucja i stany równowagowe różnych układów oddziałujących obiektów można opisać w ramach produkcji i maksymalizacji entropii oraz optymalnego przetwarzania informacji Omówimy wybrane przykłady biologiczne w skali makro (biologia ewolucyjna i elementy teorii gier) i mikro (sieci sygnałowe i regulacyjne: lac operon, chemotaksja, asymilacja azotu w E.coli; Bicoid/Hunchback system w embrionie Drosophila Melanogaster) oraz proste modele nierównowagowej fizyki statystycznej (nieodwracalne dyskretne łańcuchy Markowa). Aparat matematyczny: równania różniczkowe zwyczajne, łańcuchy Markowa i proste stochastyczne procesy urodzin i śmierci. Pierwszy semestr rachunku prawdopodobieństwa jest wystarczającym przygotowaniem do uczestnictwa w seminarium. Nie zakładamy znajomości biologii i fizyki statystycznej. Odpowiednie modele biologiczne i fizyczne oraz techniki matematyczne zostaną przedstawione przez prowadzących podczas wstępnych wykładów w pierwszym miesiącu seminarium. W semestrze zimowym uczestnicy seminarium będą referować rozdziały z książek i wprowadzające artykuły naukowe. W semestrze letnim niektóre wątki pogłębimy, z możliwością przekształcenia w małe projekty badawcze. Prace do zreferowania 1. Olivier Rivoire, Informations in models of evolutionary dynamics pdf 2. Edo Kussell and Stanisław Leibler, Phenotypic diversity, population growth, and information in fluctuating envoronements Science 309: 2075 (2005) pdf1 pdf2 3. Olivier Rivoire and Stanisław Leibler, A model for the generation and transmission of variations in evolution pdf1 4. Eric Libby, Theodore J. Perkins, and Peter S. Swain, Noisy information processing through transcriptional regulation PNAS 104: 7151-7156 (2007) pdf 5. Filipe Tostevin and Pieter Rein ten Wolde, Mutual information between input and output trajectories of biochemical networks Phys. Rev. Lett. 102:218101 (2009) pdf Zaliczenie wygłoszenie dwóch referatów, aktywność na zajęciach Dodatkowe materiały, grafik wystapień seminaryjnych jest dostepny po zalogowaniu się na http://sysbiosig.org/seminarium/