30 jaar theoretische biologie Afscheidsrede als Professor bij de Vrije Universiteit Amsterdam Bas Kooijman Dept theoretical biology Vrije Universiteit Amsterdam Bas.Kooijman@vu.nl http://www.bio.vu.nl/thb Amsterdam 2015/05/08

Inhoud Balans Biologie als wetenschap Taakstelling Wat is er bereikt? Impact Dankwoord

Balans 60 cursussen 5-10 lezingen/jaar 50 promovendi 300 publicaties statistiek, waarschijnlijkheidsrekening, modelbouw, theoretische biologie, ecologie, ecotoxicologie, DEB theorie 1-60 dagen, nationaal/ internationaal 5-10 lezingen/jaar 50 promovendi 300 publicaties waaronder 4 boeken h-index = 44, i10-index = 166 citatie-snelheid: oplopend naar eens per 8 uur onderzoek via extern gefinancierde projecten

Biologie als wetenschap Buitenstaanders: biologen kijken naar planten en dieren Toepassingen = medische wetenschappen, pharmacologie, landbouw, visserij, biotechnologie, afvalwater zuivering = milieubeheer, klimaatsverandering, recycling = sociologie, psychologie, economie Beschijvend/constaterend ↔ analyseren/probleem oplossen Geen algemene wetmatigheden? Geen vereenvoudiging Verstikkende specialisatie door randgebieden wiskunde, fysica, chemie, geologie, informatica breedte/ volume literatuur Theoretisch biologie: specialisatie in integratie = molekuul, cel, organisme, populatie, ecosysteem, aarde = randgebieden als steunvakken = samenwerking met specialisten

Theoretische Biologie Specialisatie-overkoepelende theorie vorming Experimenteel → theorie-gedreven onderzoek experimenteel: geen scherpe vraagstelling, niet sterk kantitatief, patroon-herkenning theorie: centrale rol voor wiskundige modellen

Mijn taakstelling Opstellen: formeel en consistent raamwerk voor biologie als fysica Funktie: bevorderen communicatie: geintegreerde wetenschap biologen die maatschappelijke verantwoordelijkheid nemen Casus: Dynamische Energie Budget theorie stromen van energie, substraat van/naar individu (1 of meer cellig) gehele levencyclus: start ontwikkeling embryo tot dood door veroudering alle soorten: planten, dieren, micro-organismen interakties: symbiose, concurrentie, predator/prooi, parasitisme Voorbeeld-funktie voor andere theorieen

Space-time scales Each process has its characteristic domain of space-time scales molecule cell individual population ecosystem system earth time space When changing the space-time scale, new processes will become important other will become less important This can be used to simplify models, by coupling space-time scales Complex models are required for small time and big space scales and vv Models with many variables & parameters hardly contribute to insight Basic to DEB theory is the coherence between levels of organisation, using the life cycle of an individual as primary focus, from which sub- and supra-organismic levels are considered. Space and time scales are tightly coupled methodologically. Since many species are unicellular, the step to biochemical systems is not always big. Populations are considered as sets of interacting individuals, ecosystems as sets of interacting populations. While walking up- and down the time-space-scale, some processes loose their importance, others gain. The primary motivation in my research on the theory is to answer the question: how can we deal with the local coherence of levels of metabolic organisation, while avoiding the massive complexity of models with many variables and parameters; I have never seen useful conclusions coming out of complex models.

Biochemical ↔ Pools many compounds few pools need for selection conservation laws cannot be used wide range in scales complex dynamics easy connection with molecular level with literature few pools use of homeostasis conservation laws can be used narrow range in scales simple dynamics complex connection with molecular level with literature Bridge calls for intermediary levels of organisation

Wat is er bereikt? Expliciete DEB modellen die uit theorie volgen Modulair karakter: isotopen, groei tumoren, microbiele vlokken, moeder-foetus, parasiet-gastheer Mijlpalen: vrijwel elk jaar over 35 jaar onderzoek Synthesizing Units: alternatief voor enzym kinetica Co-variatie regels voor parameter waarden Software pakket DEBtool >1000 funkties Stevig empirisch getest verklaart verandering door toxische stoffen 400 diersoorten in de add_my_pet collectie Synthese van vele empirische modellen

Empirical models Author year model Lavoisier 1780 multiple regression of heat against mineral fluxes Gompertz 1825 survival probability for ageing Bergmann 1847 body size increase toward the poles Arrhenius 1889 temperature dependence of physiological rates Huxley 1891 allometric growth of body parts Henri 1902 Michaelis--Menten enzyme kinetics Blackman 1905 bilinear functional response Hill 1910 Hill's functional response Thornton 1917 heat dissipation Pűtter 1920 von Bertalanffy growth of individuals Pearl 1927 logistic population growth Fisher & Tippitt 1928 Weibull ageing Kleiber 1932 respiration scales with body weight^3/ 4 Author year model Mayneord 1932 cube root growth of tumours Monod 1942 growth of bacterial populations Emerson 1950 cube root growth of bacterial colonies Huggett & Widdas 1951 foetal growth Weibull survival probability for ageing Best 1955 diffusion limitation of uptake Smith 1957 embryonic respiration Leudeking & Piret 1959 microbial product formation Holling hyperbolic functional response Marr & Pirt 1962 maintenance in yields of biomass Droop 1973 reserve (cell quota) dynamics Rahn & Ar 1974 water loss in bird eggs Hungate 1975 digestion Beer & Anderson 1997 development of salmonid embryos

p93 p94

Impact 1: tijdschriften met mijn DEB artikelen sub-disciplines in biology Am. Nat., Ecol. Lett., Func. Ecol., J. Anim. Ecol., Ecol., Oikos, Ecol. Model., Ecol. Monogr., Math. Model. Nat. Phenom., Plant & Soil, J. Ornith., Comp. Biochem. Physiol., Neth. J. Zool., Biotech. Bioeng., Aquaculture, van Leeuwenhoek, J. Eukaryotic Microbiol., Yeast, FEMS Microbiol. Ecol., Aquat. Microbiol. Ecol., Mar. Ecol. Prog. Ser., Limnol. Oceanogr., J. Mar. Res., J. Sea Res., J. Plankton Res., J. Exp. Mar. Biol. Ecol. Biogerontol., Mut. Res., Br. J. Cancer, Aquat Toxicol., Ecotoxicol., Ecotoxicol. Model., Fundam. Appl. Toxicol. general biology Biol. Rev., Phil. Trans. R. Soc. B, C. R. Acad. Sci. Ser. III, Inserm, J. Biol. Syst., J. Theor. Biol., Acta Biotheor., Plos Biol., PlosOne chemistry Biophys. Chem., Chemosphere, Organohal. Comp. physics Phys. Rev. E, Geophys. Res. Let., J. Geophys. Res., J. Deep Sea Res. applied mathematics J. Math. Biol., Bull. Math. Biol., Math Biosci., Math. Biosci. Eng., Theor. Pop. Biol., Ann. Systems Res., Nonlin. Anal., Nonlin. World environment Water Res., Wat. Sci. Tech., Sci. Total Environ., Environ. Tox. Chem., Environ. Pollut., SAR & QSAR in Environ. Res., Environ. Ecol. Stat., J. Agri. Biol. Environ. Stat., Ecotox. Eviron. Saf., Environ. Sci. Technol., J. Exp. Anal. Environ. Epidem., Risk Anal., J. Envir. Radioactivity

Impact 2: Special DEB issues >500 DEB publikaties

Impact 3: 124 deelnemers aan de DEB cursus 2015 2-jaarlijks; tele- + practisch gedeelte + symposium gecumuleerd > 1000 deelnemers

Impact 4 Eredoctoraat in Marseille, lid KNAW: erkenning geen impact professeur invité Marseille, Lille OECD/ISO guidelines voor beoordeling van toxiciteit Banen ex-promoventie vanwege DEB kennis vergroting intra-murale samenhang Onderwijs DEB theorie in verplicht curriculum Brest, Lissabon DEB cursussen/symposia gaan door 2017 Tromso

Kritiek Ingewikkeld! Eigen mening: DEB theorie is een zeer eenvoudige voor een netwerk van zeer ingewikkelde processen Echter: er komen veel disciplines bij elkaar Vergelijk: relativiteitstheorie in de fysica Fysica: ingewikkelde modellen voor eenvoudige processen? Biologie: eenvoudige modellen voor ingewikkelde processen? Nemen biologen hun vak serieus of hebben zij hoop opgegeven?

Trends Universitair biologie curriculum: ondaan van steunvakken biologie loop gevaar af te glijden naar recreationele sfeer Moeilijk banen krijgen in ecologie zonder wiskunde 2 tot 3 jaars projecten zonder samenhang onderdeel van in 5 jr stimulerings–programma’s Sterke druk op publikaties nutteloze stroom van ongelezen publikaties Sterke nadruk op toepassingen links met bedrijfsleven; STW profits binnen 5 jr technologie versus wetenschap: tijdschaal

Conclusie Nog te vroeg voor impact evaluatie Beoordeling niet aan mij DEB theorie is erg relevant voor milieu-kwaliteits-zorg voedsel/drinkwater-produktie medische zorg Heb met zeer veel plezier aan DEB theorie gewerkt

Vaarwel 30 jaar Theoretische Biologie DEB theory: Amsterdam, 8 Mei 2015 nationale afscheidsrede DEB theory: where fascination meets profession Marseille, 30 April 2015 internationale afscheidsrede Theoretische Biologie, een specialisatie in integratie Amsterdam, 18 Juni 1987 inaugurele rede

Dankbetuiging VU Truus Meijer criticaster/aanmoediger/gastvrouw/kok/lief & pittig Afd Theoretische Biologie Bob Kooi, Tjalling Jager, Jaap van der Meer 50 PhD’s Collega’s Roger Nisbet, Hans Metz, Odo Diekmann, Jean-Christophe Poggiale Curatoren: Dina Lika, Starrlight Augustine, Laure Pecquerie, Goncalo Marques Lissabon groep, Tiago Domingos, Tania Sousa, Goncalo Marques, Carlos Teixeira AQUAdeb: Marriane Alunno-Bruscia, Cedric Bacher, Fred Jean, Laure, Jonathan Flye Mike Kearney, Peter Westbroek, Rob Hengeveld, Seb Levebvre Tutoren: Evert Meelis, Dick Brandt Ondersteuning: Karin Uyldert Dank voor uw belangstelling! Receptie mede names Bob Kooi