A matematika a tudomány nyelve. A fizikától a mérnöki munkáig és a kémiáig mindenhol előjön - segít megérteni a világegyetem eredetét, és hidakat építeni, amelyek nem omlanak össze a szélben. Talán kissé meglepőbb, hogy a matematika is egyre inkább szerves része a biológiának.

Évszázadok óta a matematikát használják nagy hatásokkal viszonylag egyszerű fizikai rendszerek modellezésére. Newtoné a gravitáció univerzális törvénye jó példa. Viszonylag egyszerű megfigyelések vezettek egy olyan szabályhoz, amely nagy pontossággal írja le az égitestek mozgását milliárd mérföldnyire. Hagyományosan a biológiát túl bonyolultnak tekintették ahhoz, hogy ilyen matematikai kezelésnek lehessen alávetni.

A biológiai rendszereket gyakran „komplexnek” minősítik. A komplexitás ebben az értelemben azt jelenti, hogy sok részkomponens bonyolult kölcsönhatása miatt a biológiai rendszerek az úgynevezett emergens viselkedést mutathatják-a rendszer egésze olyan tulajdonságokat mutat be, amelyeket az egyes komponensek önmagukban nem képesek. Ezt a biokomplexitást gyakran összetévesztették vitalizmus, az a tévhit, hogy a biológiai folyamatok a fizika és a kémia törvényeitől eltérő erőtől vagy elvtől függenek. Következésképpen azt feltételezték, hogy a komplex biológiai rendszerek nem alkalmasak matematikai kezelésre.

Voltak korai másként gondolkodók. Híres informatikus és második világháborús kódtörő Alan Turing az elsők között azt sugallta, hogy a biológiai jelenségeket matematikailag lehet tanulmányozni és megérteni. 1952 -ben egy párat javasolt gyönyörű matematikai egyenletek amelyek magyarázatot adnak arra, hogyan alakulhatnak ki pigmentációs minták az állatok kabátján.

Munkája nemcsak szép volt, hanem intuitív is-ez a fajta munka, amelyről csak egy olyan ragyogó elme álmodhatott, mint Turingé. Még inkább kár, hogy ilyen rosszul bántak vele a korabeli drakonikus homoszexualitás-ellenes törvények szerint. A „korrekciós” hormonkezelés után mindössze két évvel később megölte magát.

Feltörekvő terület

Azóta a területen matematikai biológia felrobbant. Az utóbbi években az egyre részletesebb kísérleti eljárások hatalmas beáramláshoz vezettek a tudósok rendelkezésére álló biológiai adatokban. Ezeket az adatokat arra használják fel, hogy hipotéziseket hozzanak létre a korábban bonyolult biológiai rendszerek összetettségéről. E hipotézisek teszteléséhez azokat egy modell formájában kell leírni, amelyet lekérdezve meg lehet határozni, hogy helyesen utánozza -e a biológiai megfigyeléseket. A matematika a természetes nyelv, amelyben ezt meg lehet tenni.

Ezenkívül a számítási képesség megjelenése és az azt követő növekedése az elmúlt 60 évben lehetővé tette számunkra, hogy biológiai rendszerek komplex matematikai modelljeit javasoljuk, majd megkérdezzük. Az a felismerés, hogy a biológiai rendszereket matematikailag lehet kezelni, párosulva a részletes biológiai modellek felépítésének és vizsgálatának számítási képességével, a matematikai biológia népszerűségének drámai növekedéséhez vezetett.

A matematika létfontosságú fegyverré vált a tudományos fegyverzetben, amelyet meg kell oldanunk a 21. század orvosi, biológiai és ökológiai tudományának legsürgetőbb kérdéseivel. Ha a biológiai rendszereket matematikailag leírjuk, majd a kapott modelleket használjuk, olyan felismerésekre tehetünk szert, amelyekhez csak kísérletek és verbális érvelés útján lehetetlen hozzáférni. A matematikai biológia hihetetlenül fontos, ha a biológiát egy leíróból egy prediktív tudománygá akarjuk változtatni - erőt adva nekünk például a járványok megelőzésére vagy a gyengítő betegségek hatásainak megváltoztatására.

Új fegyver

Az elmúlt 50 évben például a matematikai biológusok egyre összetettebb számítási ábrázolásokat készítettek a szív fiziológiájáról. Ma ezeket a rendkívül kifinomult modelleket használják az emberi szív bonyolult működésének jobb megértésére. A szívműködés számítógépes szimulációi lehetővé teszik számunkra, hogy előrejelzéseket tegyünk arról, hogy a szív hogyan fog kölcsönhatásba lépni a jelölt gyógyszerekkel, amelyek célja a működésének javítása, anélkül, hogy drága és potenciálisan kockázatos klinikai vizsgálatokat kellene elvégeznünk.

A betegségek tanulmányozásához matematikai biológiát is használunk. Egyéni skálán a kutatók tisztázták azokat a mechanizmusokat, amelyek révén immunrendszerünk vírusokkal küzd matematikai immunológia és lehetséges beavatkozásokat javasolt a mérleg javunkra billentésére. Tágabb értelemben a matematikai biológusok olyan mechanizmusokat javasoltak, amelyek felhasználhatók a terjedésének szabályozására halálos járványok, mint az Ebola, és annak biztosítására, hogy az erre a célra szánt véges erőforrásokat a lehető leghatékonyabban használják fel.

A matematikai biológiát még a politika tájékoztatására is használják. Voltak kutatások például a halászaton, matematikai modellezéssel, hogy reális kvótákat állapítsanak meg annak biztosítása érdekében ne halásszuk túl a tengereinket és hogy megvédjük néhány legfontosabb fajunkat.

A matematikai megközelítéssel összegyűjtött jobb megértés a biológia jobb megértéséhez vezethet különböző skálákon. Nál nél a Bath -i Matematikai Biológiai Központpéldául számos nyomós biológiai problémát tanulmányozunk. A spektrum egyik végén megpróbálunk stratégiákat kidolgozni a megelőzésére sáska csapások pusztító hatásai akár egymilliárd személyt is magában foglal. A másik végén megpróbáljuk tisztázni azokat a mechanizmusokat, amelyek alapján a helyes az embrió fejlődése.

Bár a matematikai biológia hagyományosan az alkalmazott matematikusok területe, nyilvánvaló, hogy a matematikusoknak, akik önmagukat tisztának minősítik, szerepe van a matematikai biológia forradalmában. A topológia tiszta tudományágát használják a a DNS -csomagolás csomós problémája és algebrai geometriát használnak a legmegfelelőbb modell kiválasztásához biokémiai interakciós hálózatok.

Ahogy a matematikai biológia profilja tovább emelkedik, a tudományos spektrum minden területéről feltörekvő és megalapozott tudósokat vonzanak, hogy kezeljék a biológia által kínált fontos és új problémák gazdag skáláját.

Turing forradalmi elképzelése, bár korában nem értékelték teljes mértékben, megmutatta, hogy a biológiai folyamatok megértése érdekében nem szükséges a vitalizmushoz apellálni - az isten a gépben. A matematikában vagy a „matematikai biológiában”, ahogy most hívjuk, kódolt kémiai és fizikai törvények jól működhetnek.

A szerzőről

Christian Yates, a matematikai biológia oktatója, University of Bath

Ezt a cikket eredetileg közzétették A beszélgetés. Olvassa el a eredeti cikk.

Kapcsolódó könyvek:

at InnerSelf Market és Amazon