Matematiikka on tieteen kieli. Se kasvaa kaikkialla fysiikasta tekniikkaan ja kemiaan - auttaa meitä ymmärtämään maailmankaikkeuden alkuperää ja rakentamaan siltoja, jotka eivät romahtaa tuulessa. Ehkä hiukan yllättävämpää on, että matematiikka on myös yhä olennaisempi osa biologiaa.

Satoja vuosia matematiikkaa on käytetty hyvinkin tehokkaasti mallintamaan suhteellisen yksinkertaisia ​​fyysisiä järjestelmiä. Newtonin yleinen gravitaatiolaki on hieno esimerkki. Suhteellisen yksinkertaiset havainnot johtivat sääntöön, joka suurella tarkkuudella kuvaa taivaankappaleiden liikettä miljardeja kilometrejä. Biologiaa on perinteisesti pidetty liian monimutkaisena matemaattiseen hoitoon.

Biologiset järjestelmät luokitellaan usein ”monimutkaisiksi”. Monimutkaisuus tässä mielessä tarkoittaa sitä, että monien alikomponenttien monimutkaisen vuorovaikutuksen vuoksi biologiset järjestelmät voivat osoittaa, mitä kutsumme esiin nousevaksi käyttäytymiseksi - järjestelmä kokonaisuudessaan osoittaa ominaisuuksia, joita yksittäiset komponentit yksin eivät voi. Tämä biokompleksisuus on usein väärässä vitalismi- väärinkäsitys siitä, että biologiset prosessit ovat riippuvaisia ​​fysiikan ja kemian lakeista erillisestä voimasta tai periaatteesta. Näin ollen on oletettu, että monimutkaiset biologiset järjestelmät eivät ole matemaattisia hoitoja.

Oli joitakin varhaisia ​​toisinajattelijoita. Kuuluisa tietotekniikan tutkija ja toisen maailmansodan katkaisija Alan Turing oli yksi ensimmäisistä, jotka viittaavat siihen, että biologisia ilmiöitä voitaisiin tutkia ja ymmärtää matemaattisesti. Vuonna 1952 hän ehdotti pari kauniita matemaattisia yhtälöitä jotka selittävät, miten pigmenttimallit voivat muodostaa eläinten takkeihin.

Hänen teoksensa ei ollut vain kaunis, se oli myös intuitiivinen - sellainen työ, jota vain loistava mieli, kuten Turingin, olisi voinut koskaan uneksia. Silloin hänellä oli vielä enemmän sääliä, että hänet kohdeltiin niin huonosti aikakauden drakonisten homoseksuaalisuuden vastaisissa laeissa. "Korjaavan" hormonihoidon jälkeen hän tappoi itsensä vain kaksi vuotta myöhemmin.

Kehittyvä kenttä

Siitä lähtien matemaattinen biologia on räjähtynyt. Viime vuosina yhä yksityiskohtaisemmat kokeelliset menettelyt ovat johtaneet siihen, että tiedemiehet voivat saada runsaasti biologisia tietoja. Näitä tietoja käytetään hypoteesien tuottamiseen aikaisemmin abstraktien biologisten järjestelmien monimutkaisuudesta. Näiden hypoteesien testaamiseksi ne on kirjoitettava mallin muodossa, joka voidaan kysyä sen määrittämiseksi, jäljittelekö se oikein biologisia havaintoja. Matematiikka on luonnollinen kieli, jolla tämä tehdään.

Lisäksi laskennallisen kyvyn syntyminen ja sen lisääntyminen viimeisten 60-vuosien aikana on antanut meille mahdollisuuden ehdottaa ja sitten kysyä monimutkaisia ​​biologisten järjestelmien matemaattisia malleja. Havaitseminen, että biologisia järjestelmiä voidaan käsitellä matemaattisesti yhdistettynä laskennalliseen kykyyn rakentaa ja tutkia yksityiskohtaisia ​​biologisia malleja, on johtanut matemaattisen biologian suosion dramaattiseen lisääntymiseen.

Matematiikasta on tullut elintärkeä ase tieteellisessä aseistossa, ja meidän on käsiteltävä joitakin kiireellisimpiä kysymyksiä lääketieteellisessä, biologisessa ja ekologisessa tieteen alalla 21st-luvulla. Kuvailemalla biologisia järjestelmiä matemaattisesti ja sitten käyttämällä tuloksena olevia malleja, voimme saada käsityksiä, joita on mahdotonta päästä kokeisiin ja sanalliseen päättelyyn yksin. Matemaattinen biologia on uskomattoman tärkeää, jos haluamme muuttaa biologiaa kuvailevasta ennustavaksi tiedoksi - antaa meille voimaa esimerkiksi estää pandemiat tai muuttaa heikentävien sairauksien vaikutuksia.

Uusi ase

Esimerkiksi viimeisten 50-vuosien aikana matemaattiset biologit ovat rakentaneet yhä monimutkaisempia laskennallisia esityksiä sydämen fysiologiasta. Nykyään näitä erittäin hienostuneita malleja käytetään pyrittäessä ymmärtämään paremmin ihmisen sydämen monimutkaista toimintaa. Sydämen toiminnan tietokoneiden simulaatioilla voidaan tehdä ennusteita siitä, miten sydän on vuorovaikutuksessa ehdokaslääkkeiden kanssa, joiden tarkoituksena on parantaa sen toimintaa, eikä tarvitse tehdä kalliita ja mahdollisesti riskialttiita kliinisiä tutkimuksia.

Käytämme myös matemaattista biologiaa sairauksien tutkimiseen. Yksittäisessä mittakaavassa tutkijat ovat selvittäneet mekanismeja, joilla immuunijärjestelmämme taistelee virusten kautta matemaattinen immunologia ja ehdotti mahdollisia toimenpiteitä vaakojen kaatamiseen meidän hyväksi. Laajemmassa mittakaavassa matemaattiset biologit ovat ehdottaneet mekanismeja, joita voidaan käyttää leviämisen hallintaan tappavat epidemiat, kuten Ebolaja sen varmistamiseksi, että tähän tarkoitukseen varatut rajalliset resurssit käytetään mahdollisimman tehokkaasti.

Matemaattista biologiaa käytetään jopa politiikan tiedottamiseen. Kalastusta on tehty esimerkiksi esimerkiksi matemaattisen mallinnuksen avulla realististen kiintiöiden asettamiseksi älä liikaa merillämme ja että suojelemme joitakin tärkeimmistä lajeistamme.

Matemaattisella lähestymistavalla saavutettu lisääntynyt ymmärrys voi johtaa biologian parempaan ymmärtämiseen erilaisissa mittakaavoissa. at Bathin matemaattisen biologian keskusesimerkiksi tutkimme useita puristavia biologisia ongelmia. Spektrin toisessa päässä pyrimme kehittämään strategioita tuholaisten tuhoisat vaikutukset jopa miljardi yksilöä. Toisaalta pyrimme selvittämään mekanismeja, jotka aiheuttavat oikean alkion kehittäminen.

Vaikka matemaattinen biologia on perinteisesti ollut sovellettavien matemaatikkojen verkkotunnus, on selvää, että matemaattikot, jotka itse luokittelevat puhtaana, osallistuvat matemaattiseen biologian vallankumoukseen. Topologian puhdasta kurinalaisuutta käytetään ymmärtämään DNA-pakkauksen oksainen ongelma ja algebrallista geometriaa käytetään sopivimman mallin valitsemiseksi biokemialliset vuorovaikutusverkot.

Koska matemaattisen biologian profiili jatkuu, tieteellisen taajuuden tieteenalojen kehittyviä ja vakiintuneita tutkijoita kehitetään käsittelemään biologian monipuolisia tärkeitä ja uusia ongelmia.

Turingin vallankumouksellinen ajatus, vaikkakaan ei ollut täysin arvostettu hänen aikanaan, osoitti, ettei ole tarvetta vedota vitalismiin - koneeseen kuuluvaan jumalaan - ymmärtämään biologisia prosesseja. Matematiikassa tai ”matemaattisessa biologiassa” koodatut kemialliset ja fyysiset lait, kuten me nyt sitä kutsumme, voivat tehdä hienosti.

Author

Christian Yates, luennoitsija matemaattisessa biologiassa, Bathin yliopisto

Tämä artikkeli julkaistiin alunperin Conversation. Lue alkuperäinen artikkeli.

Liittyvät kirjat:

at InnerSelf Market ja Amazon