Математика - це мова науки. Він з’являється всюди - від фізики до техніки та хімії - допомагаючи нам зрозуміти походження Всесвіту та побудувати мости, які не зруйнуються під час вітру. Можливо, трохи більш дивно, але математика також стає все більш невід’ємною частиною біології.

Протягом сотень років математика, з великим ефектом, використовувалася для моделювання відносно простих фізичних систем. Ньютона загальний закон гравітації є прекрасним прикладом. Відносно прості спостереження привели до правила, яке з великою точністю описує рух небесних тіл за мільярди миль від нас. Традиційно біологію вважали надто складною, щоб піддаватися такому математичному опрацюванню.

Біологічні системи часто класифікують як «складні». Складність у цьому сенсі означає, що через складну взаємодію багатьох підкомпонентів біологічні системи можуть виявляти те, що ми називаємо емерджентною поведінкою-система в цілому демонструє властивості, які окремі компоненти, які діють окремо, не можуть. Цю біоскладність часто помилково приймали за віталізм, хибна думка, що біологічні процеси залежать від сили чи принципу, відмінного від законів фізики та хімії. Отже, було припущено, що складні біологічні системи не піддаються математичній обробці.

Було кілька перших інакомислячих. Відомий комп’ютерний учений та порушник кодів Другої світової війни Алан Тьюринг був одним із перших, хто припустив, що біологічні явища можна вивчати та розуміти математично. У 1952 році він запропонував пару красиві математичні рівняння які пояснюють, як пігментація може утворюватися на пальто тварин.

Його робота не тільки була красивою, але й мала інтуїтивну роботу-таку роботу, про яку міг мріяти лише такий блискучий розум, як Тьюрінг. Тож ще більше шкода, що до нього так погано ставилися за тодішніми драконівськими законами проти гомосексуалізму. Після курсу «коригуючого» гормонального лікування він вбив себе лише через два роки.

Поле, що формується

З тих пір галузь математична біологія вибухнула. В останні роки все більш детальні експериментальні процедури призвели до величезного припливу біологічних даних, доступних для вчених. Ці дані використовуються для генерування гіпотез про складність раніше загрозливих біологічних систем. Щоб перевірити ці гіпотези, їх слід записати у формі моделі, яку можна допитати, щоб визначити, чи правильно вона імітує біологічні спостереження. Математика - це природна мова, якою це потрібно робити.

Крім того, поява та подальше збільшення обчислювальних можливостей за останні 60 років дозволило нам запропонувати, а потім допитати складні математичні моделі біологічних систем. Усвідомлення того, що біологічні системи можна розглядати математично, у поєднанні з обчислювальною здатністю будувати та досліджувати детальні біологічні моделі, призвело до різкого зростання популярності математичної біології.

Математика стала важливою зброєю в науковому озброєнні, з яким ми маємо вирішити деякі найактуальніші питання медичної, біологічної та екологічної науки ХХІ століття. Математично описуючи біологічні системи, а потім використовуючи отримані моделі, ми можемо отримати уявлення, до яких неможливо отримати доступ лише за допомогою експериментів та словесних міркувань. Математична біологія надзвичайно важлива, якщо ми хочемо змінити біологію з описової на науку, що передбачає, - що дає нам силу, наприклад, запобігати пандеміям або змінювати наслідки виснажливих хвороб.

Нова зброя

Наприклад, за останні 50 років математики -біологи створили все більш складні обчислювальні уявлення про фізіологію серця. Сьогодні ці високодосконалі моделі використовуються для спроби краще зрозуміти складну роботу людського серця. Комп'ютерне моделювання роботи серця дозволяє нам передбачити, як серце буде взаємодіяти з лікарськими засобами -кандидатами, призначеними для поліпшення його функції, без необхідності проводити дорогі та потенційно ризиковані клінічні випробування.

Ми також використовуємо математичну біологію для вивчення хвороб. В індивідуальному масштабі дослідники з’ясували механізми, за допомогою яких наша імунна система бореться з вірусами математична імунологія та запропонували можливі втручання для перекидання ваг на нашу користь. У більш широкому масштабі математики -біологи запропонували механізми, які можна використовувати для контролю за поширенням смертельні епідемії, такі як Еболата забезпечити максимально ефективне використання обмежених ресурсів, призначених для цієї мети.

Математична біологія навіть використовується для формування політики. Було проведено дослідження рибальства, наприклад, за допомогою математичного моделювання для встановлення реалістичних квот, щоб забезпечити не виловлюйте наших морів і що ми охороняємо деякі з наших найважливіших видів.

Підвищення розуміння, отримане шляхом застосування математичного підходу, може призвести до кращого розуміння біології в різних масштабах. При Центр математичної біології в Батінаприклад, ми вивчаємо низку нагальних біологічних проблем. В одному кінці спектру ми намагаємось розробити стратегії запобігання руйнівні наслідки чуми сарани що налічує до мільярда осіб. З іншого боку, ми намагаємось з'ясувати механізми, які породжують правильне розвиток ембріона.

Хоча математична біологія традиційно належала до сфери прикладних математиків, очевидно, що математики, які самостійно класифікуються як чисті, відіграють певну роль у революції математичної біології. Чиста дисципліна топології використовується для розуміння вузлова проблема упаковки ДНК і алгебраїчна геометрія використовується для вибору найбільш підходящої моделі біохімічні мережі взаємодії.

У міру того, як профіль математичної біології продовжує зростати, нові та визнані вчені з дисциплін у всьому науковому спектрі будуть залучатися до вирішення широкого спектру важливих та нових проблем, які може запропонувати біологія.

Революційна ідея Тьюрінга, хоча свого часу не була повністю оцінена, продемонструвала, що немає потреби звертатися до віталізму - бога в машині - для розуміння біологічних процесів. Хімічні та фізичні закони, закодовані в математиці, або “математичній біології”, як ми її зараз називаємо, могли б працювати чудово.

про автора

Крістіан Йейтс, викладач математичної біології, Університет ванни

Ця стаття була спочатку опублікована на Бесіда. Читати оригінал статті.

Схожі книги:

at InnerSelf Market і Amazon