Математика - это язык науки. Он появляется повсюду от физики до техники и химии - помогает нам понять истоки Вселенной и строить мосты, которые не разрушатся на ветру. Возможно, еще более удивительно, что математика также становится все более неотъемлемой частью биологии.

В течение сотен лет математика использовала, к большому эффекту, моделирование относительно простых физических систем. Ньютона универсальный закон тяготения является прекрасным примером. Относительно простые наблюдения привели к правилу, которое с большой точностью описывает движение небесных тел в миллиардах миль. Традиционно биология считалась слишком сложной, чтобы подчиняться такому математическому лечению.

Биологические системы часто классифицируются как «сложные». Сложность в этом смысле означает, что из-за сложного взаимодействия многих подкомпонентов биологические системы могут проявлять то, что мы называем возникающим поведением - система в целом демонстрирует свойства, которые отдельные отдельные компоненты, действующие сами по себе, не могут. Эта биокомплектация часто ошибочно принималась за витализм, заблуждение о том, что биологические процессы зависят от силы или принципа, отличного от законов физики и химии. Следовательно, предполагается, что сложные биологические системы не поддаются математической обработке.

Были ранние диссиденты. Знаменитый компьютерный ученый и кодовый ключ Второй мировой войны Алан Тьюринг был одним из первых, кто предположил, что биологические явления могут быть изучены и поняты математически. В 1952 он предложил пару красивые математические уравнения которые дают объяснение того, как могут образовываться образцы пигментации на пальто животных.

Мало того, что его работа была прекрасной, это было также противоречиво - такая работа, которую мог бы когда-либо мечтать только такой блестящий ум, как Тьюринга. Еще более жаль, что он так плохо относился к драконовским законам против гомосексуализма того времени. После курса «корректирующего» гормонального лечения он убил себя всего два года спустя.

Появляющаяся область

С тех пор поле математическая биология взорвался. В последние годы все более подробные экспериментальные процедуры привели к огромному притоку биологических данных, доступных ученым. Эти данные используются для генерации гипотез о сложности ранее заумных биологических систем. Чтобы проверить эти гипотезы, они должны быть записаны в виде модели, которую можно опросить, чтобы определить, правильно ли она имитирует биологические наблюдения. Математика - естественный язык, в котором это можно сделать.

Кроме того, появление и последующее увеличение вычислительной способности в течение последних 60 лет позволило нам предложить и затем опросить сложные математические модели биологических систем. Реализация того, что биологические системы можно рассматривать математически, в сочетании с вычислительной способностью строить и исследовать подробные биологические модели, привела к резкому увеличению популярности математической биологии.

Математика стала жизненно важным оружием в научном арсенале, в котором мы должны заняться некоторыми из наиболее неотложных вопросов в медицинской, биологической и экологической науке в 21st веке. Характеризуя биологические системы математически, а затем используя полученные модели, мы можем получить информацию, которые невозможно получить, хотя эксперименты и вербальные рассуждения в одиночку. Математическая биология невероятно важна, если мы хотим изменить биологию из описательной в прогностическую науку - давая нам силу, например, чтобы предотвратить пандемию или изменить последствия изнурительных болезней.

Новое оружие

Например, за последние 50 годы математические биологи создали все более сложные вычислительные представления о физиологии сердца. Сегодня эти высокотехнологичные модели используются для того, чтобы лучше понять сложное функционирование человеческого сердца. Компьютерное моделирование функции сердца позволяет нам делать прогнозы о том, как сердце будет взаимодействовать с лекарственными средствами-кандидатами, предназначенное для улучшения его функции, без необходимости проведения дорогостоящих и потенциально опасных клинических испытаний.

Мы также используем математическую биологию для изучения болезни. В индивидуальном масштабе исследователи выяснили механизмы, с помощью которых наша иммунная система сражается с вирусами через математическая иммунология и предложил возможные вмешательства для опрокидывания шкал в нашу пользу. В более широком масштабе математические биологи предложили механизмы, которые можно использовать для контроля распространения смертельные эпидемии, такие как Эбола, и обеспечить, чтобы ограниченные ресурсы, предназначенные для этой цели, использовались наиболее эффективным образом.

Математическая биология даже используется для информирования о политике. Например, были проведены исследования в области рыболовства, используя математическое моделирование для установления реалистичных квот, чтобы обеспечить не перекармливать наши моря и что мы защищаем некоторые из наших самых важных видов.

Повышенное понимание, получаемое математическим подходом, может привести к лучшему пониманию биологии в различных масштабах. В Центр математической биологии в бане, например, мы изучаем ряд неотложных биологических проблем. На одном конце спектра мы пытаемся разработать стратегии для предотвращения разрушительные последствия язв саранчи включая до миллиарда человек. С другой стороны, мы пытаемся выяснить механизмы, которые приводят к правильному развитие эмбриона.

Хотя математическая биология традиционно является областью прикладных математиков, ясно, что математики, которые классифицируются как чистые, играют определенную роль в революции математической биологии. Чистая дисциплина топологии используется для понимания узловатая проблема упаковки ДНК и алгебраическая геометрия используется для выбора наиболее подходящей модели сети биохимического взаимодействия.

По мере того, как профиль математической биологии продолжает расти, появляющиеся и созданные ученые из дисциплин по всему спектру научных исследований будут привлечены к решению широкого круга важных и новых проблем, которые может предложить биология.

Революционная идея Тьюринга, хотя и не полностью оцененная в свое время, показала, что нет необходимости обращаться к витализму - богу в машине - к пониманию биологических процессов. Химические и физические законы, закодированные в математике, или «математическая биология», как мы теперь называем это, могли бы быть очень хорошими.

Об авторе

Кристиан Йейтс, преподаватель математической биологии, Университет Бата

Эта статья изначально была опубликована в Беседа, Прочтите оригинал статьи.

Похожие книги:

at Внутренний рынок самовыражения и Amazon