Matematik bilimin dilidir. Fizikten mühendisliğe ve kimyaya kadar her yerde yetişir - evrenin kökenlerini anlamada ve rüzgarda çökmeyen köprüleri inşa etmemize yardımcı olur. Belki biraz daha şaşırtıcı bir şekilde, matematik de gittikçe artan bir şekilde biyolojiyle bütünleşiyor.

Yüzlerce yıldır, nispeten basit fiziksel sistemleri modellemek için büyük etki için matematik kullanılmıştır. Newton evrensel çekim kanunu güzel bir örnek. Nispeten basit gözlemler, göksel cisimlerin milyarlarca mil uzaktaki hareketini büyük bir doğrulukla tanımlayan bir kurala yol açtı. Geleneksel olarak, biyoloji bu matematiksel tedaviye sunulmak için çok karmaşık olarak görülmüştür.

Biyolojik sistemler genellikle “karmaşık” olarak sınıflandırılır. Bu anlamda karmaşıklık, birçok alt bileşenin karmaşık etkileşimi nedeniyle, biyolojik sistemlerin ortaya çıkan davranış olarak adlandırdıklarını gösterebileceği anlamına gelir - bir bütün olarak sistem, tek tek bileşenlerin tek başına hareket edemediği özellikleri gösterir. Bu biyouyumluluk çoğunlukla dirimselcilikBiyolojik işlemlerin, fizik ve kimya kanunlarından farklı bir kuvvete veya ilkeye bağlı olduğu yanılgısı. Sonuç olarak, karmaşık biyolojik sistemlerin matematiksel işlemlere uygun olmadığı varsayılmıştır.

Bazı erken muhalifler vardı. Ünlü bilgisayar bilimci ve II. Dünya Savaşı kod kırıcı Alan Turing biyolojik olayların matematiksel olarak incelenebileceğini ve anlaşılabileceğini öne süren ilk kişilerden biriydi. 1952'te bir çift önerdi güzel matematiksel denklemler pigmentasyon desenlerinin hayvanların katlarında nasıl oluşabileceği hakkında bir açıklama sunar.

Çalışması sadece güzel değildi, aynı zamanda karşı sezgiseldi - Turing'inki gibi mükemmel bir aklın hayal edebileceği türden bir iş. Daha da yazık, o zaman, o zamanın draconian eşcinsellik karşıtı yasaları altında çok kötü bir şekilde tedavi edildi. “Düzeltici” hormon tedavisinden sonra, iki yıl sonra kendini öldürdü.

Gelişen bir alan

O zamandan beri matematiksel biyoloji patladı. Son yıllarda, giderek daha ayrıntılı deneysel prosedürler bilim adamları için mevcut biyolojik verilerde büyük bir akıma yol açmıştır. Bu veriler daha önce istismar edilmeyen biyolojik sistemlerin karmaşıklığı hakkında hipotezler üretmek için kullanılıyor. Bu hipotezleri test etmek için, biyolojik gözlemleri doğru şekilde taklit edip etmediğini belirlemek için sorgulanabilecek bir model şeklinde yazılmalıdır. Matematik, bunun yapılacağı doğal dildir.

Ek olarak, son 60 yılındaki hesaplama yeteneğinin ortaya çıkışı ve ardından artması, biyolojik sistemlerin karmaşık matematiksel modellerini önermemize ve sorgulamamıza olanak sağlamıştır. Biyolojik sistemlerin matematiksel olarak ele alınabileceği, ayrıntılı biyolojik modellerin oluşturulması ve araştırılması için gerekli hesaplama kabiliyetinin bir araya getirilmesi, matematiksel biyolojinin popülaritesinde çarpıcı bir artışa neden olmuştur.

Matematik, 21. Yüzyılda tıbbi, biyolojik ve ekolojik bilimlerde en acil sorulardan bazılarını ele almamız gereken bilimsel cephanede hayati bir silah haline geldi. Biyolojik sistemleri matematiksel olarak tanımlayarak ve daha sonra ortaya çıkan modelleri kullanarak, yalnızca deneylere ve sözlü akıl yürütmeye rağmen erişmenin imkansız olduğu görüşlerini elde edebiliriz. Biyolojiyi tanımlayıcıdan prediktif bir bilime dönüştürmek istiyorsak, örneğin bize pandemiyi önleme veya zayıflatıcı hastalıkların etkilerini değiştirme gücü verirsek, matematiksel biyoloji inanılmaz derecede önemlidir.

Yeni bir silah

Örneğin, son 50 yıllarında, matematiksel biyologlar kalbin fizyolojisinin giderek daha karmaşık hesaplamalı gösterimlerini inşa ettiler. Bugün, bu son derece sofistike modeller insan kalbinin karmaşık işleyişini daha iyi anlamak için kullanılmaktadır. Kalp fonksiyonunun bilgisayar simülasyonları, kalbin, pahalı ve potansiyel olarak riskli klinik denemeler yapmak zorunda kalmadan, fonksiyonunu geliştirmek için tasarlanan aday ilaçlarla nasıl etkileşime gireceği konusunda tahminlerde bulunmamızı sağlar.

Hastalığı incelemek için matematiksel biyoloji de kullanıyoruz. Bireysel bir ölçekte, araştırmacılar bağışıklık sistemimizin virüslerle savaşdığı mekanizmaları açıkladılar. matematiksel immünoloji ve ölçekleri lehimize çevirmek için olası müdahaleler önerdi. Daha geniş bir ölçekte, matematiksel biyologlar, dağılımını kontrol etmek için kullanılabilecek mekanizmalar önerdiler. Ebola gibi ölümcül salgınlarve bu amaca yönelik sınırlı kaynakların mümkün olan en verimli şekilde kullanılmasını sağlamak.

Matematiksel biyoloji politikaları bilgilendirmek için bile kullanılıyor. Balık avı konusunda araştırmalar yapılmıştır, örneğin gerçekçi kotalar belirlemek için matematiksel modelleme kullanmak denizlerimizi fazla balık avlama ve en önemli türlerimizden bazılarını koruduğumuzu.

Matematiksel bir yaklaşım benimseyerek artan kavrama, biyolojinin farklı ölçeklerde daha iyi anlaşılmasına yol açabilir. at Hamamında Matematiksel Biyoloji Merkeziörneğin, bazı acil biyolojik problemleri inceliyoruz. Spektrumun bir ucunda, onu önlemek için stratejiler geliştirmeye çalışıyoruz. akasya vebalarının yıkıcı etkileri Bir milyar kişiye kadar oluşan. Diğer taraftan, doğru olanı doğuran mekanizmaları açıklamaya çalışıyoruz. embriyonun gelişimi.

Her ne kadar matematiksel biyoloji geleneksel olarak uygulamalı matematikçilerin alanı olmuş olsa da, saf olarak kendini sınıflandıran matematikçilerin matematiksel biyoloji devriminde oynayabilecekleri bir rol olduğu açıktır. Topolojinin saf disiplini anlamak için kullanılıyor DNA paketleme düğümlü sorunu cebirsel geometri en uygun modeli seçmek için kullanılıyor biyokimyasal etkileşim ağları.

Matematiksel biyoloji profili yükselmeye devam ederken, biyolojinin sunduğu zengin ve önemli problemlerin üstesinden gelmek için bilimsel spektrumdaki disiplinlerden ortaya çıkan ve kurulan bilim adamları çizilecektir.

Turing'in devrimci fikri, zamanında tam olarak takdir edilmese de, biyolojik süreçleri anlamak için yaşam makinelerine - makinedeki tanrıya - itiraz etmeye gerek olmadığını gösterdi. Matematikte kodlanmış kimyasal ve fiziksel yasalar veya şimdi dediğimiz gibi “matematiksel biyoloji” gayet iyi olabilirdi.

Yazar hakkında

Christian Yates, Matematiksel Biyoloji Öğretmeni, University of Bath

Bu yazı orijinalinde Konuşma. Okumak Orijinal makale.

İlgili Kitaplar:

at InnerSelf Pazarı ve Amazon