Matematica este limbajul științei. Apare peste tot de la fizică la inginerie și chimie - ajutându-ne să înțelegem originile universului și să construim poduri care nu se vor prăbuși în vânt. Poate un pic mai surprinzător, matematica este tot mai integrantă în biologie.

De sute de ani matematica a fost folosită, în mare măsură, pentru a modela sisteme fizice relativ simple. Al lui Newton legea universală a gravitației este un bun exemplu. Observații relativ simple au condus la o regulă care, cu o mare acuratețe, descrie mișcarea corpurilor cerești la miliarde de mile distanță. În mod tradițional, biologia a fost privită ca fiind prea complicată pentru a se supune unui astfel de tratament matematic.

Sistemele biologice sunt adesea clasificate ca „complexe”. Complexitatea în acest sens înseamnă că, datorită interacțiunii complicate a multor sub-componente, sistemele biologice pot prezenta ceea ce numim comportament emergent - sistemul în ansamblu demonstrează proprietăți pe care componentele individuale care acționează singure nu le pot. Această biocomplexitate a fost adesea confundată cu vitalism, concepția greșită că procesele biologice sunt dependente de o forță sau un principiu distinct de legile fizicii și chimiei. În consecință, s-a presupus că sistemele biologice complexe nu sunt supuse tratamentului matematic.

Au existat niște disidenți timpurii. Faimos om de știință în informatică și ruptor de cod din al doilea război mondial Alan Turing a fost unul dintre primii care a sugerat că fenomenele biologice ar putea fi studiate și înțelese matematic. În 1952 a propus o pereche de frumoase ecuații matematice care oferă o explicație a modului în care s-ar putea forma modelele de pigmentare pe hainele animalelor.

Nu numai că lucrarea sa a fost frumoasă, ci și contra-intuitivă - genul de lucru pe care doar o minte strălucitoare, precum cea a lui Turing, ar fi putut să o viseze vreodată. Chiar mai mult păcat, atunci, că a fost atât de prost tratat în conformitate cu legile draconice anti-homosexualitate ale vremii. După un curs de tratament hormonal „corectiv”, el s-a sinucis doar doi ani mai târziu.

Un domeniu emergent

De atunci, domeniul biologie matematică a explodat. În ultimii ani, procedurile experimentale din ce în ce mai detaliate au condus la un aflux uriaș de date biologice disponibile oamenilor de știință. Aceste date sunt folosite pentru a genera ipoteze despre complexitatea sistemelor biologice abstruse anterior. Pentru a testa aceste ipoteze, acestea trebuie notate sub forma unui model care poate fi interogat pentru a determina dacă imită corect observațiile biologice. Matematica este limbajul natural în care să faci acest lucru.

În plus, apariția și creșterea ulterioară a capacității de calcul în ultimii 60 de ani ne-a permis să sugerăm și apoi să interogăm modele matematice complexe ale sistemelor biologice. Realizarea faptului că sistemele biologice pot fi tratate matematic, împreună cu capacitatea de calcul de a construi și investiga modele biologice detaliate, a dus la creșterea dramatică a popularității biologiei matematice.

Matematica a devenit o armă vitală în armeria științifică, pentru a aborda unele dintre cele mai presante întrebări din știința medicală, biologică și ecologică din secolul XXI. Prin descrierea matematică a sistemelor biologice și apoi folosirea modelelor rezultate, putem obține informații care sunt imposibil de accesat doar prin experimente și raționamente verbale. Biologia matematică este extrem de importantă dacă vrem să schimbăm biologia dintr-o știință descriptivă într-o știință predictivă - oferindu-ne, de exemplu, puterea de a evita pandemiile sau de a modifica efectele bolilor debilitante.

O nouă armă

În ultimii 50 de ani, de exemplu, biologii matematici au construit reprezentări computaționale din ce în ce mai complexe ale fiziologiei inimii. Astăzi, aceste modele extrem de sofisticate sunt utilizate pentru a înțelege mai bine funcționarea complicată a inimii umane. Simulările computerizate ale funcției inimii ne permit să facem predicții despre modul în care inima va interacționa cu medicamentele candidate, concepute pentru a-și îmbunătăți funcția, fără a fi nevoie să întreprindem studii clinice costisitoare și potențial riscante.

Folosim biologia matematică pentru a studia și boala. La scară individuală, cercetătorii au elucidat mecanismele prin care sistemul nostru imunitar se luptă cu virușii imunologie matematică și a sugerat intervenții potențiale pentru înclinarea balanței în favoarea noastră. La o scară mai largă, biologii matematici au propus mecanisme care pot fi utilizate pentru a controla răspândirea epidemii mortale precum Ebola, și pentru a se asigura că resursele finite dedicate acestui scop sunt utilizate în cel mai eficient mod posibil.

Biologia matematică este chiar folosită pentru a informa politica. De exemplu, s-au făcut cercetări în domeniul pescuitului, folosind modelarea matematică pentru a stabili cote realiste pentru a ne asigura că nu pescuiti peste marile noastre și că protejăm unele dintre cele mai importante specii ale noastre.

Înțelegerea crescută obținută printr-o abordare matematică poate duce la o mai bună înțelegere a biologiei la o gamă de scări diferite. La Centrul de biologie matematică din Bath, de exemplu, studiem o serie de probleme biologice presante. La un capăt al spectrului, încercăm să dezvoltăm strategii pentru evitarea efecte devastatoare ale plăgilor de lăcuste cuprinzând până la un miliard de indivizi. La celălalt capăt, încercăm să elucidăm mecanismele care dau naștere corectului dezvoltarea embrionului.

Deși biologia matematică a fost în mod tradițional domeniul matematicienilor aplicați, este clar că matematicienii care se autoclasifică drept puri au un rol de jucat în revoluția biologiei matematice. Disciplina pură a topologiei este folosită pentru a înțelege problemă nodulară a ambalării ADN-ului iar geometria algebrică este utilizată pentru a selecta cel mai potrivit model de rețele de interacțiune biochimică.

Pe măsură ce profilul biologiei matematice continuă să crească, oamenii de știință emergenți și consacrați din discipline din întregul spectru științific vor fi atrași pentru a aborda gama bogată de probleme importante și noi pe care biologia le oferă.

Ideea revoluționară a lui Turing, deși nu a fost pe deplin apreciată la vremea sa, a demonstrat că nu era nevoie să apelăm la vitalism - zeul din mașină - pentru a înțelege procesele biologice. Legile chimice și fizice codificate în matematică sau „biologia matematică” așa cum o numim acum ar putea merge bine.

Despre autor

Christian Yates, lector în biologie matematică, Universitatea din Bath

Acest articol a fost publicat inițial Conversaţie. Citeste Articol original.

Cărți asemănătoare:

at InnerSelf Market și Amazon