Matematik adalah bahasa sains. Ia tumbuh di mana-mana dari fizik ke kejuruteraan dan kimia - membantu kita memahami asal-usul alam semesta dan membina jambatan yang tidak akan runtuh dalam angin. Mungkin sedikit lebih menghairankan, matematik juga semakin integral kepada biologi.

Untuk beratus-ratus tahun matematik telah digunakan, untuk memberi kesan yang besar, untuk model sistem fizikal yang agak mudah. Newton hukum graviti sejagat adalah contoh yang baik. Pemerhatian yang agak sederhana membawa kepada peraturan yang, dengan ketepatan yang besar, menerangkan pergerakan benda angkasa yang berbilion batu jauhnya. Secara tradisinya, biologi dianggap terlalu rumit untuk diserahkan kepada rawatan matematik seperti itu.

Sistem biologi sering dikelaskan sebagai "kompleks". Kerumitan dalam pengertian ini bererti bahawa, akibat interaksi rumit dari banyak sub-komponen, sistem biologi dapat memperlihatkan apa yang kita sebut kelakuan yang muncul - sistem secara keseluruhannya menunjukkan ciri-ciri yang komponen individu bertindak sendiri tidak boleh. Biokompleksiti ini sering disalah anggap vitalisme, salah tanggapan bahawa proses biologi bergantung kepada kekuatan atau prinsip yang berbeza dari undang-undang fizik dan kimia. Akibatnya, telah dianggap bahawa sistem biologi kompleks tidak dapat diterima oleh rawatan matematik.

Terdapat beberapa penentang awal. Ahli sains komputer terkenal dan pemecah kod Perang Dunia II Alan Turing adalah salah satu daripada yang pertama mencadangkan bahawa fenomena biologi boleh dikaji dan difahami secara matematik. Di 1952, beliau mencadangkan sepasang persamaan matematik yang indah yang memberi penjelasan mengenai bagaimana corak pigmentasi boleh terbentuk pada mantel haiwan.

Bukan sahaja kerjanya cantik, ia juga bersifat kontra-intuitif - semacam kerja yang hanya fikiran yang bijak seperti Turing yang pernah bermimpi. Lebih sedih lagi, maka, dia sangat dilayan di bawah undang-undang anti-homoseksual yang dahsyat pada masa itu. Setelah menjalani rawatan "pembetulan" hormon, dia membunuh dirinya hanya dua tahun kemudian.

Medan yang baru muncul

Sejak itu, bidang biologi matematik telah meletup. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, prosedur eksperimen yang semakin terperinci telah membawa kepada kebanjiran besar dalam data biologi yang ada kepada saintis. Data ini digunakan untuk menghasilkan hipotesis tentang kerumitan sistem biologi sebelum ini. Untuk menguji hipotesis ini, ia mesti ditulis dalam bentuk model yang boleh disoal siasat untuk menentukan sama ada ia benar meniru pemerhatian biologi. Matematik adalah bahasa semula jadi di mana untuk melakukan ini.

Di samping itu, kemunculan, dan peningkatan seterusnya, keupayaan pengkomputeran sepanjang tahun-tahun terakhir 60 telah membolehkan kita mencadangkan dan kemudian menyoal model matematik kompleks sistem biologi. Kesedaran bahawa sistem biologi dapat dirawat secara matematik, ditambah dengan keupayaan komputasi untuk membina dan menyiasat model biologi terperinci, telah membawa kepada kenaikan dramatik dalam populariti biologi matematik.

Matematik telah menjadi senjata penting dalam senjata saintifik yang kita perlu menangani beberapa soalan yang paling mendesak dalam sains perubatan, biologi dan ekologi dalam abad 21st. Dengan menerangkan sistem biologi secara matematik dan kemudian menggunakan model yang dihasilkan, kita dapat memperoleh pandangan yang mustahil untuk diakses walaupun percubaan dan penalaran lisan sahaja. Biologi matematik sangat penting jika kita ingin menukar biologi dari deskriptif ke sains ramalan - memberi kita kuasa, sebagai contoh, untuk mengelakkan pandemik atau mengubah kesan penyakit yang melemahkan.

Senjata baru

Sepanjang tahun-tahun terakhir 50, sebagai contoh, ahli biologi matematik telah membina perwakilan pengiraan yang semakin rumit mengenai fisiologi jantung. Hari ini, model-model yang sangat canggih ini digunakan dalam usaha untuk memahami lebih baik fungsi yang rumit hati manusia. Simulasi komputer fungsi jantung membolehkan kita membuat ramalan tentang bagaimana jantung akan berinteraksi dengan ubat-ubatan calon, yang direka untuk memperbaiki fungsinya, tanpa perlu melakukan ujian klinikal yang mahal dan berpotensi berisiko.

Kami menggunakan biologi matematik untuk mempelajari penyakit juga. Pada skala individu, penyelidik telah menjelaskan mekanisme sistem kekebalan tubuh kita yang berperang dengan virus melalui imunologi matematik dan mencadangkan kemungkinan campur tangan untuk menjaringkan skala yang kami nikmati. Pada skala yang lebih luas, ahli matematik matematik telah mencadangkan mekanisme yang boleh digunakan untuk mengawal penyebaran wabak maut seperti Ebola, dan untuk memastikan sumber terhingga yang didedikasikan untuk tujuan ini digunakan dengan cara yang paling berkesan.

Biologi matematik juga digunakan untuk memaklumkan dasar. Terdapat penyelidikan yang dilakukan pada perikanan misalnya, dengan menggunakan pemodelan matematik untuk menetapkan kuota yang realistik untuk memastikan kami jangan mengatasi lautan kita dan kita melindungi beberapa spesies kita yang paling penting.

Peningkatan kefahaman yang diperoleh dengan mengambil pendekatan matematik boleh membawa kepada pemahaman yang lebih baik tentang biologi pada pelbagai skala yang berbeza. Pada Pusat Biologi Matematik di Bath, sebagai contoh, kita mengkaji sejumlah masalah biologi yang menekan. Pada satu hujung spektrum, kami cuba mengembangkan strategi untuk mengelakkannya kesan buruk daripada wabak belalang terdiri sehingga satu bilion individu. Di sisi lain, kami cuba untuk menjelaskan mekanisme yang menimbulkan masalah yang betul perkembangan embrio.

Walaupun biologi matematik secara tradisinya menjadi domain ahli matematik yang digunakan, adalah jelas bahawa ahli matematik yang mengklasifikasikan dirinya sebagai murni mempunyai peranan untuk bermain dalam revolusi biologi matematik. Disiplin tulen topologi sedang digunakan untuk memahami masalah pembungkusan DNA yang rumit dan geometri algebra digunakan untuk memilih model yang paling sesuai rangkaian interaksi biokimia.

Oleh kerana profil biologi matematik terus meningkat, ahli sains yang muncul dan ditubuhkan dari disiplin merentasi spektrum saintifik akan ditarik untuk menangani pelbagai masalah penting dan novel yang ditawarkan oleh biologi.

Idea revolusioner Turing, walaupun tidak sepenuhnya dihargai di zamannya, menunjukkan bahawa tidak ada keperluan untuk merayu kepada vitalisme - dewa dalam mesin - untuk memahami proses biologi. Undang-undang kimia dan fizikal yang dikodkan dalam matematik, atau "biologi matematik" seperti yang kita panggil sekarang, boleh berbuat baik-baik saja.

Tentang Pengarang

Christian Yates, Pensyarah dalam Biologi Matematik, University of Bath

Artikel ini pada asalnya diterbitkan pada Perbualan. Membaca artikel asal.

Buku berkaitan:

at InnerSelf Market dan Amazon