الرياضيات هي لغة العلم. إنه ينتشر في كل مكان من الفيزياء إلى الهندسة والكيمياء - يساعدنا في فهم أصول الكون وبناء الجسور التي لن تنهار في الريح. ولعل الأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أن الرياضيات هي أيضا جزء متزايد من علم الأحياء.

منذ مئات السنين ، تم استخدام الرياضيات بشكل كبير لتكوين أنظمة فيزيائية بسيطة نسبيًا. نيوتن قانون عالمي للجاذبية هو مثال جيد. أدت الملاحظات البسيطة نسبياً إلى قاعدة تصف بدقة كبيرة حركة الأجرام السماوية التي تبعد مليارات الأميال. تقليديا ، ينظر إلى البيولوجيا على أنها معقدة للغاية بحيث لا يمكن تقديمها لمثل هذه المعالجة الرياضية.

غالبا ما يتم تصنيف النظم البيولوجية على أنها "معقدة". ويعني التعقيد بهذا المعنى أنه ، بسبب التفاعل المعقد للعديد من المكونات الفرعية ، يمكن للأنظمة البيولوجية أن تظهر ما نسميه السلوك الطارئ - حيث يوضح النظام ككل الخصائص التي لا تستطيع المكونات الفردية التي تعمل بمفردها. غالبًا ما كان هذا الخلط الحيوي مخطئًا الحيوية المذهب الحيوي، الاعتقاد الخاطئ بأن العمليات البيولوجية تعتمد على قوة أو مبدأ متميز عن قوانين الفيزياء والكيمياء. وبالتالي ، افترضنا أن الأنظمة البيولوجية المعقدة غير قابلة للمعالجة الرياضية.

كان هناك بعض المنشقين المبكرين. عالم الكمبيوتر الشهير وكسر رمز الحرب العالمية الثانية آلان تورينج كان واحدا من أول من اقترح أن الظواهر البيولوجية يمكن دراستها وفهمها رياضيا. في 1952 اقترح زوج من معادلات رياضية جميلة التي تقدم تفسيرا لكيفية تشكيل أنماط التصبغ على معاطف الحيوانات.

لم يكن عمله جميلًا فحسب ، بل كان أيضًا غير بديهي - وهو نوع العمل الذي كان يمكن لعقل لامع فقط مثله مثل Turing أن يحلم به. حتى أكثر من الشفقة ، إذن ، أنه كان يعامل معاملة سيئة للغاية في ظل قوانين مكافحة المثلية الوحشية في ذلك الوقت. بعد مسار العلاج الهرموني "التصحيحي" ، قتل نفسه بعد عامين فقط.

حقل جديد

منذ ذلك الحين ، مجال علم الأحياء الرياضي قد انفجرت. في السنوات الأخيرة ، أدت الإجراءات التجريبية على نحو متزايد إلى تدفق أعداد كبيرة من البيانات البيولوجية المتاحة للعلماء. يتم استخدام هذه البيانات لتوليد فرضيات حول مدى تعقيد الأنظمة البيولوجية التي كانت موجودة سابقًا. من أجل اختبار هذه الفرضيات ، يجب كتابتها في شكل نموذج يمكن استجوابه لتحديد ما إذا كان يقلد الملاحظات البيولوجية بشكل صحيح. الرياضيات هي اللغة الطبيعية للقيام بذلك.

بالإضافة إلى ذلك ، فقد أتاح ظهور القدرة الحسابية واللاحقة لها في القدرة الحسابية على سنوات 60 الأخيرة اقتراح نماذج رياضية معقدة للأنظمة البيولوجية ثم استجوابها. إدراك أن النظم البيولوجية يمكن علاجها رياضيا ، إلى جانب القدرة الحسابية على بناء والتحقيق في نماذج بيولوجية مفصلة ، أدى إلى زيادة هائلة في شعبية علم الأحياء الرياضي.

لقد أصبحت الرياضيات سلاحًا حيويًا في مستودع الأسلحة العلمية ، لذا يتعين علينا معالجة بعض أكثر الأسئلة إلحاحًا في العلوم الطبية والبيولوجية والإيكولوجية في القرن 21st. من خلال وصف النظم البيولوجية رياضياً ومن ثم باستخدام النماذج الناتجة ، يمكننا الحصول على رؤى مستحيلة للوصول من خلال التجارب والتفكير اللفظي وحده. إن البيولوجيا الرياضية مهمة للغاية إذا أردنا تغيير علم الأحياء من وصفي إلى علم تنبوي - يمنحنا القوة ، على سبيل المثال ، لتفادي الأوبئة أو تغيير آثار الأمراض الموهنة.

سلاح جديد

على امتداد سنوات 50 الأخيرة ، على سبيل المثال ، بنى علماء الرياضيات الرياضيين تمثيلات حاسوبية متزايدة التعقيد لفيزيولوجيا القلب. اليوم ، يتم استخدام هذه النماذج المتطورة للغاية في محاولة لفهم الأداء المعقد لقلب الإنسان بشكل أفضل. تسمح لنا المحاكاة الحاسوبية لوظيفة القلب بعمل تنبؤات حول كيفية تفاعل القلب مع الأدوية المرشحة ، المصممة لتحسين وظيفته ، دون الحاجة إلى إجراء تجارب إكلينيكية مكلفة ومحفوفة بالمخاطر.

نحن نستخدم علم الأحياء الرياضي لدراسة المرض كذلك. على المستوى الفردي ، قام الباحثون بتوضيح الآليات التي بواسطتها تتصارع أجهزة المناعة لدينا مع الفيروسات علم المناعة الرياضية واقترح تدخلات محتملة لتغيير الموازين لصالحنا. على نطاق أوسع ، اقترح علماء رياضيات الرياضيات آليات يمكن استخدامها للتحكم في انتشار الأوبئة القاتلة مثل الإيبولاولضمان استخدام الموارد المحدودة المخصصة لهذا الغرض بأكثر الطرق فعالية.

حتى يتم استخدام علم الأحياء الرياضي لإعلام السياسة. على سبيل المثال ، تم إجراء أبحاث على مصائد الأسماك ، باستخدام النماذج الرياضية لتحديد حصص واقعية لضمان أننا لا تفرط في بحارنا وأننا نحمي بعض أهم أنواعنا.

يمكن أن يؤدي الفهم المتزايد الذي يتم استخلاصه من خلال اتباع نهج رياضي إلى فهم أفضل للبيولوجيا في مجموعة من المقاييس المختلفة. في مركز علم الأحياء الرياضي في باثعلى سبيل المثال ، ندرس عددًا من المشكلات البيولوجية الملحة. في أحد طرفي الطيف ، نحاول تطوير استراتيجيات لتجنب الآثار المدمرة لأوبئة الجراد تضم ما يصل إلى مليار شخص. في الطرف الآخر ، نحاول توضيح الآليات التي تؤدي إلى الصواب تطوير الجنين.

على الرغم من أن علم الرياضيات الرياضي كان تقليديًا مجالًا لعلماء الرياضيات التطبيقيين ، إلا أنه من الواضح أن علماء الرياضيات الذين يصنفون أنفسهم على أنهم نقيون لديهم دور يلعبونه في ثورة البيولوجيا الرياضية. يتم استخدام الانضباط النقي للطوبولوجيا لفهم مشكلة معقدة من التعبئة الحمض النووي ويتم استخدام الهندسة الجبرية لتحديد أنسب نموذج من شبكات التفاعل البيوكيميائية.

ومع استمرار ارتفاع مستوى علم الأحياء الرياضي ، سيتم رسم علماء ناشئين وراسخين من تخصصات عبر الطيف العلمي لمعالجة مجموعة غنية من المشاكل الهامة والجديدة التي تقدمها البيولوجيا.

فكرة تورينج الثورية ، على الرغم من عدم تقديرها بشكل كامل في وقته ، أظهرت أنه لا توجد حاجة إلى النداء إلى الحيوية - الإله في الآلة - لفهم العمليات البيولوجية. يمكن للقوانين الفيزيائية والكيميائية المشفرة في الرياضيات ، أو "البيولوجيا الرياضية" كما نطلق عليها الآن ، أن تفعل ما هو جيد.

نبذة عن الكاتب

كريستيان ياتيس ، محاضر في علم الأحياء الرياضي ، جامعة باث

تم نشر هذه المقالة في الأصل المحادثة. إقرأ ال المقال الأصلي.

كتب ذات صلة:

at سوق InnerSelf و Amazon