Wiskunde is die taal van die wetenskap. Dit kom oral van fisika tot ingenieurswese en chemie op. Dit help ons om die oorsprong van die heelal te verstaan ​​en brûe te bou wat nie in die wind sal val nie. Miskien is 'n bietjie meer verrassend, wiskunde is ook toenemend integraal vir biologie.

Wiskunde is vir honderde jare gebruik om 'n relatief eenvoudige fisiese stelsel te vorm. Newton se universele wet van gravitasie is 'n goeie voorbeeld. Relatief eenvoudige waarnemings het gelei tot 'n reël wat met groot akkuraatheid die beweging van hemelse liggame miljarde kilometer beskryf. Tradisioneel is biologie as te ingewikkeld beskou om aan sulke wiskundige behandeling te onderwerp.

Biologiese stelsels word dikwels as "kompleks" geklassifiseer. Kompleksiteit in hierdie sin beteken dat die biologiese sisteme weens die ingewikkelde interaksie van baie subkomponente uitstallings kan noem wat ons opkomende optrede noem - die stelsel as geheel demonstreer eienskappe wat die individuele komponente nie alleen kan doen nie. Hierdie biokompleksiteit is dikwels verkeerd gestel vitalisme, die wanopvatting dat biologiese prosesse afhanklik is van 'n krag of beginsel wat onderskei word van die wette van fisika en chemie. Gevolglik is daar aanvaar dat komplekse biologiese sisteme nie vatbaar is vir wiskundige behandeling nie.

Daar was 'n paar vroeë dissenters. Beroemde rekenaarwetenskaplike en die Tweede Wêreldoorlog kode-breker Alan Turing was een van die eerste wat daarop dui dat biologiese verskynsels bestudeer en wiskundig verstaan ​​kan word. In 1952 het hy 'n paar van pragtige wiskundige vergelykings wat 'n verduideliking gee van hoe pigmentasiepatrone op diere se rokke kan vorm.

Nie net was sy werk pragtig nie, dit was ook teen-intuïtief - die soort werk wat net 'n briljante gedagtes soos Turing's ooit kon gehad het. Nog meer jammer dat hy so swak behandel is onder die drakoniese anti-homoseksualiteitswette van die tyd. Na 'n kursus van "regstellende" hormoonbehandeling het hy homself net twee jaar later doodgemaak.

'N Opkomende veld

Sedertdien het die veld van wiskundige biologie het ontplof. In onlangse jare het toenemend gedetailleerde eksperimentele prosedures tot 'n groot toename in die biologiese data vir wetenskaplikes gelei. Hierdie data word gebruik om hipoteses oor die kompleksiteit van voorheen abstruse biologiese sisteme te genereer. Ten einde hierdie hipoteses te toets, moet hulle neergeskryf word in die vorm van 'n model wat ondersoek kan word om te bepaal of dit die biologiese waarnemings korrek naboots. Wiskunde is die natuurlike taal waarin dit gedoen kan word.

Daarbenewens het die koms van, en daaropvolgende toename in, berekeningsvermoë oor die afgelope 60-jare ons in staat gestel om komplekse wiskundige modelle van biologiese stelsels voor te stel en dan te ondervra. Die besef dat biologiese sisteme wiskundig behandel kan word, tesame met die berekeningsvermoë om gedetailleerde biologiese modelle te bou en te ondersoek, het gelei tot die dramatiese toename in die gewildheid van wiskundige biologie.

Wiskunde het 'n belangrike wapen in die wetenskaplike wapen geword wat ons in die 21ste eeu van die dringendste vrae in die mediese, biologiese en ekologiese wetenskap moet aanpak. Deur wiskundig biologiese stelsels te beskryf en dan die gevolglike modelle te gebruik, kan ons insigte kry wat onmoontlik is om toegang te verkry tot al die eksperimente en verbale redenering alleen. Wiskundige biologie is ongelooflik belangrik as ons die biologie van 'n beskrywende in 'n voorspellende wetenskap wil verander, wat ons byvoorbeeld mag gee om pandemieë te voorkom of om die effekte van aftakelende siektes te verander.

'N Nuwe wapen

Oor die afgelope 50-jare het wiskundige bioloë byvoorbeeld toenemend komplekse berekeninge van die hart se fisiologie gebou. Vandag word hierdie hoogs gesofistikeerde modelle gebruik om die ingewikkelde funksionering van die menslike hart beter te verstaan. Rekenaarsimulasies van hartfunksie laat ons toe om voorspellings te maak oor hoe die hart met kandidaat dwelms sal omgaan, wat ontwerp is om sy funksie te verbeter, sonder om duur en potensieel riskante kliniese proewe te onderneem.

Ons gebruik wiskundige biologie om siekte te bestudeer. Op 'n individuele skaal het navorsers die meganismes waarvolgens ons immuunstelsels met virusse sukkel, verduidelik wiskundige immunologie en het potensiële ingrypings voorgestel om die skale in ons guns te tik. Op wyer skaal het wiskundige bioloë voorgestelde meganismes wat gebruik kan word om die verspreiding van dodelike epidemies soos Ebola, en om te verseker dat die eindige hulpbronne wat vir hierdie doel toegewy is, op die mees doeltreffende wyse in diens geneem word.

Wiskundige biologie word selfs gebruik om beleid in te lig. Daar is byvoorbeeld navorsing gedoen oor visserye, met behulp van wiskundige modellering om realistiese kwotas te stel om ons te verseker moenie ons see seer nie en dat ons sommige van ons belangrikste spesies beskerm.

Die verhoogde begrip wat verkry word deur 'n wiskundige benadering te neem, kan lei tot 'n beter begrip van biologie op 'n verskeidenheid verskillende skale. By die Sentrum vir Wiskundige Biologie in Bad, byvoorbeeld, bestudeer ons 'n aantal dringende biologiese probleme. Aan die een kant van die spektrum probeer ons strategieë ontwikkel om die verwoestende effekte van sprinkaan plae bestaande uit tot 'n miljard individue. Aan die ander kant probeer ons die meganismes wat die korrekte aanleiding gee, uit te lig ontwikkeling van die embrio.

Alhoewel wiskundige biologie tradisioneel die domein van toegepaste wiskundiges was, is dit duidelik dat wiskundiges wat selfklassifiseer as suiwer, 'n rol speel in die wiskundige biologie-rewolusie. Die suiwer dissipline van topologie word gebruik om die knoopprobleem van DNA-verpakking en algebraïese meetkunde word gebruik om die mees toepaslike model van biochemiese interaksie netwerke.

Aangesien die profiel van wiskundige biologie steeds styg, word opkomende en gevestigde wetenskaplikes uit dissiplines oor die wetenskaplike spektrum getrek om die ryk verskeidenheid belangrike en nuwe probleme wat biologie bied, aan te pak.

Turing se revolusionêre idee, hoewel hy nie ten volle in sy tyd waardeer het nie, het getoon dat daar nie nodig was om te beroep op vitalisme - die god in die masjien - om biologiese prosesse te verstaan ​​nie. Chemiese en fisiese wette wat in wiskunde gekodeer is, of "wiskundige biologie" soos ons dit nou noem, kan net goed doen.

Oor Die Skrywer

Christian Yates, Dosent in Wiskundige Biologie, Universiteit van Bath

Hierdie artikel is oorspronklik gepubliseer op Die gesprek. Lees die oorspronklike artikel.

Verwante Boeke:

at InnerSelf Market en Amazon