Matematické biológie alebo v biológii je vedný odbor, ktorý je zodpovedný za vývoj numerických modelov, ktoré simulujú rôzne get prírodných javov súvisiacich s živými bytosťami; to znamená, že zahŕňa použitie matematických nástrojov na štúdium prírodných alebo biologických systémov.
Ako je zrejmé z jeho názvu, biomatematika je interdisciplinárnou oblasťou, ktorá sa nachádza na priesečníku poznatkov medzi biológiou a matematikou. Jednoduchý príklad tejto disciplíny by mohol zahŕňať vývoj štatistických metód na riešenie problémov v oblasti genetiky alebo epidemiológie.
Lotka-Volterra zákon o vzťahu medzi predátormi a obeťami (Zdroj: Curtis Newton ↯ 10:55, 20. apríl 2010 (CEST). Pôvodným poskytovateľom videa bol Lämpel na nemeckej Wikipédii. Via Wikimedia Commons)
V tejto oblasti vedomostí je bežné, že matematické výsledky vyplývajú z biologických problémov alebo sa používajú na ich riešenie. Niektorým vedcom sa však podarilo vyriešiť matematické problémy na základe pozorovania biologických javov, takže nejde o jednosmerný vzťah. medzi oboma vednými odbormi.
Z vyššie uvedeného je možné zaistiť, že matematický problém je účelom použitia biologických nástrojov a naopak; že biologický problém je účel, na ktorý sa používa mnoho rôznych matematických nástrojov.
Dnes sa oblasť matematickej biológie rýchlo rozrastá a je považovaná za jednu z najmodernejších a najzaujímavejších aplikácií matematiky. Je veľmi užitočný nielen v biológii, ale aj v biomedicínskych vedách a v oblasti biotechnológie.
História biomatematiky
Matematika a biológia sú dve vedy s množstvom aplikácií. Matematika je možno tak stará ako západná kultúra, jej vznik siaha mnoho rokov pred Kristom a jej užitočnosť sa odvtedy preukázala pre veľké množstvo aplikácií.
Biológia ako veda je však omnoho novšia, pretože k jej konceptualizácii došlo až začiatkom devätnásteho storočia vďaka zásahu Lamarcka v roku 1800.
Vzťah matematických a biologických poznatkov je blízky už od najstarších čias civilizácií, pretože osídlenie kočovných národov sa uskutočnilo vďaka objavu, že príroda by sa mohla systematicky využívať, čo nevyhnutne vyžadovalo prvé myšlienky. matematické a biologické.
Na začiatku boli biologické vedy považované za „remeselníkov“, pretože sa odvolávali najmä na populárne činnosti, ako je poľnohospodárstvo alebo chov dobytka; medzitým matematika objavila abstrakciu a mala trochu vzdialené okamžité aplikácie.
Sútok medzi biológiou a matematikou sa datuje pravdepodobne do 15. a 16. storočia, s príchodom fyziológie, čo je veda, ktorá zoskupuje vedomosti, klasifikuje ich, usporiadáva a systematizuje a podľa potreby využíva matematické nástroje.
Thomas Malthus
Bol to Thomas Malthus, ekonóm súčasníka s Lamarckom, ktorý vytvoril precedens na začiatok matematickej biológie, keď ako prvý navrhol matematický model, ktorý vysvetlil dynamiku populácie ako funkciu prírodných zdrojov.
Malthusove prístupy sa neskôr ďalej rozvíjali a rozvíjali a dnes sú súčasťou založenia ekologických modelov, ktoré sa používajú napríklad na vysvetlenie vzťahu medzi predátormi a ich korisťou.
Predmet štúdia matematickej biológie
Matematická biológia je interdisciplinárna vedecká oblasť. Zdroj: Konstantin Kolosov - Pixabay
Matematická biológia je veda, ktorá je výsledkom integrácie rôznych matematických nástrojov s biologickými údajmi, experimentálnymi alebo neexperimentálnymi, ktorá sa snaží využiť výhodu „sily“ matematických metód na lepšie vysvetlenie sveta živých bytostí, ich buniek a ich molekúl.
Matematická biológia sa bez ohľadu na stupeň technologickej zložitosti skladá z „jednoduchého“ názoru, že medzi dvoma procesmi existuje analógia, a to:
- Zložitá štruktúra živej bytosti je výsledkom použitia jednoduchých operácií „kopírovania“ a „rezania a spájania“ alebo „spájania“ (napríklad) na počiatočné informácie, ktoré sú obsiahnuté v sekvencii DNA (kyselina deoxyribonukleová). ).
- Výsledok f (co) aplikácie vypočítateľnej funkcie na pole w je možné získať kombináciou jednoduchých základných funkcií w.
V oblasti matematickej biológie sa uplatňujú oblasti matematiky, ako je počet, teórie pravdepodobnosti, štatistika, lineárna algebra, algebraická geometria, topológia, diferenciálne rovnice, dynamické systémy, kombinatorika a teória kódovania.
V súčasnosti sa táto disciplína vo veľkej miere využíva na kvantitatívnu analýzu rôznych typov údajov, pretože biologické vedy sa venujú výrobe veľkého množstva údajov, z ktorých možno získať cenné informácie.
Mnohí vedci sa v skutočnosti domnievajú, že veľká explózia biologických údajov „vyvolala“ potrebu vyvinúť nové a komplexnejšie matematické modely pre ich analýzu, ako aj podstatne zložitejšie výpočtové algoritmy a štatistické metódy.
aplikácia
Jedna z najvýznamnejších aplikácií matematickej biológie súvisí s analýzou sekvencií DNA, ale táto veda sa podieľa aj na modelovaní epidémií a štúdiu šírenia nervových signálov.
Používa sa na štúdium neurologických procesov, ako je napríklad Parkinsonova choroba, Alzheimerova choroba a amyotrofická laterálna skleróza.
Je veľmi užitočný pre štúdium evolučných procesov (teorizácií) a pre vývoj modelov, ktoré vysvetľujú vzťah živých bytostí medzi sebou as ich prostredím, tj pre ekologické prístupy.
Modelovanie a simulácia rôznych druhov rakoviny je tiež dobrým príkladom mnohých aplikácií, ktoré má matematická biológia v súčasnosti, najmä pokiaľ ide o simuláciu interakcií medzi bunkovými populáciami.
Príklad analýzy sekvencií DNA bežne používaných v genomike (Zdroj: Radtk172 prostredníctvom Wikimedia Commons)
Biomatematika je tiež veľmi pokročilá v oblasti výpočtovej neurovedy, v štúdiách populačnej dynamiky a fylogenomiky a genomiky všeobecne.
V tejto poslednej oblasti genetiky to malo veľký význam, pretože je jednou z oblastí s najvyšším rastom za posledné roky, pretože miera zberu údajov je mimoriadne vysoká, čo si zaslúži nové a lepšie techniky pre jej spracovanie a analýza.
Referencie
- Andersson, S., Larsson, K., Larsson, M., & Jacob, M. (Eds.). (1999). Biomatematika: matematika bioštruktúr a biodynamika. Elsevier.
- Elango, P. (2015). Úloha matematiky v biológii.
- Friedman, A. (2010). Čo je matematická biológia a nakoľko je užitočná. Oznámenia AMS, 57 (7), 851-857.
- Hofmeyr, JHS (2017). Matematika a biológia. South African Journal of Science, 113 (3-4), 1-3.
- Kari, L. (1997). DNA computing: príchod biologickej matematiky. Mathematical Intelligencer, 19 (2), 9-22.
- Pacheco Castelao, JM (2000). Čo je matematická biológia?
- Reed, MC (2004). Prečo je matematická biológia taká náročná? Oznámenia AMS, 51 (3), 338-342.
- Ulam, SM (1972). Niektoré nápady a vyhliadky v biomathematike. Ročný prehľad biofyziky a bioinžinierstva, 1 (1), 277-292.