生死攸關的數學是我們抗擊疾病的秘密武器

生死攸關的數學是我們抗擊疾病的秘密武器

數學是科學的語言。 從物理到工程和化學,它無處不在 - 幫助我們了解宇宙的起源,建造不會在風中坍塌的橋樑。 也許更令人驚訝的是,數學也越來越成為生物學的組成部分。

數百年來,數學一直被用於模擬相對簡單的物理系統。 牛頓 普遍萬有引力定律 是一個很好的例子。 相對簡單的觀察導致了一個規則,該規則非常準確地描述了數十億英里之外的天體的運動。 傳統上,生物學被認為太複雜,不能接受這種數學處理。

生物系統通常被歸類為“複雜”。 這種意義上的複雜性意味著,由於許多子組件的複雜交互,生物系統可以表現出我們所謂的緊急行為 - 整個系統展示了單獨行動的個體所不具備的屬性。 這種生物複雜性經常被誤認為是 生機,誤解生物過程依賴於不同於物理和化學定律的力或原理。 因此,已經假設複雜的生物系統不適合數學處理。

有一些早期異議者。 著名的計算機科學家和第二次世界大戰的斷碼器 阿蘭·圖靈 是最早提出可以用數學方法研究和理解生物現象的人之一。 他在1952中提出了一對 美麗的數學方程 它解釋了動物皮毛上可能形成的色素沉著模式。

他的作品不僅美觀,而且反直覺 - 這種作品只有像圖靈這樣才華橫溢的人才能想像出來。 更令人遺憾的是,他在當時嚴厲的反同性戀法律下受到瞭如此糟糕的待遇。 經過一段“矯正”激素治療,兩年後他就自殺了。

一個新興領域

從此,領域 數學生物學 爆炸了。 近年來,越來越詳細的實驗程序導致科學家可獲得的生物數據大量湧入。 該數據被用於產生關於先前深奧的生物系統的複雜性的假設。 為了檢驗這些假設,必須以模型的形式寫下這些假設,可以對其進行詢問以確定其是否正確模仿生物觀察。 數學是實現這一目標的自然語言。

此外,在過去的60年中,計算能力的出現和隨後的增加使我們能夠建議並隨後詢問生物系統的複雜數學模型。 認識到生物系統可以用數學方法處理,再加上構建和研究詳細生物模型的計算能力,已經導致數學生物學普及的急劇增加。


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數學已經成為我們必須解決21st世紀醫學,生物學和生態科學中一些最緊迫問題的科學武器中的重要武器。 通過數學描述生物系統然後使用得到的模型,我們可以獲得通過實驗和語言推理單獨無法獲得的見解。 如果我們想要將生物學從描述性轉變為預測性科學,那麼數學生物學就非常重要 - 例如,給予我們力量來避免大流行或改變衰弱性疾病的影響。

一種新武器

例如,在過去的50年中,數學生物學家已經建立了越來越複雜的心臟生理學計算表示。 今天,這些高度複雜的模型被用於試圖更好地理解人類心臟的複雜功能。 心臟功能的計算機模擬使我們能夠預測心臟如何與候選藥物相互作用,旨在改善其功能,而無需進行昂貴且具有潛在風險的臨床試驗。

我們也使用數學生物學來研究疾病。 在個人范圍內,研究人員已經闡明了我們的免疫系統通過病毒與病毒作鬥爭的機制 數學免疫學 並提出了對我們有利的小冊子的潛在干預措施。 在更廣泛的範圍內,數學生物學家已經提出了可用於控制傳播的機制 像埃博拉這樣致命的流行病並確保以盡可能最有效的方式使用專用於此目的的有限資源。

數學生物學甚至被用來為政策提供信息。 例如,已經對漁業進行了研究,使用數學模型來設定實際配額以確保我們 不要過度繁殖我們的海洋 我們保護一些最重要的物種。

通過採用數學方法獲得的增加的理解可以導致在一系列不同尺度上更好地理解生物學。 在 巴斯數學生物學中心例如,我們研究了許多緊迫的生物學問題。 在這個範圍的一端,我們試圖制定避免戰略的戰略 蝗災的破壞性影響 包括多達十億個人。 另一方面,我們試圖闡明產生正確的機制 發育胚胎.

儘管數學生物學傳統上一直是應用數學家的領域,但很明顯,自我歸類為純粹的數學家在數學生物學革命中可以發揮作用。 拓撲學的純粹學科被用來理解 DNA包裝的棘手問題 和代數幾何被用來選擇最合適的模型 生化互動網絡.

隨著數學生物學的概況不斷增加,來自科學領域的學科的新興和成熟科學家將被吸引來解決生物學所提供的豐富的重要和新穎問題。

談話圖靈的革命性想法,儘管在他那個時代尚未得到充分認識,但它表明沒有必要訴諸生命過程中的生命主義 - 生物過程中的神。 用數學編碼的化學和物理定律,或者我們現在稱之為“數學生物學”,可以做得很好。

關於作者

Christian Yates,數學生物學講師, 巴斯大學

這篇文章最初發表於 談話。 閱讀 原創文章.

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