Biologia matematyczna lub biomatematyka jest dziedziną nauki, która jest odpowiedzialna za rozwój modeli numerycznych, które symulują różne naturalne zjawiska dostać związane z istot żywych; to znaczy, wymaga użycia narzędzi matematycznych do badania systemów naturalnych lub biologicznych.
Jak wynika z nazwy, biomatematyka to dziedzina interdyscyplinarna, położona na styku wiedzy biologii i matematyki. Prostym przykładem tej dyscypliny może być rozwój metod statystycznych do rozwiązywania problemów z zakresu genetyki czy epidemiologii, żeby wymienić tylko kilka.
Prawo Lotki-Volterry dotyczące relacji między drapieżnikami a ofiarami (Źródło: Curtis Newton ↯ 10:55, 20 kwietnia 2010 (CEST). Pierwszym przesyłającym był Lämpel z niemieckiej Wikipedii. Via Wikimedia Commons)
W tej dziedzinie wiedzy normalne jest, że wyniki matematyczne wynikają z problemów biologicznych lub są wykorzystywane do ich rozwiązywania, jednak niektórym badaczom udało się rozwiązać problemy matematyczne w oparciu o obserwację zjawisk biologicznych, więc nie jest to zależność jednokierunkowa między obiema dziedzinami nauki.
Z powyższego można zapewnić, że problem matematyczny jest celem, w którym używane są narzędzia biologiczne i odwrotnie; że problem biologiczny jest celem, do którego wykorzystuje się wiele różnych narzędzi matematycznych.
Obecnie dziedzina biologii matematycznej szybko się rozwija i jest uważana za jedno z najnowocześniejszych i najbardziej ekscytujących zastosowań matematyki. Jest bardzo przydatny nie tylko w biologii, ale także w naukach biomedycznych i biotechnologii.
Historia biomatematyki
Matematyka i biologia to dwie nauki ścisłe o wielorakich zastosowaniach. Matematyka jest prawdopodobnie tak stara jak kultura zachodnia, jej początki sięgają wielu lat przed Chrystusem i od tego czasu wykazano jej przydatność w wielu zastosowaniach.
Biologia jako nauka jest jednak znacznie nowsza, ponieważ jej konceptualizacja nastąpiła dopiero na początku XIX wieku dzięki interwencji Lamarcka w XIX wieku.
Związek wiedzy matematycznej i biologicznej jest bliski od najdawniejszych czasów cywilizacji, ponieważ osiedlenie się ludów koczowniczych nastąpiło dzięki odkryciu, że przyroda może być systematycznie eksploatowana, co siłą rzeczy musiało wiązać się z pierwszymi pojęciami matematyczne i biologiczne.
Na początku nauki biologiczne uważane były za „rzemieślnicze”, ponieważ odnosiły się głównie do popularnych zajęć, takich jak rolnictwo czy hodowla zwierząt; w międzyczasie matematyka odkryła abstrakcję i miała nieco odległe bezpośrednie zastosowania.
Zbieg między biologią a matematyką sięga prawdopodobnie XV i XVI wieku, wraz z pojawieniem się fizjologii, która jest nauką, która grupuje wiedzę, klasyfikuje ją, porządkuje i systematyzuje, wykorzystując w razie potrzeby narzędzia matematyczne.
Thomas Malthus
To Thomas Malthus, ekonomista współcześnie z Lamarckiem, ustanowił precedens dla początków biologii matematycznej, ponieważ jako pierwszy postulował model matematyczny wyjaśniający dynamikę populacji jako funkcję zasobów naturalnych.
Podejścia Malthusa były później dalej rozwijane i rozwijane, a dziś stanowią one część fundamentów modeli ekologicznych, które są wykorzystywane na przykład do wyjaśniania relacji między drapieżnikami a ich ofiarą.
Przedmiot badań biologii matematycznej
Biologia matematyczna to interdyscyplinarny obszar naukowy. Źródło: Konstantin Kolosov - Pixabay
Biologia matematyczna jest nauką, która wynika z integracji różnych narzędzi matematycznych z danymi biologicznymi, eksperymentalnymi lub nie, która stara się wykorzystać „moc” metod matematycznych do lepszego wyjaśnienia świata żywych istot, ich komórek i jego cząsteczek.
Niezależnie od stopnia złożoności technologicznej biologia matematyczna polega na „prostym” założeniu, że istnieje analogia między dwoma procesami, a mianowicie:
- Złożona struktura żywej istoty jest wynikiem zastosowania prostych operacji „kopiowania” oraz „cięcia i składania” lub „składania” (na przykład) do początkowej informacji zawartej w sekwencji DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy ).
- Wynik f (ω) zastosowania obliczalnej funkcji do tablicy w można uzyskać przez zastosowanie kombinacji prostych funkcji podstawowych w.
Dziedzina biologii matematycznej obejmuje obszary matematyki, takie jak rachunek różniczkowy, teorie prawdopodobieństwa, statystyka, algebra liniowa, geometria algebraiczna, topologia, równania różniczkowe, układy dynamiczne, kombinatoryka i teoria kodowania.
W ostatnim czasie dyscyplina ta była szeroko wykorzystywana do ilościowej analizy różnych typów danych, ponieważ nauki biologiczne poświęciły się tworzeniu dużych mas danych, z których można wydobyć cenne informacje.
W rzeczywistości wielu badaczy uważa, że wielka eksplozja danych biologicznych „stworzyła” potrzebę opracowania nowych i bardziej złożonych modeli matematycznych do ich analizy, a także znacznie bardziej złożonych algorytmów obliczeniowych i metod statystycznych.
Aplikacje
Jedno z najważniejszych zastosowań biologii matematycznej wiąże się z analizą sekwencji DNA, ale nauka ta zajmuje się również modelowaniem epidemii i badaniem propagacji sygnałów nerwowych.
Został wykorzystany do badania procesów neurologicznych, takich jak na przykład choroba Parkinsona, choroba Alzheimera i stwardnienie zanikowe boczne.
Jest niezwykle przydatny do badania procesów ewolucyjnych (teorii) oraz do opracowywania modeli wyjaśniających relacje istot żywych między sobą iz ich otoczeniem, czyli dla podejść ekologicznych.
Modelowanie i symulacja różnych typów nowotworów jest również dobrym przykładem wielu zastosowań, które ma obecnie biologia matematyczna, zwłaszcza w odniesieniu do symulacji interakcji między populacjami komórek.
Przykład analizy sekwencji DNA powszechnie stosowanych w genomice (źródło: Radtk172 za pośrednictwem Wikimedia Commons)
Biomatematyka jest również bardzo zaawansowana w dziedzinie neuronauki obliczeniowej, w badaniach nad dynamiką populacji oraz filogenomiką i genomiką w ogóle.
W tej ostatniej gałęzi genetyki ma to ogromne znaczenie, ponieważ jest to jeden z obszarów o największym wzroście w ostatnich latach, ponieważ wskaźnik gromadzenia danych jest niezwykle wysoki, co zasługuje na nowe i lepsze techniki jego przetwarzanie i analiza.
Bibliografia
- Andersson, S., Larsson, K., Larsson, M. i Jacob, M. (red.). (1999). Biomatematyka: matematyka biostruktur i biodynamika. Elsevier.
- Elango, P. (2015). Rola matematyki w biologii.
- Friedman, A. (2010). Czym jest biologia matematyczna i jak jest przydatna. Zawiadomienia AMS, 57 (7), 851-857.
- Hofmeyr, JHS (2017). Matematyka i biologia. South African Journal of Science, 113 (3-4), 1-3.
- Kari, L. (1997). Obliczenia DNA: pojawienie się matematyki biologicznej. Mathematical Intelligencer, 19 (2), 9-22.
- Pacheco Castelao, JM (2000). Co to jest biologia matematyczna?
- Reed, MC (2004). Dlaczego biologia matematyczna jest taka trudna? Zawiadomienia AMS, 51 (3), 338-342.
- Ulam, SM (1972). Kilka pomysłów i perspektyw w biomatematyce. Coroczny przegląd biofizyki i bioinżynierii, 1 (1), 277-292.