MATEMATISK BIOLOGI: HISTORIE, STUDIENS GENSTAND, ANVENDELSER - BIOLOGI - 2025

Den matematiske biologi eller biomatematik er en gren af ​​videnskaben, der er ansvarlig for udviklingen af ​​numeriske modeller, der simulerer forskellige får naturlige fænomener relateret til levende væsener; det vil sige, det involverer brug af matematiske værktøjer til at studere naturlige eller biologiske systemer.

Som det kan forstås af dets navn, er biomatematik et tværfagligt område, der ligger i skæringspunktet mellem viden mellem biologi og matematik. Et simpelt eksempel på denne disciplin kunne omfatte udvikling af statistiske metoder til at løse problemer inden for genetik eller epidemiologi, for at nævne nogle få.

Lotka-Volterras lov om forholdet mellem rovdyr og byttedyr (Kilde: Curtis Newton ↯ 10:55, 20. april 2010 (CEST). Den oprindelige uploader var Lämpel på tyske Wikipedia. Via Wikimedia Commons)

På dette videnområde er det normalt, at matematiske resultater stammer fra biologiske problemer eller bruges til at løse dem. Dog har nogle forskere formået at løse matematiske problemer baseret på observation af biologiske fænomener, så det er ikke et ensrettet forhold mellem begge områder af videnskab.

Fra ovenstående kan det sikres, at et matematisk problem er det formål, som biologiske værktøjer bruges til, og vice versa; at et biologisk problem er det formål, som de mange forskellige matematiske værktøjer bruges til.

I dag vokser området matematisk biologi hurtigt og betragtes som en af ​​de mest moderne og spændende anvendelser af matematik. Det er meget nyttigt ikke kun inden for biologi, men i biomedicinske videnskaber og inden for bioteknologi.

Biomatematikens historie

Matematik og biologi er to videnskaber med en række applikationer. Matematik er måske lige så gammel som den vestlige kultur, dens oprindelse stammer tilbage mange år før Kristus, og dens anvendelighed er siden blevet demonstreret til et stort antal anvendelser.

Biologi som videnskab er imidlertid meget nyere, da dens konceptualisering først fandt sted i begyndelsen af ​​det 19. århundrede takket være Lamarcks indgriben i 1800-tallet.

Forholdet mellem matematisk og biologisk viden er tæt siden de tidligste tider af civilisationer, da bosættelsen af ​​nomadiske folk fandt sted takket være opdagelsen af, at naturen kunne udnyttes systematisk, hvilket nødvendigvis måtte have involveret de første forestillinger matematisk og biologisk.

I begyndelsen blev de biologiske videnskaber betragtet som "håndværker", da de hovedsageligt henviste til populære aktiviteter såsom landbrug eller husdyr; I mellemtiden opdagede matematik abstraktion og havde lidt fjerne øjeblikkelige anvendelser.

Sammenflødet mellem biologi og matematik stammer måske tilbage til det 15. og 16. århundrede med fremkomsten af ​​fysiologi, som er en videnskab, der grupperer viden, klassificerer, ordrer og systematiserer den, hvor det er nødvendigt at bruge matematiske værktøjer.

Thomas Malthus

Det var Thomas Malthus, en økonom samtidigt med Lamarck, der satte præcedens for begyndelsen af ​​matematisk biologi, da han var den første til at postulere en matematisk model til at forklare befolkningens dynamik som en funktion af naturressourcer.

Malthus 'tilgange blev senere videreudviklet og uddybet, og i dag er de en del af grundlaget for økologiske modeller, der bruges til at forklare forholdet mellem rovdyr og deres bytte.

Genstand for studiet af matematisk biologi

Matematisk biologi er et tværfagligt videnskabeligt område. Kilde: Konstantin Kolosov - Pixabay

Matematisk biologi er en videnskab, der er resultatet af integrationen af ​​forskellige matematiske værktøjer med biologiske data, eksperimentelle eller ej, der søger at drage fordel af "kraften" i matematiske metoder for bedre at forklare den levende væsenes verden, deres celler og af dens molekyler.

Uanset graden af ​​teknologisk kompleksitet involveret består matematisk biologi af den "enkle" overvejelse om, at der er en analogi mellem to processer, nemlig:

- Den komplekse struktur i et levende væsen er resultatet af anvendelsen af ​​enkle operationer med "kopiering" og "skæring og splejsning" eller "splejsning" (for eksempel) på en indledende information, der er indeholdt i en DNA-sekvens (deoxyribonucleic acid)).

- Resultatet f (ω) ved anvendelse af en beregningsbar funktion på en matrix w kan opnås ved at anvende en kombination af enkle grundlæggende funktioner w.

Området matematisk biologi anvender matematikområder som beregning, sandsynlighedsteorier, statistik, lineær algebra, algebraisk geometri, topologi, differentialligninger, dynamiske systemer, kombinatorik og kodningsteori.

For nylig er denne disciplin bredt udnyttet til kvantitativ analyse af forskellige typer data, da de biologiske videnskaber er blevet dedikeret til at fremstille store datamasser, hvorfra værdifuld information kan udvindes.

Faktisk mener mange forskere, at den store eksplosion af biologiske data "skabte" behovet for at udvikle nye og mere komplekse matematiske modeller til deres analyse, såvel som betydeligt mere komplekse beregningsalgoritmer og statistiske metoder.

Applikationer

En af de mest markante anvendelser af matematisk biologi har at gøre med analysen af ​​DNA-sekvenser, men denne videnskab er også involveret i modellering af epidemier og i studiet af forplantningen af ​​nervesignaler.

Det er blevet brugt til undersøgelse af neurologiske processer, såsom Parkinsons sygdom, Alzheimers sygdom og amyotrofisk lateral sklerose, for eksempel.

Det er yderst nyttigt til studiet af evolutionære processer (teoretiseringer) og til udvikling af modeller, der forklarer forholdet mellem levende væsener til hinanden og med deres miljø, det vil sige for økologiske tilgange.

Modellering og simulering af forskellige typer kræftformer er også et godt eksempel på de mange anvendelser, som matematisk biologi har i dag, især med hensyn til simulering af interaktioner mellem cellepopulationer.

Eksempel på analyse af DNA-sekvenser, der almindeligvis er anvendt i genomik (Kilde: Radtk172 via Wikimedia Commons)

Biomatematik er også meget avanceret inden for beregningsneurovidenskab, i undersøgelser af populationsdynamik og phylogenomics og genomics generelt.

I denne sidste genetik har det været meget relevant, da det er et af de områder med den højeste vækst i de senere år, da dataindsamlingshastigheden er ekstremt høj, hvilket fortjener nye og bedre teknikker til dens behandling og analyse.

Referencer

1. Andersson, S., Larsson, K., Larsson, M., & Jacob, M. (Eds.). (1999). Biomatematik: matematik i biostrukturer og biodynamik. Elsevier.
2. Elango, P. (2015). Matematikens rolle i biologi.
3. Friedman, A. (2010). Hvad er matematisk biologi, og hvor nyttig er det. Meddelelser om AMS, 57 (7), 851-857.
4. Hofmeyr, JHS (2017). Matematik og biologi. South African Journal of Science, 113 (3-4), 1-3.
5. Kari, L. (1997). DNA-beregning: ankomst til biologisk matematik. Matematisk intelligens, 19 (2), 9-22.
6. Pacheco Castelao, JM (2000). Hvad er matematisk biologi?
7. Reed, MC (2004). Hvorfor er matematisk biologi så hård? Meddelelser om AMS, 51 (3), 338-342.
8. Ulam, SM (1972). Nogle ideer og udsigter inden for biomatematik. Årlig gennemgang af biofysik og bioingeniør, 1 (1), 277-292.