Den matematiske biologien eller biomatematikken er en gren av vitenskapen som er ansvarlig for utviklingen av numeriske modeller som simulerer forskjellige får naturfenomener relatert til levende vesener; det vil si at det innebærer bruk av matematiske verktøy for å studere naturlige eller biologiske systemer.
Som det kan forstås av navnet, er biomatematikk et tverrfaglig område som ligger i skjæringspunktet mellom kunnskap mellom biologi og matematikk. Et enkelt eksempel på denne disiplinen kan omfatte utvikling av statistiske metoder for å løse problemer innen genetikk eller epidemiologi, for å nevne noen.
Lotka-Volterras lov om forholdet mellom rovdyr og byttedyr (Kilde: Curtis Newton ↯ 10:55, 20. april 2010 (CEST). Den opprinnelige opplasteren var Lämpel på tyske Wikipedia. Via Wikimedia Commons)
I dette kunnskapsområdet er det normalt at matematiske resultater oppstår fra biologiske problemer eller blir brukt til å løse dem. Imidlertid har noen forskere klart å løse matematiske problemer basert på observasjon av biologiske fenomener, så det er ikke et ensrettet forhold mellom begge vitenskapsfeltene.
Fra det ovennevnte kan det sikres at et matematisk problem er formålet som biologiske verktøy brukes til og omvendt; at et biologisk problem er formålet som de mange forskjellige matematiske verktøyene brukes til.
I dag vokser feltet matematisk biologi raskt og regnes som en av de mest moderne og spennende anvendelsene av matematikk. Det er veldig nyttig ikke bare innen biologi, men i biomedisinske vitenskaper og innen bioteknologi.
Historie om biomatematikk
Matematikk og biologi er to vitenskaper med en rekke bruksområder. Matematikk er kanskje like gammel som vestlig kultur. Opprinnelsen stammer fra mange år før Kristus og nytteverdien er siden blitt vist for et stort antall bruksområder.
Biologi som vitenskap er imidlertid mye nyere, siden dens konseptualisering ikke skjedde før på begynnelsen av det nittende århundre takket være Lamarcks intervensjon på 1800-tallet.
Forholdet mellom matematisk og biologisk kunnskap er nært siden de tidligste tidene av sivilisasjoner, siden bosetningen av nomadefolk fant sted takket være oppdagelsen av at naturen kunne utnyttes systematisk, noe som nødvendigvis måtte ha involvert de første forestillingene matematisk og biologisk.
I begynnelsen ble biologiske vitenskaper ansett som "håndverker", siden de hovedsakelig henviste til populære aktiviteter som landbruk eller husdyr; i mellomtiden oppdaget matematikk abstraksjon og hadde noe fjerne umiddelbare applikasjoner.
Samløpet mellom biologi og matematikk strekker seg kanskje tilbake til 1500- og 1500-tallet, med ankomsten av fysiologi, som er en vitenskap som grupperer kunnskap, klassifiserer, ordner og systematiserer den, og bruker eventuelt matematiske verktøy.
Thomas Malthus
Det var Thomas Malthus, en økonom samtiden med Lamarck, som satte presedens for begynnelsen av matematisk biologi, ettersom han var den første som postulerte en matematisk modell for å forklare populasjonsdynamikk som en funksjon av naturressurser.
Malthus 'tilnærminger ble senere videreutviklet og utdypet, og i dag er de en del av grunnlaget for økologiske modeller som brukes for å forklare forholdet mellom rovdyr og deres byttedyr, for eksempel.
Studieobjekt for matematisk biologi
Matematisk biologi er et tverrfaglig vitenskapelig område. Kilde: Konstantin Kolosov - Pixabay
Matematisk biologi er en vitenskap som er resultatet av integrering av forskjellige matematiske verktøy med biologiske data, eksperimentelle eller ikke, som søker å dra nytte av "kraften" i matematiske metoder for bedre å forklare levende vesener, deres celler og av molekylene.
Uansett graden av teknologisk kompleksitet, består matematisk biologi av den "enkle" betraktningen at det er en analogi mellom to prosesser, nemlig:
- Den komplekse strukturen til et levende vesen er resultatet av anvendelsen av enkle operasjoner med "kopiering" og "skjæring og spleising" eller "spleising" (for eksempel) på en opprinnelig informasjon som er inneholdt i en DNA-sekvens (deoksyribonukleinsyre) ).
- Resultatet f (ω) av å bruke en beregbar funksjon på en matrise w kan oppnås ved å bruke en kombinasjon av enkle grunnleggende funksjoner w.
Feltet matematisk biologi anvender matematikkområder som kalkulus, sannsynlighetsteorier, statistikk, lineær algebra, algebraisk geometri, topologi, differensialligninger, dynamiske systemer, kombinatorikk og kodeteori.
Nylig har denne disiplinen blitt mye utnyttet for kvantitativ analyse av forskjellige typer data, siden biologiske vitenskaper har vært dedikert til å produsere store datamengder som verdifull informasjon kan hentes ut fra.
Faktisk anser mange forskere at den store eksplosjonen av biologiske data "skapte" behovet for å utvikle nye og mer komplekse matematiske modeller for deres analyse, samt betydelig mer komplekse beregningsalgoritmer og statistiske metoder.
applikasjoner
En av de mest betydningsfulle anvendelsene av matematisk biologi har å gjøre med analysen av DNA-sekvenser, men denne vitenskapen er også involvert i modellering av epidemier og i studiet av forplantningen av nervesignaler.
Den har blitt brukt til å studere nevrologiske prosesser som Parkinsons sykdom, Alzheimers og amyotrofisk lateral sklerose, for eksempel.
Det er ekstremt nyttig for studier av evolusjonsprosesser (teoretiseringer) og for utvikling av modeller som forklarer forholdet mellom levende vesener til hverandre og med deres miljø, det vil si for økologiske tilnærminger.
Modellering og simulering av forskjellige typer kreftformer er også et godt eksempel på mange anvendelser som matematisk biologi har i dag, spesielt med tanke på simulering av interaksjoner mellom cellepopulasjoner.
Eksempel på analyse av DNA-sekvenser som vanligvis brukes i genomikk (Kilde: Radtk172 via Wikimedia Commons)
Biomatematikk er også veldig avansert innen beregningsneurvitenskap, i studier av populasjonsdynamikk og fylogenomikk og genomikk generelt.
I denne siste genetikkgrenen har den hatt stor relevans, siden det er et av områdene med den høyeste veksten de siste årene, siden datainnsamlingshastigheten er ekstremt høy, noe som fortjener nye og bedre teknikker for dens behandling og analyse.
referanser
- Andersson, S., Larsson, K., Larsson, M., & Jacob, M. (Eds.). (1999). Biomatematikk: matematikk for biostrukturer og biodynamikk. Elsevier.
- Elango, P. (2015). Rollen som matematikk i biologi.
- Friedman, A. (2010). Hva er matematisk biologi og hvor nyttig er den. Varsler om AMS, 57 (7), 851-857.
- Hofmeyr, JHS (2017). Matematikk og biologi. South African Journal of Science, 113 (3-4), 1-3.
- Kari, L. (1997). DNA-beregning: ankomst av biologisk matematikk. Matematisk intelligens, 19 (2), 9-22.
- Pacheco Castelao, JM (2000). Hva er matematisk biologi?
- Reed, MC (2004). Hvorfor er matematisk biologi så vanskelig? Varsler om AMS, 51 (3), 338-342.
- Ulam, SM (1972). Noen ideer og utsikter innen biomatematikk. Årlig gjennomgang av biofysikk og bioingeniørarbeid, 1 (1), 277-292.