Matematične biologije ali Biomatematika je veja znanosti, ki je odgovoren za razvoj numeričnih modelov, ki simulirajo različne get naravnih pojavov, povezanih z živih bitij; to pomeni uporabo matematičnih orodij za preučevanje naravnih ali bioloških sistemov.
Kot je mogoče razbrati iz njegovega imena, je biomathematika interdisciplinarno področje, ki se nahaja na presečišču znanja med biologijo in matematiko. Preprost primer te discipline bi lahko vključeval razvoj statističnih metod za reševanje problemov s področja genetike ali epidemiologije, če jih naštejemo le nekaj.
Zakon Lotka-Volterra za odnos med plenilci in plenom (Vir: Curtis Newton ↯ 10:55, 20. april 2010 (CEST). Prvotni nalagalnik je bil Lämpel na nemški Wikipediji. Via Wikimedia Commons)
Na tem področju znanja je običajno, da matematični rezultati izhajajo iz bioloških težav ali pa jih je mogoče uporabiti za njihovo reševanje, vendar so nekateri raziskovalci matematične težave uspeli rešiti na podlagi opazovanja bioloških pojavov, zato ne gre za enosmerno razmerje med obema področjema znanosti.
Iz zgoraj navedenega je mogoče zagotoviti, da je matematični problem namen uporabe bioloških orodij in obratno; da je biološki problem namen, za katerega se uporablja veliko različnih matematičnih orodij.
Danes področje matematične biologije hitro raste in velja za eno najbolj modernih in vznemirljivih aplikacij matematike. Zelo uporabna je ne le v biologiji, ampak tudi v biomedicinskih znanostih in na področju biotehnologije.
Zgodovina biomatematike
Matematika in biologija sta dve znanosti s številnimi aplikacijami. Matematika je morda stara toliko kot zahodna kultura, njen nastanek sega že mnogo let pred Kristusom in njena uporabnost je bila že od nekdaj dokazana za veliko število aplikacij.
Vendar je biologija kot znanost precej novejša, saj se njena konceptualizacija ni zgodila šele v začetku devetnajstega stoletja po intervenciji Lamarcka v 1800-ih.
Razmerje med matematičnim in biološkim znanjem je tesno že od najzgodnejših časov civilizacij, saj je naseljevanje nomadskih ljudstev potekalo zahvaljujoč odkritju, da je mogoče naravo sistematično izkoriščati, kar je nujno moralo vključiti prve pojme matematično in biološko.
Biološke znanosti so v svojih začetkih veljale za "obrtnike", saj so se nanašale predvsem na priljubljene dejavnosti, kot sta kmetijstvo ali živinoreja; medtem je matematika odkrila abstrakcijo in imela nekoliko oddaljene takojšnje aplikacije.
Sotočje med biologijo in matematiko sega morda v 15. in 16. stoletje s pojavom fiziologije, ki je veda, ki znanje združuje, ga razvršča, razvršča in sistematizira, pri čemer uporablja matematična orodja, kadar je to potrebno.
Thomas Malthus
Thomas Malthus, sodobni ekonomist z Lamarckom, je postavil precedens za začetek matematične biologije, saj je prvi postavil matematični model, ki je razložil dinamiko prebivalstva kot funkcijo naravnih virov.
Malthusovi pristopi so bili pozneje nadalje razviti in izpopolnjeni, danes pa so del temelja ekoloških modelov, ki se na primer uporabljajo za razlago odnosa med plenilci in njihovim plenom.
Predmet študija matematične biologije
Matematična biologija je interdisciplinarno znanstveno področje. Vir: Konstantin Kolosov - Pixabay
Matematična biologija je veda, ki izhaja iz integracije različnih matematičnih orodij z biološkimi podatki, eksperimentalnimi ali ne, ki želi izkoristiti "moč" matematičnih metod za boljše razlago sveta živih bitij, njihovih celic in njegovih molekul.
Ne glede na stopnjo tehnološke zahtevnosti je matematična biologija sestavljena iz „preprostega“ premisleka, da obstaja analogija med dvema procesoma, in sicer:
- Kompleksna struktura živega bitja je posledica preprostih operacij "kopiranja" in "rezanja in spajanja" ali "spajanja" (na primer) na začetne informacije, ki so vsebovane v zaporedju DNK (deoksiribonukleinska kislina) ).
- Rezultat f (ω) uporabe računske funkcije za matriko w lahko dobimo s kombinacijo preprostih osnovnih funkcij w.
Področje matematične biologije uporablja področja matematike, kot so računanje, teorije verjetnosti, statistika, linearna algebra, algebrska geometrija, topologija, diferencialne enačbe, dinamični sistemi, kombinatorika in teorija kodiranja.
V zadnjem času je bila ta disciplina široko izkoriščena za kvantitativno analizo različnih vrst podatkov, saj so bile biološke vede namenjene izdelavi velikih množic podatkov, iz katerih je mogoče pridobiti dragocene informacije.
Pravzaprav mnogi raziskovalci menijo, da je velika eksplozija bioloških podatkov "ustvarila" potrebo po razvoju novih in bolj zapletenih matematičnih modelov za njihovo analizo, pa tudi precej bolj zapletenih računskih algoritmov in statističnih metod.
Prijave
Ena najpomembnejših uporab matematične biologije je povezana z analizo zaporedja DNK, vendar je ta znanost vključena tudi v modeliranje epidemij in pri proučevanju širjenja živčnih signalov.
Uporabljali so ga na primer za preučevanje nevroloških procesov, kot so Parkinsonova bolezen, Alzheimerjeva bolezen in amiotrofična lateralna skleroza.
Izredno uporabna je za preučevanje evolucijskih procesov (teoretizacij) in za razvoj modelov, ki pojasnjujejo odnos živih bitij med seboj in z njihovim okoljem, torej za ekološke pristope.
Modeliranje in simulacija različnih vrst raka je tudi dober primer številnih aplikacij, ki jih ima danes matematična biologija, zlasti kar zadeva simulacijo interakcij med celičnimi populacijami.
Primer analize zaporedja DNK, ki se običajno uporablja v genomiki (Vir: Radtk172 prek Wikimedia Commons)
Biomatematika je zelo napredna tudi na področju računske nevroznanosti, v študijah populacijske dinamike ter filogenomije in genomike na splošno.
V tej zadnji veji genetike je bil zelo pomemben, saj je to eno od področij z največjo rastjo v zadnjih letih, saj je stopnja zbiranja podatkov izjemno visoka, kar zasluži nove in boljše tehnike za njegova obdelava in analiza.
Reference
- Andersson, S., Larsson, K., Larsson, M., in Jacob, M. (ur.). (1999). Biomatika: matematika biostrukture in biodinamika. Elsevier.
- Elango, P. (2015). Vloga matematike v biologiji.
- Friedman, A. (2010). Kaj je matematična biologija in kako koristna je. Obvestila AMS, 57 (7), 851–857.
- Hofmeyr, JHS (2017). Matematika in biologija. Južnoafriški časopis za znanost, 113 (3-4), 1-3.
- Kari, L. (1997). Izračun DNK: prihod biološke matematike. Matematični obveščevalec, 19 (2), 9–22.
- Pacheco Castelao, JM (2000). Kaj je matematična biologija?
- Reed, MC (2004). Zakaj je matematična biologija tako naporna? Obvestila AMS, 51 (3), 338–342.
- Ulam, SM (1972). Nekaj idej in perspektiv v biomatiki. Letni pregled biofizike in bioinženiringa, 1 (1), 277–292.