Математическая биология или биоматематики является отрасль науки , которая отвечает за разработку численных моделей, имитирующих различные ПОЛУЧИТЬ природные явления , связанные с живыми существами; то есть он включает использование математических инструментов для изучения природных или биологических систем.
Как можно понять из названия, биоматематика - это междисциплинарная область, расположенная на стыке знаний между биологией и математикой. Простой пример этой дисциплины может включать в себя разработку статистических методов для решения проблем в области генетики или эпидемиологии, чтобы назвать несколько.
Закон Лотки-Вольтерры о взаимоотношениях между хищниками и добычей (Источник: Кертис Ньютон, 10:55, 20 апреля 2010 г. (центральноевропейское летнее время). Первоначальным пользователем был Лемпель из немецкой Википедии. Через Wikimedia Commons)
В этой области знаний математические результаты обычно возникают из биологических проблем или используются для их решения, однако некоторым исследователям удалось решить математические задачи на основе наблюдения биологических явлений, поэтому это не однонаправленная взаимосвязь. между обеими областями науки.
Из вышесказанного можно убедиться, что математическая задача - это цель, для которой используются биологические инструменты, и наоборот; что биологическая проблема - это цель, для которой используется множество различных математических инструментов.
Сегодня область математической биологии быстро растет и считается одним из самых современных и интересных приложений математики. Это очень полезно не только в биологии, но и в биомедицинских науках и в области биотехнологии.
История биоматематики
Математика и биология - две науки с множеством приложений. Математика, возможно, так же стара, как и западная культура, ее происхождение восходит к много лет до Рождества Христова, и с тех пор ее полезность была продемонстрирована для большого числа приложений.
Однако биология как наука возникла гораздо позже, поскольку ее концептуализация произошла только в начале девятнадцатого века благодаря вмешательству Ламарка в 1800-х годах.
Связь математических и биологических знаний тесна с самых ранних времен цивилизаций, поскольку расселение кочевых народов произошло благодаря открытию возможности систематического использования природы, что обязательно должно было включать первые понятия. математический и биологический.
Изначально биологические науки считались "ремесленными", поскольку они относились в основном к популярным видам деятельности, таким как сельское хозяйство или животноводство; Между тем математика открыла абстракцию и нашла несколько отдаленных непосредственных приложений.
Слияние биологии и математики восходит, возможно, к 15-16 векам, с появлением физиологии, науки, которая объединяет знания, классифицируя, упорядочивая и систематизируя их, используя при необходимости математические инструменты.
Томас Мальтус
Именно Томас Мальтус, экономист, современник Ламарка, создал прецедент для начала математической биологии, поскольку он был первым, кто постулировал математическую модель, объясняющую динамику населения как функцию природных ресурсов.
Позже подходы Мальтуса получили дальнейшее развитие и развитие, и сегодня они являются частью основы экологических моделей, которые используются, например, для объяснения отношений между хищниками и их добычей.
Объект изучения математической биологии
Математическая биология - междисциплинарная научная область. Источник: Константин Колосов - Pixabay
Математическая биология - это наука, которая является результатом интеграции различных математических инструментов с биологическими данными, экспериментальными или нет, которая стремится использовать «силу» математических методов для лучшего объяснения мира живых существ, их клеток и его молекул.
Независимо от степени технологической сложности математическая биология состоит из «простого» соображения, что существует аналогия между двумя процессами, а именно:
- Сложная структура живого существа является результатом применения простых операций «копирования» и «разрезания и сращивания» или «сращивания» (например) с исходной информацией, содержащейся в последовательности ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота ).
- Результат f (ω) применения вычислимой функции к массиву w может быть получен путем применения комбинации простых базовых функций w.
В области математической биологии применяются такие области математики, как исчисление, теории вероятностей, статистика, линейная алгебра, алгебраическая геометрия, топология, дифференциальные уравнения, динамические системы, комбинаторика и теория кодирования.
В последнее время эта дисциплина широко использовалась для количественного анализа различных типов данных, поскольку биологические науки были посвящены производству больших массивов данных, из которых можно извлечь ценную информацию.
Фактически, многие исследователи считают, что огромный взрыв биологических данных «создал» необходимость в разработке новых и более сложных математических моделей для их анализа, а также значительно более сложных вычислительных алгоритмов и статистических методов.
Приложения
Одно из наиболее важных приложений математической биологии связано с анализом последовательностей ДНК, но эта наука также участвует в моделировании эпидемий и изучении распространения нервных сигналов.
Его использовали, например, для изучения неврологических процессов, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и боковой амиотрофический склероз.
Он чрезвычайно полезен для изучения эволюционных процессов (теорий) и для разработки моделей, объясняющих взаимоотношения живых существ друг с другом и с окружающей их средой, то есть для экологических подходов.
Моделирование и моделирование различных типов рака также является хорошим примером множества приложений, которые сегодня имеет математическая биология, особенно в отношении моделирования взаимодействий между популяциями клеток.
Пример анализа последовательностей ДНК, обычно используемых в геномике (Источник: Radtk172 через Wikimedia Commons)
Биоматематика также очень продвинута в области вычислительной нейробиологии, в исследованиях популяционной динамики и филогеномики и геномики в целом.
В этой последней области генетики это имеет большое значение, поскольку это одна из областей с наибольшим ростом за последние годы, поскольку скорость сбора данных чрезвычайно высока, что требует новых и более совершенных методов для его обработка и анализ.
Ссылки
- Андерссон, С., Ларссон, К., Ларссон, М., и Якоб, М. (ред.). (1999). Биоматематика: математика биоструктур и биодинамика. Elsevier.
- Эланго, П. (2015). Роль математики в биологии.
- Фридман, А. (2010). Что такое математическая биология и насколько она полезна. Уведомления AMS, 57 (7), 851-857.
- Хофмейр, JHS (2017). Математика и биология. Южноафриканский научный журнал, 113 (3-4), 1-3.
- Кари, Л. (1997). ДНК-вычисления: прибытие биологической математики. Mathematical Intelligencer, 19 (2), 9-22.
- Пачеко Кастелао, JM (2000). Что такое математическая биология?
- Рид, MC (2004). Почему математическая биология такая сложная? Уведомления AMS, 51 (3), 338-342.
- Улам, С.М. (1972). Некоторые идеи и перспективы биоматематики. Ежегодный обзор биофизики и биоинженерии, 1 (1), 277-292.