私たちの秘密の武器は、病気との戦いで生命と死の数学です

私たちの秘密の武器は、病気との戦いで生命と死の数学です

数学は科学の言語です。 それは、物理学から工学、化学に至るまであらゆるところで作物を作ります - 私たちを助けて宇宙の起源を理解し、風に崩壊しない橋を建てます。 多分もっと驚くべきことに、数学も生物学にとってますます不可欠です。

何百年もの間、数学は、比較的単純な物理的システムをモデル化するために、効果的に使用されてきました。 ニュートンズ 重力の普遍的な法則 良い例です。 比較的単純な観測は、何十億マイルも離れた天体の動きを、非常に正確に記述したルールにつながった。 伝統的に、生物学はそのような数学的処理に提出するには複雑すぎると見なされてきた。

生物学的システムはしばしば「複雑」と分類される。 この意味での複雑さは、多くのサブコンポーネントの複雑な相互作用のために、生物系は、私たちが緊急行動と呼ぶものを示すことができることを意味します。 このバイオ複合性は、多くの場合、 生命主義生物学的プロセスが物理化学の法則とは異なる力や原理に依存しているという誤解。 その結果、複雑な生物学的システムは数学的処理に適していないと仮定されている。

初期の異議者がいくつかいました。 有名なコンピュータ科学者と第二次世界大戦のコードブレーカー アラン·チューリング 生物学的現象が数学的に研究され理解されることを示唆する最初のものの1つであった。 1952では、彼は 美しい数学的方程式 これは、動物のコート上で色素沈着パターンがどのように形成されるかについての説明を提供する。

彼の作品は美しいだけでなく、直感に反していました.Turingのような華麗な心だけが夢見ていたような作品です。 残念なことに、彼は当時の厳しい反同性愛の法律ではあまり扱われていなかった。 "矯正的な"ホルモン治療のコースの後、彼はちょうど2年後に自殺した。

新興分野

それ以来、 数学生物学 爆発した。 近年、ますます詳細化された実験手順が、科学者に利用可能な生物学的データに巨大な流入をもたらしている。 このデータは、以前に不安定な生物システムの複雑さに関する仮説を生成するために使用されています。 これらの仮説を検証するためには、それらが生物学的観察を正しく模倣しているかどうかを調べるために質問することができるモデルの形で書き留めなければならない。 数学はこれを行うための自然言語です。

さらに、最後の60年の間に計算能力が出現し、それに続いて計算能力が向上したことで、生物システムの複雑な数学的モデルを示唆し、それから調べることができました。 生物学的システムを数学的に扱い、詳細な生物学モデルを構築して調査する計算能力と併せて実現することの実現は、数学生物学の普及を劇的に増加させた。

数学は、21st世紀の医学、生物学および生態学における最も重要な問題のいくつかに取り組まなければならない科学兵器の重要な武器になっています。 生物学的システムを数学的に記述し、その結果得られたモデルを使用することによって、実験や口頭推論だけでは不可能な洞察を得ることができます。 私たちが生物学を記述的科学から予測的科学に変えたい場合、たとえばパンデミックを避けたり、衰弱性疾患の影響を変えるなどの力を私たちに与えたい場合、数学生物学は非常に重要です。

新しい武器

例えば、最後の50年の間に、数学生物学者は、心臓の生理学のますます複雑な計算表現を構築しました。 今日、これらの高度に洗練されたモデルは、人間の心臓の複雑な機能をよりよく理解するために使用されています。 心機能のコンピュータシミュレーションにより、高価で潜在的に危険な臨床試験を行うことなく、心臓がその機能を改善するように設計された候補薬物とどのように相互作用するかの予測が可能になる。

私たちは、病気の研究にも数学生物学を使用しています。 個々の規模で、研究者らは、免疫系がウイルスと戦うメカニズムを解明してきました 数学的免疫学 私たちの利益のために尺度を傾けるための潜在的な介入を提案した。 より広範囲に、数学生物学者は、広がりを制御するために使用できるメカニズムを提案している エボラのような致命的な流行この目的に捧げられた有限の資源が、最も効率的な方法で確実に採用されるようにすることです。

数学生物学は政策を知らせるために用いられています。 例えば、数学的モデルを使って現実的なクォータを設定して、漁業に関する調査が行われています 私たちの海を大げさにしないでください 私たちが最も重要な種のいくつかを保護するということです。

数学的アプローチを取ることによって集められた理解の増加は、様々なスケールの範囲での生物学のより良い理解につながる可能性があります。 で バスの数理生物学センターたとえば、私たちは数多くの生物学的な問題を研究しています。 スペクトルの一端で、我々は、 イナゴの災害の壊滅的な影響 最大10億人を含む。 もう一方では、正しい結果をもたらすメカニズムを解明しようとします 胚の発生.

数学生物学は伝統的に応用されている数学者の領域でしたが、純粋であると自己分類する数学者は、数学生物学革命で果たす役割があることは明らかです。 トポロジーの純粋な規律は、 DNAパッキングの厄介な問題 代数幾何学は、最も適切なモデルを選択するために使用されています。 生化学的相互作用ネットワーク.

数学生物学のプロフィールが上昇し続けるにつれて、生物学が提供しなければならない重要かつ斬新な問題の豊富な範囲に取り組むために、科学的スペクトルを超えた分野からの新興かつ確立された科学者が引き出される。

会話チューリングの革新的なアイデアは、彼の時間には十分に認識されていませんでしたが、生物学的プロセスを理解するための生命主義、機械の神にアピールする必要はないことが示されました。 数学でコード化された化学的および物理的法則、あるいは今では「数学的生物学」と呼ばれているように、それはうまくいくでしょう。

著者について

Christian Yates、数学生物学講師、 バース大学

この記事は、最初に公開された 会話。 読む 原著.

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