Là toán học của sự sống và cái chết Vũ khí bí mật của chúng ta trong cuộc chiến chống lại bệnh tật

Là toán học của sự sống và cái chết Vũ khí bí mật của chúng ta trong cuộc chiến chống lại bệnh tật

Toán học là ngôn ngữ của khoa học. Nó mọc lên khắp nơi từ vật lý đến kỹ thuật và hóa học - giúp chúng ta tìm hiểu nguồn gốc của vũ trụ và xây dựng những cây cầu sẽ không sụp đổ trong gió. Có lẽ đáng ngạc nhiên hơn một chút, toán học cũng ngày càng không thể thiếu đối với sinh học.

Trong hàng trăm năm toán học đã được sử dụng, để có hiệu quả lớn, để mô hình hóa các hệ thống vật lý tương đối đơn giản. Newton luật hấp dẫn phổ quát là một ví dụ tốt. Tương đối đơn giản quan sát dẫn đến một quy luật mà, với độ chính xác cao, mô tả các chuyển động của cơ quan hàng tỷ thiên dặm. Theo truyền thống, sinh học đã được xem là quá phức tạp để đưa vào điều trị toán học như vậy.

Các hệ thống sinh học thường được phân loại là phức tạp. Sự phức tạp theo nghĩa này có nghĩa là, do sự tương tác phức tạp của nhiều thành phần phụ, các hệ thống sinh học có thể thể hiện cái mà chúng ta gọi là hành vi mới nổi - toàn bộ hệ thống thể hiện các tính chất mà các thành phần riêng lẻ hoạt động một mình không thể. Tính tương hợp sinh học này thường bị nhầm lẫn với chủ nghĩa sống còn, quan niệm sai lầm rằng các quá trình sinh học phụ thuộc vào một lực hoặc nguyên tắc khác biệt với các định luật vật lý và hóa học. Do đó, người ta đã cho rằng các hệ thống sinh học phức tạp không thể điều trị bằng toán học.

Có một số người chống đối sớm. Nhà khoa học máy tính nổi tiếng và người phá mã trong Thế chiến II Alan Turing là một trong những người đầu tiên cho rằng các hiện tượng sinh học có thể được nghiên cứu và hiểu về mặt toán học. Trong 1952, ông đã đề xuất một cặp phương trình toán học đẹp trong đó cung cấp một lời giải thích cho cách các mô hình sắc tố có thể hình thành trên áo khoác của động vật.

Công việc của anh ta không chỉ đẹp mà còn phản tác dụng - loại công việc mà chỉ có một bộ óc thông minh như Turing mới có thể mơ ước. Thậm chí còn đáng tiếc hơn, rằng anh ta bị đối xử rất tệ theo luật chống đồng tính luyến ái thời bấy giờ. Sau một đợt điều trị hoóc môn điều chỉnh trên đỉnh đồi, anh ta đã tự sát chỉ hai năm sau đó.

Một lĩnh vực mới nổi

Kể từ đó, lĩnh vực sinh học toán học đã phát nổ. Trong những năm gần đây, các quy trình thí nghiệm ngày càng chi tiết đã dẫn đến một dòng dữ liệu sinh học khổng lồ có sẵn cho các nhà khoa học. Dữ liệu này đang được sử dụng để tạo ra các giả thuyết về sự phức tạp của các hệ thống sinh học trừu tượng trước đây. Để kiểm tra các giả thuyết này, chúng phải được viết ra dưới dạng mô hình có thể được thẩm vấn để xác định xem nó có bắt chước chính xác các quan sát sinh học hay không. Toán học là ngôn ngữ tự nhiên để làm điều này.

Ngoài ra, sự ra đời và tăng dần về khả năng tính toán trong những năm 60 vừa qua đã cho phép chúng tôi đề xuất và sau đó thẩm vấn các mô hình toán học phức tạp của các hệ thống sinh học. Việc nhận ra rằng các hệ thống sinh học có thể được xử lý bằng toán học, cùng với khả năng tính toán để xây dựng và điều tra các mô hình sinh học chi tiết, đã dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ về mức độ phổ biến của sinh học toán học.


Nhận thông tin mới nhất từ ​​Nội tâm


Toán học đã trở thành một vũ khí quan trọng trong kho vũ khí khoa học, chúng ta phải giải quyết một số câu hỏi cấp bách nhất trong khoa học y tế, sinh học và sinh thái trong thế kỷ 21st. Bằng cách mô tả các hệ thống sinh học một cách toán học và sau đó sử dụng các mô hình kết quả, chúng ta có thể đạt được những hiểu biết không thể truy cập mặc dù chỉ có các thí nghiệm và lý luận bằng lời nói. Sinh học toán học là vô cùng quan trọng nếu chúng ta muốn thay đổi sinh học từ mô tả thành khoa học dự đoán - ví dụ, mang lại cho chúng ta sức mạnh để ngăn chặn đại dịch hoặc thay đổi ảnh hưởng của bệnh suy nhược.

Vũ khí mới

Chẳng hạn, trong những năm 50 vừa qua, các nhà sinh học toán học đã xây dựng các biểu diễn tính toán ngày càng phức tạp về sinh lý của tim. Ngày nay, những mô hình rất tinh vi này đang được sử dụng trong nỗ lực hiểu rõ hơn về hoạt động phức tạp của trái tim con người. Mô phỏng máy tính về chức năng tim cho phép chúng ta đưa ra dự đoán về cách tim sẽ tương tác với các loại thuốc ứng cử viên, được thiết kế để cải thiện chức năng của nó, mà không phải thực hiện các thử nghiệm lâm sàng đắt tiền và tiềm ẩn nhiều rủi ro.

Chúng tôi sử dụng sinh học toán học để nghiên cứu bệnh là tốt. Ở quy mô cá nhân, các nhà nghiên cứu đã làm sáng tỏ các cơ chế mà hệ thống miễn dịch của chúng ta chiến đấu với virus thông qua miễn dịch toán học và đề xuất các can thiệp tiềm năng để giảm quy mô có lợi cho chúng tôi. Ở phạm vi rộng hơn, các nhà sinh học toán học đã đề xuất các cơ chế có thể được sử dụng để kiểm soát sự lây lan của dịch bệnh chết người như Ebolavà để đảm bảo các nguồn tài nguyên hữu hạn dành cho mục đích này được sử dụng theo cách hiệu quả nhất có thể.

Sinh học toán học thậm chí đang được sử dụng để thông báo chính sách. Ví dụ, đã có nghiên cứu về nghề cá, sử dụng mô hình toán học để thiết lập hạn ngạch thực tế nhằm đảm bảo chúng tôi đừng vượt qua biển của chúng ta và rằng chúng tôi bảo vệ một số loài quan trọng nhất của chúng tôi.

Sự hiểu biết tăng lên lượm lặt bằng cách thực hiện một phương pháp toán học có thể dẫn đến sự hiểu biết tốt hơn về sinh học ở một phạm vi quy mô khác nhau. Tại Trung tâm Sinh học Toán học tại Bath, ví dụ, chúng tôi nghiên cứu một số vấn đề sinh học cấp bách. Ở một đầu của quang phổ, chúng tôi cố gắng phát triển các chiến lược để ngăn chặn tác động tàn phá của bệnh dịch châu chấu bao gồm lên đến một tỷ cá nhân. Ở đầu bên kia, chúng tôi cố gắng làm sáng tỏ các cơ chế làm phát sinh chính xác sự phát triển của phôi.

Mặc dù sinh học toán học theo truyền thống là lĩnh vực của các nhà toán học ứng dụng, nhưng rõ ràng các nhà toán học tự phân loại là thuần túy có vai trò trong cuộc cách mạng sinh học toán học. Các nguyên tắc thuần túy của cấu trúc liên kết đang được sử dụng để hiểu vấn đề rắc rối của việc đóng gói DNA và hình học đại số đang được sử dụng để chọn mô hình thích hợp nhất của mạng lưới tương tác sinh hóa.

Khi hồ sơ của sinh học toán học tiếp tục tăng lên, các nhà khoa học mới nổi và thành lập từ các ngành khoa học trong toàn bộ khoa học sẽ được rút ra để giải quyết hàng loạt các vấn đề quan trọng và mới lạ mà sinh học phải đưa ra.

ConversationÝ tưởng mang tính cách mạng của Turing, mặc dù không được đánh giá cao trong thời đại của ông, đã chứng minh rằng không cần phải hấp dẫn chủ nghĩa sống còn - vị thần trong cỗ máy - để hiểu các quá trình sinh học. Các định luật hóa học và vật lý được mã hóa trong toán học, hay còn gọi là sinh học toán học, như chúng ta gọi nó, có thể làm tốt

Giới thiệu về Tác giả

Christian Yates, Giảng viên sinh học toán học, Đại học tắm

Bài viết này ban đầu được xuất bản vào Conversation. Đọc ban đầu bài viết.

Sách liên quan:

{amazonWS: searchindex = Books; Keywords = Số học của sự sống và cái chết; maxresults = 3}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

theo dõi Nội bộ trên

facebook-iconbiểu tượng twitterbiểu tượng rss

Nhận tin mới nhất qua email

{Emailcloak = off}