Τα μαθηματικά είναι η γλώσσα της επιστήμης. Εμφανίζεται παντού, από τη φυσική μέχρι τη μηχανική και τη χημεία – βοηθώντας μας να κατανοήσουμε την προέλευση του σύμπαντος και να χτίσουμε γέφυρες που δεν θα καταρρέουν από τον άνεμο. Ίσως λίγο πιο εκπληκτικά, τα μαθηματικά είναι επίσης όλο και περισσότερο αναπόσπαστο μέρος της βιολογίας.

Για εκατοντάδες χρόνια τα μαθηματικά χρησιμοποιούνται, σε μεγάλο βαθμό, για τη μοντελοποίηση σχετικά απλών φυσικών συστημάτων. του Νεύτωνα καθολικός νόμος της βαρύτητας είναι ένα καλό παράδειγμα. Σχετικά απλές παρατηρήσεις οδήγησαν σε έναν κανόνα που περιγράφει με μεγάλη ακρίβεια την κίνηση των ουράνιων σωμάτων δισεκατομμύρια μίλια μακριά. Παραδοσιακά, η βιολογία θεωρείται πολύ περίπλοκη για να υποβληθεί σε τέτοια μαθηματική επεξεργασία.

Τα βιολογικά συστήματα συχνά ταξινομούνται ως «σύνθετα». Η πολυπλοκότητα με αυτή την έννοια σημαίνει ότι, λόγω της περίπλοκης αλληλεπίδρασης πολλών υποσυστατικών, τα βιολογικά συστήματα μπορούν να επιδείξουν αυτό που ονομάζουμε αναδυόμενη συμπεριφορά - το σύστημα στο σύνολό του επιδεικνύει ιδιότητες τις οποίες τα επιμέρους στοιχεία ενεργώντας μόνα τους δεν μπορούν. Αυτή η βιοπολυπλοκότητα έχει συχνά παρεξηγηθεί ζωτικότητα, την εσφαλμένη αντίληψη ότι οι βιολογικές διεργασίες εξαρτώνται από μια δύναμη ή αρχή διαφορετική από τους νόμους της φυσικής και της χημείας. Κατά συνέπεια, έχει υποτεθεί ότι τα πολύπλοκα βιολογικά συστήματα δεν επιδέχονται μαθηματική επεξεργασία.

Υπήρχαν κάποιοι πρώτοι διαφωνούντες. Διάσημος επιστήμονας υπολογιστών και παραβιαστής του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου Alan Turing ήταν από τους πρώτους που πρότειναν ότι τα βιολογικά φαινόμενα μπορούσαν να μελετηθούν και να κατανοηθούν μαθηματικά. Το 1952 πρότεινε ένα ζευγάρι όμορφες μαθηματικές εξισώσεις που παρέχουν μια εξήγηση για το πώς μπορεί να σχηματιστούν μοτίβα μελάγχρωσης στο τρίχωμα των ζώων.

Όχι μόνο ήταν όμορφη η δουλειά του, ήταν και αντιδιαισθητική – το είδος της δουλειάς που μόνο ένα λαμπρό μυαλό σαν του Τούρινγκ θα μπορούσε ποτέ να ονειρευτεί. Ακόμη πιο κρίμα, λοιπόν, που του αντιμετώπισαν τόσο άσχημα οι δρακόντειοι νόμοι κατά της ομοφυλοφιλίας της εποχής. Μετά από μια πορεία «διορθωτικής» ορμονικής θεραπείας, αυτοκτόνησε μόλις δύο χρόνια αργότερα.

Ένα αναδυόμενο πεδίο

Έκτοτε, ο τομέας των μαθηματική βιολογία έχει εκραγεί. Τα τελευταία χρόνια, οι ολοένα και πιο λεπτομερείς πειραματικές διαδικασίες έχουν οδηγήσει σε τεράστια εισροή στα βιολογικά δεδομένα που έχουν στη διάθεσή τους οι επιστήμονες. Αυτά τα δεδομένα χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία υποθέσεων σχετικά με την πολυπλοκότητα των προηγουμένως δυσνόητων βιολογικών συστημάτων. Προκειμένου να ελεγχθούν αυτές οι υποθέσεις, πρέπει να καταγραφούν με τη μορφή ενός μοντέλου που μπορεί να ανακριθεί για να καθοριστεί εάν μιμείται σωστά τις βιολογικές παρατηρήσεις. Τα μαθηματικά είναι η φυσική γλώσσα με την οποία γίνεται αυτό.

Επιπλέον, η εμφάνιση και η επακόλουθη αύξηση της υπολογιστικής ικανότητας τα τελευταία 60 χρόνια μας έδωσε τη δυνατότητα να προτείνουμε και στη συνέχεια να ανακρίνουμε πολύπλοκα μαθηματικά μοντέλα βιολογικών συστημάτων. Η συνειδητοποίηση ότι τα βιολογικά συστήματα μπορούν να αντιμετωπιστούν μαθηματικά, σε συνδυασμό με την υπολογιστική ικανότητα κατασκευής και διερεύνησης λεπτομερών βιολογικών μοντέλων, έχει οδηγήσει στη δραματική αύξηση της δημοτικότητας της μαθηματικής βιολογίας.

Τα μαθηματικά έχουν γίνει ένα ζωτικό όπλο στο επιστημονικό οπλοστάσιο που έχουμε για να αντιμετωπίσουμε μερικά από τα πιο πιεστικά ερωτήματα στην ιατρική, τη βιολογική και την οικολογική επιστήμη στον 21ο αιώνα. Περιγράφοντας μαθηματικά τα βιολογικά συστήματα και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας τα μοντέλα που προκύπτουν, μπορούμε να αποκτήσουμε γνώσεις στις οποίες είναι αδύνατο να έχουμε πρόσβαση μόνο μέσω πειραμάτων και λεκτικού συλλογισμού. Η μαθηματική βιολογία είναι απίστευτα σημαντική εάν θέλουμε να αλλάξουμε τη βιολογία από περιγραφική σε προγνωστική επιστήμη – δίνοντάς μας δύναμη, για παράδειγμα, να αποτρέψουμε πανδημίες ή να αλλάξουμε τις επιπτώσεις των εξουθενωτικών ασθενειών.

Ένα νέο όπλο

Τα τελευταία 50 χρόνια, για παράδειγμα, οι μαθηματικοί βιολόγοι έχουν δημιουργήσει όλο και πιο πολύπλοκες υπολογιστικές αναπαραστάσεις της φυσιολογίας της καρδιάς. Σήμερα, αυτά τα εξαιρετικά εξελιγμένα μοντέλα χρησιμοποιούνται σε μια προσπάθεια να κατανοήσουν καλύτερα την περίπλοκη λειτουργία της ανθρώπινης καρδιάς. Οι προσομοιώσεις της καρδιακής λειτουργίας σε υπολογιστή μας επιτρέπουν να κάνουμε προβλέψεις για το πώς η καρδιά θα αλληλεπιδράσει με υποψήφια φάρμακα, σχεδιασμένα να βελτιώνουν τη λειτουργία της, χωρίς να χρειάζεται να αναλαμβάνουμε ακριβές και δυνητικά επικίνδυνες κλινικές δοκιμές.

Χρησιμοποιούμε τη μαθηματική βιολογία για να μελετήσουμε επίσης τις ασθένειες. Σε ατομική κλίμακα, οι ερευνητές έχουν διευκρινίσει τους μηχανισμούς με τους οποίους το ανοσοποιητικό μας σύστημα μάχεται με τους ιούς μέσω μαθηματική ανοσολογία και πρότεινε πιθανές παρεμβάσεις για την ανατροπή της ζυγαριάς υπέρ μας. Σε ευρύτερη κλίμακα, οι μαθηματικοί βιολόγοι έχουν προτείνει μηχανισμούς που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της εξάπλωσης του θανατηφόρες επιδημίες όπως ο Έμπολα, και για να διασφαλιστεί ότι οι πεπερασμένοι πόροι που αφιερώνονται σε αυτόν τον σκοπό χρησιμοποιούνται με τον πιο αποτελεσματικό δυνατό τρόπο.

Η μαθηματική βιολογία χρησιμοποιείται ακόμη και για την ενημέρωση της πολιτικής. Έχει γίνει έρευνα για την αλιεία, για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας μαθηματική μοντελοποίηση για τον καθορισμό ρεαλιστικών ποσοστώσεων προκειμένου να διασφαλίσουμε ότι μην υπερψαρεύουμε τις θάλασσές μας και ότι προστατεύουμε μερικά από τα πιο σημαντικά είδη μας.

Η αυξημένη κατανόηση που αποκτάται με τη λήψη μιας μαθηματικής προσέγγισης μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερη κατανόηση της βιολογίας σε μια σειρά διαφορετικών κλιμάκων. Στο το Κέντρο Μαθηματικής Βιολογίας στο Μπαθ, για παράδειγμα, μελετάμε μια σειρά από πιεστικά βιολογικά προβλήματα. Στο ένα άκρο του φάσματος, προσπαθούμε να αναπτύξουμε στρατηγικές για την αποτροπή του καταστροφικές συνέπειες της ακρίδας που περιλαμβάνει έως και ένα δισεκατομμύριο άτομα. Στο άλλο άκρο, προσπαθούμε να αποσαφηνίσουμε τους μηχανισμούς που δημιουργούν το σωστό ανάπτυξη του εμβρύου.

Αν και η μαθηματική βιολογία ήταν παραδοσιακά ο τομέας των εφαρμοσμένων μαθηματικών, είναι σαφές ότι οι μαθηματικοί που αυτοταξινομούνται ως καθαροί έχουν να παίξουν ρόλο στην επανάσταση της μαθηματικής βιολογίας. Η καθαρή πειθαρχία της τοπολογίας χρησιμοποιείται για την κατανόηση του κόμπο πρόβλημα της συσκευασίας του DNA και η αλγεβρική γεωμετρία χρησιμοποιείται για την επιλογή του καταλληλότερου μοντέλου δίκτυα βιοχημικών αλληλεπιδράσεων.

Καθώς το προφίλ της μαθηματικής βιολογίας συνεχίζει να ανεβαίνει, αναδυόμενοι και καταξιωμένοι επιστήμονες από κλάδους σε όλο το επιστημονικό φάσμα θα προσελκύονται για να αντιμετωπίσουν το πλούσιο φάσμα σημαντικών και καινοτόμων προβλημάτων που έχει να προσφέρει η βιολογία.

Η επαναστατική ιδέα του Τούρινγκ, αν και δεν εκτιμήθηκε πλήρως στην εποχή του, έδειξε ότι δεν υπήρχε ανάγκη να απευθυνθούμε στον βιταλισμό –τον θεό στη μηχανή– για να κατανοήσουμε τις βιολογικές διεργασίες. Οι χημικοί και φυσικοί νόμοι που κωδικοποιούνται στα μαθηματικά, ή η «μαθηματική βιολογία» όπως την αποκαλούμε τώρα, θα μπορούσαν να κάνουν μια χαρά.

Σχετικά με το Συγγραφέας

Christian Yates, Λέκτορας Μαθηματικής Βιολογίας, Πανεπιστήμιο του Μπαθ

Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στις Η Συνομιλία. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Σχετικές Βιβλία:

at InnerSelf Market και Amazon