Biologia matematică sau biomatematica este o ramură a științei , care este responsabil pentru dezvoltarea de modele numerice care simuleaza diferite fenomene naturale get legate de ființe vii; adică presupune utilizarea unor instrumente matematice pentru studierea sistemelor naturale sau biologice.
După cum se poate înțelege din numele său, biomatematica este o zonă interdisciplinară, situată la intersecția cunoștințelor dintre biologie și matematică. Un exemplu simplu al acestei discipline ar putea include dezvoltarea de metode statistice de rezolvare a problemelor în domeniul geneticii sau epidemiologiei, pentru a numi câteva.
Legea lui Lotka-Volterra pentru relația dintre prădători și pradă (Sursa: Curtis Newton ↯ 10:55, 20. aprilie 2010 (CEST). Încărcătorul original a fost Lämpel la Wikipedia Germană. Via Wikimedia Commons)
În acest domeniu de cunoaștere, este normal ca rezultatele matematice să apară din probleme biologice sau să fie folosite pentru a le rezolva, cu toate acestea, unii cercetători au reușit să rezolve probleme matematice pe baza observării fenomenelor biologice, deci nu este o relație unidirecțională între ambele domenii ale științei.
Din cele de mai sus, se poate asigura că o problemă matematică este scopul pentru care sunt utilizate instrumentele biologice și invers; că o problemă biologică este scopul pentru care se folosesc numeroasele instrumente matematice.
Astăzi, domeniul biologiei matematice crește rapid și este considerat una dintre cele mai moderne și interesante aplicații ale matematicii. Este foarte util nu numai în biologie, ci și în științele biomedicale și în domeniul biotehnologiei.
Istoria biomatematicii
Matematica și biologia sunt două științe cu o multiplicitate de aplicații. Matematica este poate la fel de veche ca cultura occidentală, originea sa datează cu mulți ani înaintea lui Hristos, iar utilitatea sa a fost demonstrată de atunci pentru un număr mare de aplicații.
Biologia ca știință este însă mult mai recentă, deoarece conceptualizarea sa nu a apărut până la începutul secolului al XIX-lea, datorită intervenției lui Lamarck, în anii 1800.
Relația dintre cunoștințele matematice și cele biologice este strânsă încă din cele mai vechi timpuri ale civilizațiilor, deoarece așezarea popoarelor nomade a avut loc datorită descoperirii că natura putea fi exploatată în mod sistematic, ceea ce a trebuit să fi implicat în primele noțiuni matematice și biologice.
La începuturile sale, științele biologice erau considerate „artizanale”, deoarece se refereau mai ales la activități populare, cum ar fi agricultura sau creșterea animalelor; între timp, matematica a descoperit abstractizarea și a avut aplicații imediate oarecum îndepărtate.
Confluența dintre biologie și matematică datează, poate, din secolele al XV-lea și al XVI-lea, odată cu apariția fiziologiei, care este o știință care grupează cunoștințele, clasificând, ordonând și sistematizând-o, folosind instrumente matematice atunci când este necesar.
Thomas Malthus
Thomas Malthus, un economist contemporan cu Lamarck, care a stabilit precedentul pentru începutul biologiei matematice, întrucât a fost primul care a postulat un model matematic care să explice dinamica populației în funcție de resursele naturale.
Abordările lui Malthus au fost ulterior dezvoltate și elaborate și astăzi fac parte din fundamentul modelelor ecologice care sunt folosite pentru a explica relația dintre prădători și prada lor, de exemplu.
Obiect de studiu al biologiei matematice
Biologia matematică este un domeniu științific interdisciplinar. Sursa: Konstantin Kolosov - Pixabay
Biologia matematică este o știință care rezultă din integrarea diferitelor instrumente matematice cu date biologice, experimentale sau nu, care încearcă să profite de „puterea” metodelor matematice pentru a explica mai bine lumea ființelor vii, celulele lor și din moleculele sale
Indiferent de gradul de complexitate tehnologică implicată, biologia matematică constă în considerația „simplă” că există o analogie între două procese, și anume:
- Structura complexă a unei ființe vii este rezultatul aplicării unor operații simple de „copiere” și „tăiere și împletire” sau „splicing” (de exemplu) la o informație inițială conținută într-o secvență ADN (acid dezoxiribonucleic ).
- Rezultatul f (ω) al aplicării unei funcții computabile unui tablou w poate fi obținut prin aplicarea unei combinații de funcții de bază simple w.
Câmpul biologiei matematice aplică domenii ale matematicii, cum ar fi calculul, teoriile probabilității, statistici, algebră liniară, geometrie algebraică, topologie, ecuații diferențiale, sisteme dinamice, combinatorie și teoria codificării.
Recent, această disciplină a fost exploatată pe scară largă pentru analiza cantitativă a diferitelor tipuri de date, deoarece științele biologice au fost dedicate producerii unor mase mari de date din care pot fi extrase informații valoroase.
De fapt, mulți cercetători consideră că marea explozie de date biologice „a creat” nevoia de a dezvolta modele matematice noi și mai complexe pentru analiza lor, precum și algoritmi de calcul și metode statistice considerabil mai complexe.
Aplicații
Una dintre cele mai semnificative aplicații ale biologiei matematice are legătură cu analiza secvențelor ADN, dar această știință este implicată și în modelarea epidemiilor și în studiul propagării semnalelor nervoase.
Acesta a fost utilizat pentru a studia procesele neurologice precum boala Parkinson, boala Alzheimer și scleroza laterală amiotrofică, de exemplu.
Este extrem de util pentru studiul proceselor evolutive (teorizări) și pentru dezvoltarea de modele care explică relația ființelor vii între ele și cu mediul lor, adică pentru abordări ecologice.
Modelarea și simularea diferitelor tipuri de cancer este un bun exemplu al numeroaselor aplicații pe care biologia matematică le are astăzi, în special în ceea ce privește simularea interacțiunilor dintre populațiile celulare.
Exemplu de analiză a secvențelor ADN utilizate frecvent în genomică (Sursa: Radtk172 prin Wikimedia Commons)
Biomatematica este, de asemenea, foarte avansată în domeniul neuroștiinței computaționale, în studiile dinamicii populației și a filogenomicii și genomicii în general.
În această ultimă ramură a geneticii a avut o mare relevanță, deoarece este una dintre zonele cu cea mai mare creștere din ultimii ani, deoarece rata de colectare a datelor este extrem de mare, ceea ce merită tehnici noi și mai bune pentru prelucrarea și analiza sa.
Referințe
- Andersson, S., Larsson, K., Larsson, M., și Jacob, M. (Eds.). (1999). Biomatematică: matematica biostructurilor și biodinamicii. Elsevier.
- Elango, P. (2015). Rolul matematicii în biologie.
- Friedman, A. (2010). Ce este biologia matematică și cât de utilă este. Notificări ale AMS, 57 (7), 851-857.
- Hofmeyr, JHS (2017). Matematică și biologie. South African Journal of Science, 113 (3-4), 1-3.
- Kari, L. (1997). Calculul ADN: sosirea matematicii biologice. Matematical Intelligencer, 19 (2), 9-22.
- Pacheco Castelao, JM (2000). Ce este biologia matematică?
- Reed, MC (2004). De ce este atât de grea biologia matematică? Notificări ale AMS, 51 (3), 338-342.
- Ulam, SM (1972). Câteva idei și perspective în biomatematică. Revizuirea anuală a biofizicii și bioingineriei, 1 (1), 277-292.