Matematička biologija ili biomatematika je grana znanosti koja je odgovorna za razvoj numeričkih modela koji simuliraju različite dobiti prirodnim fenomenima koji se odnose na živa bića; to jest, uključuje upotrebu matematičkih alata za proučavanje prirodnih ili bioloških sustava.
Kao što se iz njegova imena može razumjeti, biomathematika je interdisciplinarno područje, smješteno na sjecištu znanja između biologije i matematike. Jednostavni primjer ove discipline mogao bi uključivati razvoj statističkih metoda za rješavanje problema iz područja genetike ili epidemiologije, ako ih samo nabrojimo.
Zakon Lotka-Volterra za odnos između grabežljivaca i plena (Izvor: Curtis Newton ↯ 10:55, 20. travnja 2010. (CEST). Originalni učitavač bio je Lämpel na njemačkoj Wikipediji. Via Wikimedia Commons)
U ovom području znanja normalno je da matematički rezultati proizlaze iz bioloških problema ili da se koriste za njihovo rješavanje, međutim neki su istraživači matematičke probleme uspjeli riješiti na temelju promatranja bioloških pojava, tako da to nije jednosmjeran odnos između oba područja znanosti.
Iz navedenog se može osigurati da je matematički problem svrha u kojem se koriste biološki alati i obrnuto; da je biološki problem svrha u kojoj se koristi mnogo različitih matematičkih alata.
Danas polje matematičke biologije brzo raste i smatra se jednom od najmodernijih i najuzbudljivijih primjena matematike. Vrlo je korisna ne samo u biologiji, već i u biomedicinskim znanostima i na polju biotehnologije.
Povijest biomatike
Matematika i biologija dvije su znanosti s mnoštvom primjena. Matematika je možda stara koliko i zapadna kultura, njeno podrijetlo seže mnogo godina prije Krista, a njezina korisnost od tada se pokazala za veliki broj primjena.
Biologija kao znanost je, međutim, mnogo novija, budući da se njezina konceptualizacija dogodila tek početkom 19. stoljeća zahvaljujući intervenciji Lamarcka, 1800-ih.
Odnos matematičkog i biološkog znanja blizak je od najranijih doba civilizacija, jer se naseljavanje nomadskih naroda dogodilo zahvaljujući otkriću da se priroda može sustavno iskorištavati, što je nužno moralo biti uključeno u prve pojmove matematički i biološki.
U svojim počecima biološke znanosti smatrale su se "zanatlijama", budući da su se uglavnom odnosile na popularne aktivnosti poput poljoprivrede ili stoke; u međuvremenu je matematika otkrila apstrakciju i imala pomalo udaljene neposredne primjene.
Sukob između biologije i matematike seže možda u 15. i 16. stoljeće, s pojavom fiziologije, koja je znanost koja objedinjuje znanje, klasificirajući ga, poredajući i sistematizirajući, koristeći matematičke alate kada je to potrebno.
Thomas Malthus
Thomas Malthus, suvremenik ekonomije s Lamarckom, postavio je presedan za početak matematičke biologije, jer je prvi postulirao matematički model koji je objasnio dinamiku populacije kao funkciju prirodnih resursa.
Malthusovi pristupi kasnije su dodatno razrađeni i razrađeni, a danas su dio temelja ekoloških modela koji se, primjerice, koriste za objašnjenje odnosa između grabežljivaca i njihovog plijena.
Predmet proučavanja matematičke biologije
Matematička biologija interdisciplinarno je znanstveno područje. Izvor: Konstantin Kolosov - Pixabay
Matematička biologija je znanost koja proizlazi iz integracije različitih matematičkih alata s biološkim podacima, eksperimentalnim ili ne, koja nastoji iskoristiti "moć" matematičkih metoda za bolje objašnjenje svijeta živih bića, njihovih stanica i njegovih molekula.
Bez obzira na stupanj tehnološke složenosti, matematička biologija sastoji se od „jednostavnog“ razmatranja da postoji analogija između dva procesa, naime:
- Složena struktura živog bića rezultat je primjene jednostavnih operacija "kopiranja" i "rezanja i spajanja" ili "spajanja" (na primjer) na početne informacije sadržane u DNK sekvenci (deoksiribonukleinska kiselina)).
- Rezultat f (ω) primjene računalne funkcije na niz w može se dobiti primjenom kombinacije jednostavnih osnovnih funkcija w.
Područje matematičke biologije primjenjuje područja matematike kao što su račun, teorije vjerojatnosti, statistika, linearna algebra, algebarska geometrija, topologija, diferencijalne jednadžbe, dinamički sustavi, kombinatorika i teorija kodiranja.
U posljednje vrijeme ta se disciplina široko koristi za kvantitativne analize različitih vrsta podataka, budući da su biološke znanosti posvećene proizvodnji velikih masa podataka iz kojih se mogu izvući vrijedne informacije.
U stvari, mnogi istraživači smatraju da je velika eksplozija bioloških podataka "stvorila" potrebu za razvijanjem novih i složenijih matematičkih modela za njihovu analizu, kao i znatno složenijih računskih algoritama i statističkih metoda.
Prijave
Jedna od najznačajnijih primjena matematičke biologije ima veze s analizom DNK sekvenata, ali ova je znanost također uključena u modeliranje epidemija i u proučavanje širenja živčanih signala.
Primjerice, korištena je za proučavanje neuroloških procesa poput Parkinsonove bolesti, Alzheimerove bolesti i amiotrofične lateralne skleroze.
Izuzetno je korisno za proučavanje evolucijskih procesa (teoretizacije) i za razvoj modela koji objašnjavaju odnos živih bića međusobno i sa njihovim okolišem, odnosno za ekološke pristupe.
Modeliranje i simulacija različitih vrsta karcinoma također je dobar primjer mnogih primjena koje danas ima matematička biologija, posebno u pogledu simulacije interakcija između staničnih populacija.
Primjer analize nizova DNK koji se obično koristi u genomici (Izvor: Radtk172 putem Wikimedia Commons)
Biomathematika je također vrlo napredna na području računske neuroznanosti, u studijama populacijske dinamike i filogenomije i genomike uopće.
U ovoj posljednjoj grani genetike bio je od velike važnosti, jer je to jedno od područja s najvećim rastom posljednjih godina, jer je stopa prikupljanja podataka izuzetno visoka, što zaslužuje nove i bolje tehnike za njegova obrada i analiza.
Reference
- Andersson, S., Larsson, K., Larsson, M., i Jacob, M. (ur.). (1999). Biomatika: matematika biostrukture i biodinamika. Elsevier.
- Elango, P. (2015). Uloga matematike u biologiji.
- Friedman, A. (2010). Što je matematička biologija i koliko je korisna. Obavijesti AMS-a, 57 (7), 851-857.
- Hofmeyr, JHS (2017). Matematika i biologija. Južnoafrički časopis za znanost, 113 (3-4), 1-3.
- Kari, L. (1997). DNA računanje: dolazak biološke matematike. Mathematical Intelligencer, 19 (2), 9-22.
- Pacheco Castelao, JM (2000). Što je matematička biologija?
- Reed, MC (2004). Zašto je matematička biologija toliko naporna? Obavijesti AMS-a, 51 (3), 338-342.
- Ulam, SM (1972). Neke ideje i perspektive u biomatici. Godišnji pregled biofizike i bioinžinjeringa, 1 (1), 277-292.