生死数学是我们抗击疾病的秘密武器

生死数学是我们抗击疾病的秘密武器

数学是科学的语言。 它从物理到工程和化学都随处可见 - 帮助我们理解宇宙的起源,建造不会在风中坍塌的桥梁。 也许更令人惊讶的是,数学也越来越不可或缺的生物学。

数百年来,数学已经被用来模拟相对简单的物理系统。 牛顿 万有引力定律 是一个很好的例子。 相对简单的观察导致了一个准确的描述了几十亿英里远的天体运动的规则。 传统上,生物学被认为太复杂,不适合这样的数学处理。

生物系统通常被分类为“复杂”。 在这个意义上的复杂性意味着,由于许多子组件的复杂的相互作用,生物系统可以表现出我们所说的紧急行为 - 系统作为一个整体证明了各个组件单独作用的特性。 这种生物复杂性经常被误认为是 生机,生物过程依赖于不同于物理和化学规律的力量或原理的错误概念。 因此,人们认为复杂的生物系统不适合数学处理。

有一些早期的反对者。 着名的计算机科学家和第二次世界大战代码断路器 阿兰·图灵 是第一个建议可以从数学上研究和理解生物现象的人之一。 在1952他提出了一对 美丽的数学方程 这提供了如何在动物外套上形成色素沉着模式的解释。

他的作品不仅美观,而且也是反直觉的 - 只有像图灵这样出色的思想才能梦想成真。 更可惜的是,在当时严苛的反同性恋法律下,他的待遇太差了。 经过一个“纠正”激素治疗的过程,两年后他自杀了。

一个新兴领域

从那时起,这个领域 数学生物学 已经爆炸了。 近年来,越来越详细的实验程序已经导致科学家获得的生物学数据大量涌入。 这些数据正在被用来产生关于以前深奥的生物系统的复杂性的假设。 为了检验这些假设,必须以可以被询问的模型的形式写下来,以确定它是否正确地模拟了生物学观察。 数学是这样做的自然语言。

此外,在过去的60年中,计算能力的出现和随后的增加使我们能够建议并询问复杂的生物系统的数学模型。 认识到生物系统可以用数学方法处理,加上建立和研究详细的生物模型的计算能力,导致了数学生物学的普及。


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数学已经成为科学军械库中的重要武器,我们必须在21世纪中解决一些医学,生物和生态科学中最紧迫的问题。 通过数学描述生物系统,然后使用最终的模型,我们可以通过单独的实验和口头推理获得不可能获得的见解。 如果我们想把生物学从描述性变为预测性科学,那么数学生物学是非常重要的 - 例如,赋予我们权力来避免流行病或者改变衰弱疾病的影响。

一种新的武器

例如,在过去的50年,数学生物学家已经建立了越来越复杂的心脏生理计算表示。 今天,这些高度复杂的模型正被用来试图更好地理解人类心脏的复杂功能。 心脏功能的计算机模拟使我们能够预测心脏如何与候选药物相互作用,旨在改善其功能,而无需进行昂贵且潜在风险的临床试验。

我们也使用数学生物学来研究疾病。 在个人规模上,研究人员已经阐明了我们的免疫系统通过与病毒作战的机制 数学免疫学 并建议潜在的干预措施,以倾斜在我们有利的规模。 在更广泛的范围内,数学生物学家提出了可以用来控制其传播的机制 埃博拉病毒等致命的流行病并确保专用于此目的的有限资源以最有效的方式被使用。

数学生物学甚至被用来告知政策。 对渔业进行了一些研究,例如使用数学建模来设定现实的配额,以确保我们 不要使我们的海洋过度 而且我们保护我们一些最重要的物种。

通过采用数学方法收集到的理解能力的提高可以使人们更好地理解一系列不同尺度的生物学。 在 巴斯数学生物学中心例如,我们研究了一些紧迫的生物问题。 在这个范围的另一端,我们试图制定避免这个问题的策略 蝗灾的破坏性影响 包括多达十亿个人。 另一方面,我们试图阐明引起正确的机制 胚胎的发育.

尽管数学生物学一直是应用数学家的领域,但显而易见,数学家自我归类为纯数学在数学生物学革命中扮演着重要的角色。 拓扑学的纯粹的学科正在被用来理解 棘手的DNA包装问题 而代数几何被用来选择最合适的模型 生化相互作用网络.

随着数学生物学的形象不断上升,来自科学领域的新兴科学家将被引用来解决生物学所提供的丰富的重要和新型问题。

谈话图灵的革命思想虽然在他的时代还没有得到充分的认识,但是却表明,没有必要呼吁生命主义 - 机器中的神 - 理解生物过程。 数学编码的化学和物理规律,或者我们现在所说的“数学生物学”,可以做得很好。

关于作者

Christian Yates,数学生物学讲师, 巴斯大学

这篇文章最初发表于 谈话。 阅读 原创文章.

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