Математичка биологија или биоматематику је грана науке која је одговорна за развој нумеричких модела који симулирају различите добити природне феномене који се односе на жива бића; то јест, укључује употребу математичких алата за проучавање природних или биолошких система.
Као што се из његовог имена може разумети, биоматхематика је интердисциплинарно подручје, смештено на пресеку знања између биологије и математике. Једноставни пример ове дисциплине могао би да укључи развој статистичких метода за решавање проблема из области генетике или епидемиологије, да их набројимо само неколико.
Закон Лотка-Волтерра за однос између грабежљиваца и плена (Извор: Цуртис Невтон ↯ 10:55, 20. априла 2010. (ЦЕСТ). Првобитни учитавач био је Лампел са немачке Википедије. Виа Викимедиа Цоммонс)
У овој области знања нормално је да математички резултати произилазе из биолошких проблема или да се користе за њихово решавање. Међутим, неки истраживачи су успели да реше математичке проблеме на основу посматрања биолошких појава, тако да није једносмерна веза између обе области науке.
Из наведеног се може осигурати да је математички проблем сврха у којој се користе биолошки алати и обрнуто; да је биолошки проблем сврха у којој се користи много различитих математичких алата.
Данас област математичке биологије брзо расте и сматра се једном од најмодернијих и најузбудљивијих примена математике. Веома је користан не само у биологији, већ и у биомедицинским наукама и у области биотехнологије.
Историја биоматматике
Математика и биологија су две науке са мноштвом примена. Математика је можда стара колико и западна култура, њено порекло датира много година пре Христа, а њена корисност је од тада доказана за велики број примена.
Биологија као наука је, међутим, много новија, јер се њена концептуализација догодила тек почетком 19. века захваљујући Ламарцковим интервенцијама, 1800-их.
Однос математичког и биолошког знања близак је од најранијих доба цивилизација, јер се насељавање номадских народа десило захваљујући открићу да се природа могла систематски експлоатирати, а што је нужно морало бити укључено у прве појмове математичко и биолошко.
У својим почецима биолошке науке су се сматрале „занатлијама“, пошто су се углавном односиле на популарне активности као што су пољопривреда или сточарство; у међувремену, математика је открила апстракцију и имала помало удаљене непосредне примене.
Сукоб између биологије и математике потиче, можда, од 15. до 16. века, појавом физиологије, која је наука која обједињује знање, класификујући га, наређујући и систематизујући, користећи математичке алате када је то потребно.
Тхомас Малтхус
То је био Тхомас Малтхус, савремени економиста са Ламарцком, који је поставио преседан за почетак математичке биологије, јер је први постулирао математички модел који је објаснио динамику становништва као функцију природних ресурса.
Малтхусови приступи су касније додатно развијени и разрађени, а данас су дио основа еколошких модела који се, на примјер, користе за објашњење односа између предатора и њиховог плијена.
Предмет проучавања математичке биологије
Математичка биологија је интердисциплинарна научна област. Извор: Константин Колосов - Пикабаи
Математичка биологија је наука која је резултат интеграције различитих математичких алата са биолошким подацима, експерименталним или не, која тежи да искористи "моћ" математичких метода како би боље објаснила свет живих бића, њихове ћелије и његових молекула.
Без обзира на степен технолошке сложености, математичка биологија састоји се од „простог“ разматрања да постоји аналогија између два процеса, наиме:
- Сложена структура живог бића резултат је примене једноставних операција „копирања“ и „сечења и спајања“ или „спајања“ (на пример) на почетне информације које су садржане у ДНК секвенци (деоксирибонуклеинска киселина) ).
- Резултат ф (ω) примене рачунске функције на низ в може се добити применом комбинације једноставних основних функција в.
Подручје математичке биологије примењује подручја математике као што су рачун, теорије вероватноће, статистика, линеарна алгебра, алгебарска геометрија, топологија, диференцијалне једначине, динамички системи, комбинаторика и теорија кодирања.
У последње време ова се дисциплина широко користи за квантитативне анализе различитих врста података, јер су биолошке науке посвећене производњи великих маса података из којих се могу извући вредне информације.
У ствари, многи истраживачи сматрају да је велика експлозија биолошких података "створила" потребу за развијањем нових и сложенијих математичких модела за њихову анализу, као и знатно сложенијим рачунским алгоритмима и статистичким методама.
Апликације
Једна од најзначајнијих примена математичке биологије има везе са анализом ДНК секвената, али ова наука је такође укључена у моделирање епидемија и у проучавање ширења нервних сигнала.
На пример, коришћен је за проучавање неуролошких процеса као што су Паркинсонова болест, Алзхеимерова болест и амиотрофична латерална склероза.
Изузетно је користан за проучавање еволуцијских процеса (теоретизације) и за развој модела који објашњавају однос живих бића међусобно и са њиховим окружењем, односно за еколошке приступе.
Моделирање и симулација различитих врста карцинома такође је добар пример многих примјена које данас има математичка биологија, посебно у погледу симулације интеракција између ћелијске популације.
Пример анализе низова ДНК који се обично користе у геномици (Извор: Радтк172 путем Викимедиа Цоммонс)
Биоматхематика је такође веома напредна у области рачунске неурознаности, у студијама популационе динамике и филогеномије и геномике уопште.
У овој последњој грани генетике био је од велике важности, јер је то једно од подручја са највећим растом последњих година, јер је стопа прикупљања података изузетно висока, што заслужује нове и боље технике за његова обрада и анализа.
Референце
- Андерссон, С., Ларссон, К., Ларссон, М., Јацоб, М. (ур.). (1999). Биоматхематицс: математика биоструктуре и биодинамика. Елсевиер.
- Еланго, П. (2015). Улога математике у биологији.
- Фриедман, А. (2010). Шта је математичка биологија и колико је корисна. Обавештења АМС, 57 (7), 851-857.
- Хофмеир, ЈХС (2017). Математика и биологија. Јужноафрички часопис за науку, 113 (3-4), 1-3.
- Кари, Л. (1997). ДНК рачунање: долазак биолошке математике. Матхематицал Интеллигенцер, 19 (2), 9-22.
- Пацхецо Цастелао, ЈМ (2000). Шта је математичка биологија?
- Реед, МЦ (2004). Зашто је математичка биологија тако тешка? Обавештења АМС, 51 (3), 338-342.
- Улам, СМ (1972). Неке идеје и перспективе у биоматици. Годишњи преглед биофизике и биоинжињеринга, 1 (1), 277-292.