MATEMĀTISKĀ BIOLOĢIJA: VĒSTURE, MĀCĪBU OBJEKTS, PIELIETOJUMI - BIOLOĢIJA - 2025

Matemātisko bioloģija vai Biometrija ir zinātnes nozare, kas ir atbildīga par attīstības skaitlisko modeļu, kas simulē dažādus saņemt dabas parādības saistībā ar dzīvām būtnēm; tas ir, tas ietver matemātisku rīku izmantošanu dabisko vai bioloģisko sistēmu izpētei.

Kā var saprast no nosaukuma, biomatemātika ir starpdisciplināra joma, kas atrodas zināšanu krustojumā starp bioloģiju un matemātiku. Vienkāršs šīs disciplīnas piemērs varētu ietvert statistisko metožu attīstību, lai atrisinātu problēmas ģenētikas vai epidemioloģijas jomā, kā dažus var minēt.

Lotkas-Volterras likums par plēsoņu un laupījumu attiecībām (Avots: Curtis Newton ↯ 10:55, 2010. gada 20. aprīlī (CEST). Sākotnējais augšupielādētājs bija Lämpel vācu Vikipēdijā. Via Wikimedia Commons)

Šajā zināšanu jomā ir normāli, ja matemātiskie rezultāti rodas no bioloģiskām problēmām vai tiek izmantoti to risināšanai, tomēr dažiem pētniekiem ir izdevies matemātiskas problēmas atrisināt, balstoties uz bioloģisko parādību novērošanu, tāpēc tā nav vienvirziena saistība starp abām zinātnes jomām.

No iepriekšminētā var pārliecināties, ka matemātiska problēma ir mērķis, kādam tiek izmantoti bioloģiskie rīki, un otrādi; ka bioloģiskā problēma ir mērķis, kura dēļ tiek izmantoti daudz un dažādi matemātiskie rīki.

Mūsdienās matemātiskās bioloģijas joma strauji pieaug, un to uzskata par vienu no modernākajiem un aizraujošākajiem matemātikas pielietojumiem. Tas ir ļoti noderīgi ne tikai bioloģijā, bet arī biomedicīnas zinātnēs un biotehnoloģijas jomā.

Biomatemātikas vēsture

Matemātika un bioloģija ir divas zinātnes ar daudzām lietojumprogrammām. Matemātika varbūt ir tikpat sena kā Rietumu kultūra, tās pirmsākumi meklējami daudzus gadus pirms Kristus, un kopš tā laika tās noderīgums ir pierādīts daudzām lietojumprogrammām.

Bioloģija kā zinātne tomēr ir daudz jaunāka, jo tās konceptualizācija notika tikai deviņpadsmitā gadsimta sākumā, pateicoties Lamarka iejaukšanās brīdim 1800. gados.

Matemātisko un bioloģisko zināšanu attiecības ir ciešas kopš senākajiem civilizāciju laikiem, jo ​​nomadu tautu apmešanās notika pateicoties atklājumam, ka dabu var sistemātiski izmantot, kurai noteikti bija jāietver pirmie priekšstati. matemātiskā un bioloģiskā.

Sākumā bioloģiskās zinātnes tika uzskatītas par "amatnieciskām", jo tās galvenokārt attiecās uz populārām darbībām, piemēram, lauksaimniecību vai lopkopību; tikmēr matemātika atklāja abstrakciju, un tai bija nedaudz attāli tūlītēji pielietojumi.

Bioloģijas un matemātikas saplūšana, iespējams, meklējama 15. un 16. gadsimtā, kad parādījās fizioloģija, kas ir zinātne, kas apvieno zināšanas, klasificē, sakārto un sistematizē tās, vajadzības gadījumā izmantojot matemātiskos rīkus.

Tomass Malthuss

Tas bija Tomass Malthuss, mūsdienu ekonomists ar Lamarku, kurš izveidoja precedentu matemātiskās bioloģijas sākumam, jo ​​viņš bija pirmais, kurš postulēja matemātisko modeli, lai izskaidrotu populācijas dinamiku kā dabas resursu funkciju.

Malthus pieejas vēlāk tika tālāk attīstītas un pilnveidotas, un mūsdienās tās ir daļa no ekoloģiskajiem modeļiem, kurus, piemēram, izmanto, lai izskaidrotu attiecības starp plēsējiem un viņu laupījumu.

Matemātiskās bioloģijas mācību objekts

Matemātiskā bioloģija ir starpdisciplināra zinātniskā joma. Avots: Konstantīns Kolosovs - Pixabay

Matemātiskā bioloģija ir zinātne, kas rodas, integrējot dažādus matemātiskos rīkus ar bioloģiskiem datiem, gan eksperimentāliem, gan ne, un kuras mērķis ir izmantot matemātisko metožu “spēku”, lai labāk izskaidrotu dzīvo būtņu, to šūnu un no tā molekulām.

Neatkarīgi no iesaistītās tehnoloģiskās sarežģītības pakāpes matemātiskā bioloģija sastāv no “vienkārša” apsvēruma, ka pastāv divi procesi, proti:

- Sarežģīta dzīvās būtnes uzbūve ir vienkāršu “kopēšanas” un “sagriešanas un saišu veidošanas” vai “savienošanas” (piemēram) operāciju rezultāts sākotnējai informācijai, kas atrodas DNS secībā (dezoksiribonukleīnskābe) ).

- Rezultātu f (ω), ko piemēro aprēķinātai funkcijai masīvam w, var iegūt, piemērojot vienkāršu pamatfunkciju w kombināciju.

Matemātiskās bioloģijas jomā tiek izmantotas tādas matemātikas jomas kā aprēķins, varbūtību teorijas, statistika, lineārā algebra, algebriskā ģeometrija, topoloģija, diferenciālvienādojumi, dinamiskās sistēmas, kombinatorika un kodēšanas teorija.

Nesen šī disciplīna tika plaši izmantota dažādu veidu datu kvantitatīvai analīzei, jo bioloģiskās zinātnes ir veltītas lielu datu masu iegūšanai, no kurām var iegūt vērtīgu informāciju.

Faktiski daudzi pētnieki uzskata, ka lielais bioloģisko datu eksplozija "radīja" nepieciešamību to analīzei izstrādāt jaunus un sarežģītākus matemātiskos modeļus, kā arī ievērojami sarežģītākus aprēķina algoritmus un statistiskās metodes.

Lietojumprogrammas

Viens no nozīmīgākajiem matemātiskās bioloģijas pielietojumiem ir saistīts ar DNS sekvenču analīzi, taču šī zinātne ir iesaistīta arī epidēmiju modelēšanā un nervu signālu izplatīšanās izpētē.

To izmanto, lai pētītu neiroloģiskus procesus, piemēram, Parkinsona slimību, Alcheimera slimību un, piemēram, amiotrofisko laterālo sklerozi.

Tas ir ārkārtīgi noderīgi evolūcijas procesu (teoriju) izpētei un tādu modeļu izstrādei, kas izskaidro dzīvo būtņu attiecības savā starpā un ar apkārtējo vidi, tas ir, ekoloģiskām pieejām.

Dažādu vēža veidu modelēšana un modelēšana ir arī labs piemērs daudzajiem matemātiskās bioloģijas lietojumiem, jo ​​īpaši attiecībā uz šūnu populāciju mijiedarbības modelēšanu.

Genomikā parasti izmantoto DNS sekvenču analīzes piemērs (Avots: Radtk172, izmantojot Wikimedia Commons)

Biomatemātika ir arī ļoti attīstīta skaitļošanas neirozinātnes jomā, populācijas dinamikas, kā arī filogenomikas un genomikas pētījumos kopumā.

Šajā pēdējā ģenētikas nozarē tai ir bijusi liela nozīme, jo tā ir viena no jomām ar vislielāko izaugsmi pēdējos gados, jo datu vākšanas līmenis ir ārkārtīgi augsts, tāpēc ir pelnījuši jaunus un labākus paņēmienus tā apstrāde un analīze.

Atsauces

1. Andersons, S., Larssons, K., Larsons, M., un Jēkabs, M. (Red.). (1999). Biomatemātika: biostruktūru un biodinamikas matemātika. Elsevier.
2. Elango, P. (2015). Matemātikas loma bioloģijā.
3. Frīdmens, A. (2010). Kas ir matemātiskā bioloģija un cik tā ir noderīga. AMS paziņojumi, 57 (7), 851–857.
4. Hofmeirs, JHS (2017). Matemātika un bioloģija. Dienvidāfrikas zinātnes žurnāls, 113 (3-4), 1–3.
5. Kari, L. (1997). DNS skaitļošana: bioloģiskās matemātikas ienākšana. Matemātiskais inteliģents, 19 (2), 9–22.
6. Pacheco Castelao, JM (2000). Kas ir matemātiskā bioloģija?
7. Rīds, MC (2004). Kāpēc matemātiskā bioloģija ir tik smaga? AMS paziņojumi, 51 (3), 338-342.
8. Ulams, SM (1972). Dažas idejas un perspektīvas biomatemātikā. Gada biofizikas un bioinženierijas pārskats, 1 (1), 277.-292.