Den matematiska biologin eller biomatematiken är en vetenskapsgren som ansvarar för utvecklingen av numeriska modeller som simulerar olika får naturfenomen relaterade till levande varelser; det innebär användning av matematiska verktyg för att studera naturliga eller biologiska system.
Som man kan förstå från dess namn är biomatematik ett tvärvetenskapligt område som ligger i skärningspunkten mellan kunskap mellan biologi och matematik. Ett enkelt exempel på denna disciplin kan inkludera utveckling av statistiska metoder för att lösa problem inom genetik eller epidemiologi, för att nämna några.
Lotka-Volterras lag för förhållandet mellan rovdjur och byte (Källa: Curtis Newton ↯ 10:55, 20. april 2010 (CEST). Den ursprungliga uppladdaren var Lämpel på tyska Wikipedia. Via Wikimedia Commons)
Inom detta kunskapsområde är det normalt att matematiska resultat uppstår från biologiska problem eller används för att lösa dem. Vissa forskare har dock lyckats lösa matematiska problem baserat på observation av biologiska fenomen, så det är inte en enkelriktad relation mellan båda vetenskapsområdena.
Från ovanstående kan man säkerställa att ett matematiskt problem är det syfte för vilket biologiska verktyg används och vice versa; att ett biologiskt problem är det syfte för vilket de många olika matematiska verktygen används.
Idag växer området matematisk biologi snabbt och anses vara en av de mest moderna och spännande tillämpningarna av matematik. Det är mycket användbart inte bara inom biologi utan även inom biomedicinska vetenskaper och inom bioteknikområdet.
Biomatematikens historia
Matematik och biologi är två vetenskaper med många applikationer. Matematik är kanske lika gammal som västerländsk kultur, dess ursprung går tillbaka till många år innan Kristus och dess användbarhet har sedan demonstrerats för ett stort antal tillämpningar.
Biologi som vetenskap är emellertid mycket nyare, eftersom dess konceptualisering inte skedde förrän i början av 1800-talet tack vare Lamarcks ingripande på 1800-talet.
Förhållandet mellan matematisk och biologisk kunskap är nära sedan de tidigaste tiderna för civilisationerna, eftersom bosättningen av nomadiska folk ägde rum tack vare upptäckten att naturen kunde utnyttjas systematiskt, vilket nödvändigtvis måste ha involverat de första uppfattningarna matematisk och biologisk.
I början betraktades biologiska vetenskaper som "hantverkare", eftersom de huvudsakligen hänvisade till populära aktiviteter såsom jordbruk eller boskap; Under tiden upptäckte matematik abstraktion och hade något avlägsna omedelbara tillämpningar.
Samflödet mellan biologi och matematik går tillbaka till 15- och 1600-talet, med fysiologiens tillkomst, som är en vetenskap som samlar kunskap, klassificerar, ordnar och systematiserar den och använder sig av matematiska verktyg vid behov.
Thomas Malthus
Det var Thomas Malthus, en samtida ekonom med Lamarck, som satt prejudikatet för början av matematisk biologi, eftersom han var den första som postulerade en matematisk modell för att förklara befolkningsdynamiken som en funktion av naturresurserna.
Malthus tillvägagångssätt utvecklades senare och utarbetades, och idag är de en del av grunden till ekologiska modeller som används för att förklara förhållandet mellan rovdjur och deras byte, till exempel.
Studieobjekt för matematisk biologi
Matematisk biologi är ett tvärvetenskapligt vetenskapligt område. Källa: Konstantin Kolosov - Pixabay
Matematisk biologi är en vetenskap som är resultatet av integrationen av olika matematiska verktyg med biologiska data, experimentella eller inte, som försöker dra nytta av "kraften" i matematiska metoder för att bättre förklara levande varelser, deras celler och av dess molekyler.
Oavsett graden av teknisk komplexitet inbegriper, består matematisk biologi av den "enkla" bedömningen att det finns en analogi mellan två processer, nämligen:
- Den komplexa strukturen för ett levande varelse är resultatet av tillämpningen av enkla operationer av "kopiering" och "skärning och skarvning" eller "skarvning" (till exempel) på en initial information som finns i en DNA-sekvens (deoxiribonukleinsyra) ).
- Resultatet f (ω) av att applicera en beräkningsbar funktion på en matris w kan erhållas genom att använda en kombination av enkla grundläggande funktioner w.
Fältet matematisk biologi tillämpar matematikområden som kalkyl, sannolikhetsteorier, statistik, linjär algebra, algebraisk geometri, topologi, differentiella ekvationer, dynamiska system, kombinatorik och kodningsteori.
Nyligen har denna disciplin använts i stor utsträckning för kvantitativ analys av olika typer av data, eftersom den biologiska vetenskapen har ägnats åt att producera stora massor av data från vilka värdefull information kan utvinnas.
Faktum är att många forskare anser att den stora explosionen av biologiska data "skapade" behovet av att utveckla nya och mer komplexa matematiska modeller för deras analys, liksom betydligt mer komplexa beräkningsalgoritmer och statistiska metoder.
tillämpningar
En av de mest betydelsefulla tillämpningarna av matematisk biologi har att göra med analysen av DNA-sekvenser, men denna vetenskap är också involverad i modellering av epidemier och i studien av utbredningen av nervsignaler.
Det har använts för att studera neurologiska processer såsom Parkinsons sjukdom, Alzheimers sjukdom och amyotrofisk lateral skleros, till exempel.
Det är oerhört användbart för att studera evolutionära processer (teoriseringar) och för att utveckla modeller som förklarar förhållandet mellan levande varelser med varandra och med deras miljö, det vill säga för ekologiska tillvägagångssätt.
Modellering och simulering av olika typer av cancer är också ett bra exempel på de många tillämpningar som matematisk biologi har idag, särskilt när det gäller simulering av interaktioner mellan cellpopulationer.
Exempel på analys av DNA-sekvenser som vanligtvis används i genomik (Källa: Radtk172 via Wikimedia Commons)
Biomatematik är också mycket avancerad inom beräkningsneurvetenskap, i studier av populationsdynamik och fylogenomik och genomik i allmänhet.
I denna sista gren av genetik har den varit av stor relevans, eftersom det är ett av områdena med den högsta tillväxten de senaste åren, eftersom datainsamlingshastigheten är extremt hög, vilket förtjänar nya och bättre tekniker för dess behandling och analys.
referenser
- Andersson, S., Larsson, K., Larsson, M., & Jacob, M. (Eds.). (1999). Biomatematik: matematik för biostrukturer och biodynamik. Elsevier.
- Elango, P. (2015). Matematikens roll i biologi.
- Friedman, A. (2010). Vad är matematisk biologi och hur användbar är den. Meddelanden om AMS, 57 (7), 851-857.
- Hofmeyr, JHS (2017). Matematik och biologi. South African Journal of Science, 113 (3-4), 1-3.
- Kari, L. (1997). DNA-beräkning: ankomst till biologisk matematik. Matematisk intelligens, 19 (2), 9-22.
- Pacheco Castelao, JM (2000). Vad är matematisk biologi?
- Reed, MC (2004). Varför är matematisk biologi så svår? Meddelanden om AMS, 51 (3), 338-342.
- Ulam, SM (1972). Några idéer och framtidsutsikter inom biomatematik. Årlig granskning av biofysik och bioingenjör, 1 (1), 277-292.