МАТЕМАТИЧЕСКА БИОЛОГИЯ: ИСТОРИЯ, ОБЕКТ НА ИЗСЛЕДВАНЕ, ПРИЛОЖЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

Най- математическа биология или biomathematics е клон на науката, който е отговорен за развитието на числени модели, които симулират различни GET природни явления, свързани с живи същества; тоест включва използването на математически инструменти за изучаване на естествени или биологични системи.

Както може да се разбере от името му, биоматематиката е интердисциплинарна област, която е в пресечната точка на знанието между биология и математика. Един прост пример за тази дисциплина може да включва разработването на статистически методи за решаване на проблеми в областта на генетиката или епидемиологията.

Законът на Лотка-Волтера за връзката между хищници и плячка (Източник: Къртис Нютон ↯ 10:55, 20. април 2010 г. (CEST). Оригиналният качител е Lämpel от германската Уикипедия. Via Wikimedia Commons)

В тази област на познанието е нормално математическите резултати да възникват от биологични проблеми или да се използват за решаването им, обаче някои изследователи са успели да решат математически проблеми въз основа на наблюдението на биологични явления, така че не е еднопосочна връзка между двете области на науката.

От горното може да се гарантира, че математическият проблем е целта, за която се използват биологични инструменти и обратно; че биологичният проблем е целта, за която се използват многото различни математически инструменти.

Днес областта на математическата биология бързо се разраства и се счита за едно от най-модерните и вълнуващи приложения на математиката. Той е много полезен не само в биологията, но и в биомедицинските науки и в областта на биотехнологиите.

История на биоматематиката

Математиката и биологията са две науки с множество приложения. Математиката е може би толкова стара, колкото западната култура, нейният произход датира много години преди Христос и нейната полезност оттогава е доказана за голям брой приложения.

Биологията като наука обаче е много по-нова, тъй като нейната концептуализация се случи едва в началото на XIX век благодарение на намесата на Ламарк, през 1800-те.

Връзката на математическото и биологичното знание е близка още от най-ранните времена на цивилизациите, тъй като заселването на номадските народи става благодарение на откритието, че природата може да бъде систематично експлоатирана, което задължително е трябвало да включва първите представи математически и биологични.

В своето начало биологичните науки се смятали за „занаятчии“, тъй като се отнасяли главно до популярни дейности като селското стопанство или животновъдството; междувременно математиката откри абстракцията и имаше донякъде далечни непосредствени приложения.

Съединението между биология и математика датира, може би, от 15-ти и 16-ти век, с появата на физиологията, която е наука, която обединява заедно знанието, класифицирайки го, подреждайки и систематизирайки, използвайки математически инструменти, когато е необходимо.

Томас Малтус

Томас Малтус, съвременен икономист с Ламарк, е поставил прецедента за началото на математическата биология, тъй като той е първият, който постулира математически модел, който обяснява динамиката на населението като функция на природните ресурси.

Подходите на Малтус по-късно са доразвити и разработени и днес те са част от основата на екологичните модели, които се използват например за обясняване на връзката между хищниците и тяхната плячка.

Обект на изучаване на математическата биология

Математическата биология е интердисциплинарна научна област. Източник: Константин Колосов - Пиксабай

Математическата биология е наука, която е резултат от интегрирането на различни математически инструменти с биологични данни, експериментални или не, които се стремят да се възползват от „силата“ на математическите методи за по-добро обяснение на света на живите същества, техните клетки и от неговите молекули.

Независимо от степента на сложна технологична сложност, математическата биология се състои в „простото” съображение, че има аналогия между два процеса, а именно:

- Сложната структура на живо същество е резултат от прилагането на прости операции „копиране” и „рязане и сплайсиране” или „сплайсиране” (например) към първоначална информация, която се съдържа в ДНК последователност (дезоксирибонуклеинова киселина)).

- Резултатът f (ω) от прилагане на изчислима функция към масива w може да бъде получен чрез прилагане на комбинация от прости основни функции w.

В областта на математическата биология се прилагат области на математиката като смятане, теории на вероятностите, статистика, линейна алгебра, алгебраична геометрия, топология, диференциални уравнения, динамични системи, комбинаторика и теория на кодирането.

В последно време тази дисциплина се използва широко за количествения анализ на различни видове данни, тъй като биологичните науки са посветени на производството на големи масиви от данни, от които може да се извлече ценна информация.

Всъщност много изследователи смятат, че големият експлозия на биологични данни „създаде“ необходимостта от разработване на нови и по-сложни математически модели за техния анализ, както и значително по-сложни изчислителни алгоритми и статистически методи.

Приложения

Едно от най-значимите приложения на математическата биология е свързано с анализа на ДНК последователности, но тази наука също участва в моделирането на епидемии и в изучаването на разпространението на нервните сигнали.

Използва се например за изследване на неврологични процеси като болестта на Паркинсон, Алцхаймер и амиотрофична латерална склероза.

Той е изключително полезен за изучаването на еволюционните процеси (теоретизации) и за разработването на модели, които обясняват връзката на живите същества помежду си и с тяхната среда, тоест за екологичните подходи.

Моделирането и симулацията на различни видове ракови заболявания също е добър пример за многото приложения, които математическата биология има днес, особено по отношение на симулацията на взаимодействията между клетъчните популации.

Пример за анализ на ДНК последователности, често използвани в геномиката (Източник: Radtk172 чрез Wikimedia Commons)

Биоматематиката също е много напреднала в областта на изчислителната невронаука, в изследванията на динамиката на популацията и на филогеномиката и геномиката като цяло.

В този последен клон на генетиката той имаше голямо значение, тъй като това е една от областите с най-висок растеж през последните години, тъй като скоростта на събиране на данни е изключително висока, което заслужава нови и по-добри техники неговата обработка и анализ.

Препратки

1. Andersson, S., Larsson, K., Larsson, M., & Jacob, M. (ред.). (1999 г.). Биоматематика: математика на биоструктури и биодинамика. Elsevier.
2. Еланго, П. (2015). Ролята на математиката в биологията.
3. Фридман, А. (2010). Какво е математическата биология и колко е полезна. Известия на AMS, 57 (7), 851-857.
4. Hofmeyr, JHS (2017). Математика и биология. Южноафрикански журнал за наука, 113 (3-4), 1-3.
5. Кари, Л. (1997). ДНК изчисления: пристигане на биологична математика. Математически разузнавач, 19 (2), 9-22.
6. Pacheco Castelao, JM (2000). Какво е математическа биология?
7. Рийд, МС (2004). Защо математическата биология е толкова трудна? Известия на AMS, 51 (3), 338-342.
8. Ulam, SM (1972). Някои идеи и перспективи в биоматематиката. Годишен преглед на биофизиката и биоинженеринга, 1 (1), 277-292.