질병과의 싸움에서 우리의 비밀 무기와 죽음의 수학인가?

수학은 과학의 언어입니다. 물리학에서 공학 및 화학에 이르기까지 모든 곳에서 발생하여 우주의 기원을 이해하고 바람에 무너지지 않는 다리를 건설하는 데 도움이 됩니다. 조금 더 놀랍게도 수학은 점점 더 생물학에 통합되고 있습니다.

수백 년 동안 수학은 상대적으로 단순한 물리적 시스템을 모델링하는 데 사용되어 큰 효과를 거두었습니다. 뉴턴의 중력의 보편 법칙 좋은 예입니다. 비교적 간단한 관찰을 통해 수십억 마일 떨어진 천체의 움직임을 매우 정확하게 설명하는 규칙이 만들어졌습니다. 전통적으로 생물학은 그러한 수학적 처리에 복종하기에는 너무 복잡하다고 여겨져 왔습니다.

생물학적 시스템은 종종 "복합체"로 분류됩니다. 이러한 의미에서 복잡성은 많은 하위 구성 요소의 복잡한 상호 작용으로 인해 생물학적 시스템이 우리가 창발적 행동이라고 부르는 것을 나타낼 수 있음을 의미합니다. 시스템 전체는 단독으로 작동하는 개별 구성 요소가 할 수 없는 속성을 보여줍니다. 이 생체복잡성은 종종 생명력, 생물학적 과정이 물리 및 화학 법칙과는 다른 힘 또는 원리에 의존한다는 오해. 결과적으로 복잡한 생물학적 시스템은 수학적 처리가 불가능하다고 가정했습니다.

일부 초기 반대자들이 있었습니다. 유명한 컴퓨터 과학자이자 제XNUMX차 세계 대전 암호 해독기 앨런 튜링 그는 생물학적 현상이 수학적으로 연구되고 이해될 수 있다고 제안한 최초의 사람 중 한 명이었습니다. 1952년에 그는 한 쌍의 아름다운 수학 방정식 동물의 털에 색소 침착 패턴이 형성되는 방식에 대한 설명을 제공합니다.

그의 작업은 아름다웠을 뿐만 아니라 반직관적이었습니다. 튜링과 같은 천재만이 상상할 수 있는 작업이었습니다. 그 당시의 가혹한 반동성애법 아래에서 그가 그렇게 형편없이 대우받았다는 것은 더욱 안타까운 일입니다. "교정" 호르몬 치료를 받은 후 불과 XNUMX년 후에 그는 자살했습니다.


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떠오르는 분야

그 이후로 분야는 수학 생물학 폭발했다. 최근 몇 년 동안 점점 더 상세한 실험 절차로 인해 과학자들이 사용할 수 있는 생물학적 데이터가 엄청나게 유입되었습니다. 이 데이터는 이전에 난해한 생물학적 시스템의 복잡성에 대한 가설을 생성하는 데 사용되고 있습니다. 이러한 가설을 테스트하려면 생물학적 관찰을 올바르게 모방하는지 여부를 결정하기 위해 심문할 수 있는 모델의 형태로 작성해야 합니다. 수학은 이것을 할 수 있는 자연어입니다.

또한 지난 60년 동안 계산 능력의 출현과 그에 따른 증가로 인해 우리는 생물학적 시스템의 복잡한 수학적 모델을 제안하고 조사할 수 있게 되었습니다. 자세한 생물학적 모델을 구축하고 조사할 수 있는 계산 능력과 결합하여 생물학적 시스템을 수학적으로 처리할 수 있다는 인식은 수리 생물학의 인기를 극적으로 증가시켰습니다.

수학은 21세기 의학, 생물학 및 생태 과학에서 가장 시급한 문제를 해결해야 하는 과학 무기고에서 중요한 무기가 되었습니다. 생물학적 시스템을 수학적으로 설명하고 그 결과 모델을 사용하면 실험과 구두 추론만으로는 접근할 수 없는 통찰력을 얻을 수 있습니다. 예를 들어 전염병을 피하거나 쇠약하게 만드는 질병의 영향을 변경할 수 있는 힘을 주는 생물학을 설명 과학에서 예측 과학으로 바꾸고 싶다면 수학 생물학은 매우 중요합니다.

새로운 무기

예를 들어, 지난 50년 동안 수학적 생물학자들은 심장의 생리학에 대해 점점 더 복잡해지는 전산 표현을 구축했습니다. 오늘날 이러한 고도로 정교한 모델은 인간 심장의 복잡한 기능을 더 잘 이해하기 위한 시도로 사용되고 있습니다. 심장 기능의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 비용이 많이 들고 잠재적으로 위험한 임상 실험을 수행하지 않고도 기능을 개선하도록 설계된 후보 약물과 심장이 상호 작용하는 방식을 예측할 수 있습니다.

우리는 수학적 생물학을 질병 연구에도 사용합니다. 개별 규모에서 연구원들은 우리의 면역 체계가 다음을 통해 바이러스와 싸우는 메커니즘을 해명했습니다. 수학적 면역학 저울을 우리에게 유리하게 기울일 수 있는 잠재적 개입을 제안했습니다. 더 넓은 범위에서 수리 생물학자들은 확산을 제어하는 ​​데 사용할 수 있는 메커니즘을 제안했습니다. 에볼라와 같은 치명적인 전염병, 그리고 이 목적에 전용된 한정된 자원이 가능한 가장 효율적인 방법으로 사용되도록 보장합니다.

수학적 생물학은 심지어 정책을 알리는 데 사용되고 있습니다. 예를 들어 수학적 모델링을 사용하여 현실적인 할당량을 설정하여 어업에 대한 연구가 수행되었습니다. 우리 바다를 남획하지 마십시오 그리고 우리는 우리의 가장 중요한 일부 종을 보호합니다.

수학적 접근 방식을 취함으로써 얻은 이해력 증가는 다양한 규모의 생물학에 대한 더 나은 이해로 이어질 수 있습니다. ~에 바스의 수리 생물학 센터, 예를 들어, 우리는 여러 긴급한 생물학적 문제를 연구합니다. 스펙트럼의 한쪽 끝에서 우리는 메뚜기 재앙의 파괴적인 영향 최대 XNUMX억 명의 개인으로 구성됩니다. 다른 쪽 끝에서 우리는 올바른 원인을 일으키는 메커니즘을 밝히려고 노력합니다. 배아의 발달.

수리생물학은 전통적으로 응용수학자들의 영역이었지만, 스스로 순수하다고 분류하는 수학자들이 수리생물학 혁명에서 할 역할이 있다는 것은 분명합니다. 토폴로지의 순수한 분야는 다음을 이해하는 데 사용됩니다. DNA 패킹의 복잡한 문제 대수 기하학은 가장 적절한 모델을 선택하는 데 사용됩니다. 생화학적 상호 작용 네트워크.

수리생물학의 위상이 계속 높아짐에 따라 생물학이 제공해야 하는 중요하고 참신한 문제의 범위를 다루기 위해 과학적 스펙트럼 전반에 걸친 분야의 신진 및 기성 과학자들이 이끌릴 것입니다.

대화튜링의 혁명적 아이디어는 그 시대에 충분히 인정받지는 못했지만 생물학적 과정을 이해하기 위해 생명론(기계 속의 신)에 호소할 필요가 없음을 보여주었습니다. 수학에 암호화된 화학 및 물리 법칙, 또는 현재 우리가 부르는 "수학적 생물학"은 잘 작동할 수 있습니다.

저자에 관하여

Christian Yates, 수학 생물학 강사, 바스 대학

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