질병과의 싸움에서 우리의 비밀 무기와 죽음의 수학인가?

질병과의 싸움에서 우리의 비밀 무기와 죽음의 수학인가?

수학은 과학의 언어입니다. 그것은 물리학에서부터 공학 및 화학에 이르기까지 모든 곳에서 자랍니다. 우주의 기원을 이해하고 바람에 쓰러지지 않는 다리를 건설하는 데 도움을줍니다. 아마도 조금 더 놀랍게도, 수학은 점점 생물학에 필수적입니다.

수백 년 동안 수학은 비교적 단순한 물리적 시스템을 모델링하는 데 아주 효과적이었습니다. 뉴턴 중력의 보편 법칙 좋은 예입니다. 상대적으로 간단한 관측은 엄청난 정확성으로 수십억 마일 떨어진 천체의 움직임을 묘사하는 규칙을 이끌어 냈습니다. 전통적으로 생물학은 그러한 수학적 치료에 복종하기에는 너무 복잡하다고 여겨 왔습니다.

생물학적 시스템은 종종 "복합체"로 분류됩니다. 이러한 의미에서의 복잡성은 많은 하위 구성 요소의 복잡한 상호 작용으로 인하여 생물 시스템이 응급 행동이라고 부르는 것을 나타낼 수 있음을 의미합니다. 시스템은 전체적으로 개별 구성 요소가 단독으로 수행 할 수없는 특성을 나타냅니다. 이 biocomplexity는 종종 활력, 생물학적 과정이 물리학 및 화학의 법칙과는 다른 힘 또는 원리에 의존한다는 오해. 결과적으로, 복잡한 생물학적 시스템은 수학적 치료를 할 수 없다고 가정되었다.

초기 이견이있었습니다. 유명한 컴퓨터 과학자 및 2 차 세계 대전 코드 차단기 앨런 튜링 생물학적 현상을 수학적으로 연구하고 이해할 수 있다고 제안한 최초의 연구자 중 한 사람입니다. 1952에서 그는 한 쌍의 아름다운 수학 방정식 동물의 외투에 착색 패턴이 형성 될 수있는 방법에 대한 설명을 제공합니다.

그의 작품은 아름다웠을뿐 아니라 반 직관적이었습니다. Turing의 멋진 마음 만이 꿈꿔 왔던 일과 같은 것입니다. 더 불쌍한 점은, 그는 당시의 엄격한 반 동성애 율법 하에서 너무 가난하게 취급 당했다는 것입니다. "교정"호르몬 치료 후에 그는 단지 2 년 후 스스로를 죽였다.

떠오르는 분야

그 이후로, 수학 생물학 폭발했다. 최근 몇 년 동안 점점 더 상세한 실험 절차로 인해 과학자들이 사용할 수있는 생물학적 데이터가 엄청나게 유입되었습니다. 이 데이터는 이전에 난해한 생물 시스템의 복잡성에 대한 가설을 세우는 데 사용되었습니다. 이러한 가설을 검증하기 위해서는 생물학적 관측치를 정확히 모방하는지 판단 할 수있는 모델의 형태로 기록해야합니다. 수학은 자연 언어입니다.

또한 마지막 60 년 동안 계산 능력의 출현과 그 이후의 증가로 인해 우리는 생물 시스템의 복잡한 수학적 모델을 제안하고 심문 할 수있었습니다. 생물학적 시스템을 수학적으로 다룰 수 있고, 상세한 생물학적 모델을 구축하고 조사 할 수있는 계산 능력과 결합함으로써, 수학 생물학의 인기가 극적으로 증가하게되었습니다.


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수학은 21st 세기의 의학, 생물 및 생태 과학 분야에서 가장 시급한 문제를 해결해야하는 과학 무기에 핵심적인 무기가되었습니다. 생물학적 시스템을 수학적으로 기술하고 결과 모델을 사용함으로써 실험과 언어 적 추론만으로는 접근 할 수없는 통찰력을 얻을 수 있습니다. 수학적 생물학은 생물학을 설명 적 과학에서 예측 과학으로 바꿔 예를 들어 전염병을 피하거나 쇠약하게하는 질병의 효과를 바꾸는 등의 힘을 우리에게주고 자한다면 매우 중요합니다.

새로운 무기

예를 들어 지난 50 년 동안 수학 생물 학자들은 심장의 생리학에 대한 점점 더 복잡한 계산 표현을 만들었습니다. 오늘날, 이러한 고도로 정교한 모델은 인간의 복잡한 기능을보다 잘 이해하기 위해 사용되고 있습니다. 심장 기능의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 비용이 많이 들고 잠재적으로 위험한 임상 실험을 수행하지 않고도 심장 기능이 향상 될 수 있도록 후보 약물과 어떻게 상호 작용하는지 예측할 수 있습니다.

우리는 질병을 연구하기 위해 수학 생물학을 사용합니다. 개별적인 규모에서 연구자들은 우리의 면역계가 바이러스와 싸우는 기작을 밝혀냈다. 수학 면역학 우리가 원하는대로 저울을 기울일 수있는 잠재적 개입을 제안했습니다. 더 넓은 범위에서, 수학 생물 학자들은 확산을 통제하는 데 사용할 수있는 메커니즘을 제안했다. 에볼라 같은 치명적인 전염병이 목적에 부합하는 유한 자원이 가능한 가장 효율적인 방법으로 사용되도록 보장해야합니다.

수학 생물학은 정책을 알리기 위해 사용되고 있습니다. 예를 들어 수산업에 대한 연구가있어 수학적 모델링을 사용하여 실제 쿼터를 설정하여 우리 바다를 과용하지 마라. 우리가 가장 중요한 종의 일부를 보호한다는 것입니다.

수학적 접근법을 사용하여 수집 된 이해력이 커지면 다양한 범위에서 생물학을 더 잘 이해할 수 있습니다. 에서 배스의 수학 생물학 센터예를 들어, 우리는 여러 가지 중요한 생물학적 문제를 연구합니다. 스펙트럼의 한쪽 끝에서 우리는 메뚜기 재앙의 파괴적인 영향 최대 10 억 명의 사람들로 구성됩니다. 다른 한편으로, 우리는 올바른 결과를 초래하는 메커니즘을 명료하게하려고 노력합니다. 배아의 발달.

수학 생물학은 전통적으로 응용 수학자의 영역 이었지만 순수한 것으로 스스로 분류하는 수학자는 수학 생물학 혁명에서 중요한 역할을 담당한다는 것이 분명합니다. 토폴로지의 순수한 규율은 DNA 포장의 결점이있는 문제 대수 기하학은 다음 중 가장 적합한 모델을 선택하는 데 사용됩니다. 생화학 적 상호 작용 네트워크.

수학 생물학의 단면이 계속해서 상승함에 따라, 생물학이 제공해야하는 중요하고 새로운 문제의 다양한 범위를 다루기 위해 과학 스펙트럼 전반에 걸쳐 학계의 신흥 과학자들이 세워질 것입니다.

대화튜링의 혁명적 인 아이디어는, 비록 그의 시간에는 충분히 평가받지 못했지만 생물학적 과정을 이해하기위한 생동감 - 기계의 신 (神) -에 호소 할 필요는 없다는 것을 보여 주었다. 수학에서 인코딩 된 화학 및 물리 법칙, 또는 "수학 생물학"은 이제 우리가 부르는대로 잘 할 수 있습니다.

저자에 관하여

Christian Yates, 수학 생물학 강사, 바스 대학

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