Wiskunde is de taal van de wetenschap. Het duikt overal op van natuurkunde tot techniek en chemie - helpt ons bij het begrijpen van de oorsprong van het universum en het bouwen van bruggen die niet zullen instorten in de wind. Misschien een beetje meer verrassend, wiskunde is ook steeds meer een integraal onderdeel van de biologie.

Al honderden jaren wordt wiskunde met groot succes gebruikt om relatief eenvoudige fysieke systemen te modelleren. Newton universele wet van de zwaartekracht is een goed voorbeeld. Relatief eenvoudige waarnemingen leidden tot een regel die met grote nauwkeurigheid de beweging van hemellichamen miljarden kilometers verderop beschrijft. Traditioneel werd de biologie als te gecompliceerd beschouwd om aan zo'n wiskundige behandeling te onderwerpen.

Biologische systemen worden vaak geclassificeerd als "complex". Complexiteit betekent in deze zin dat, vanwege de gecompliceerde interactie van veel subcomponenten, biologische systemen kunnen vertonen wat we emergent gedrag noemen - het systeem als geheel vertoont eigenschappen die de afzonderlijke componenten die alleen werken niet kunnen. Deze biocomplexiteit is vaak verkeerd begrepen levensheid, de misvatting dat biologische processen afhankelijk zijn van een kracht of een principe dat verschilt van de wetten van de natuur- en scheikunde. Bijgevolg is aangenomen dat complexe biologische systemen niet vatbaar zijn voor wiskundige behandeling.

Er waren enkele vroege andersdenkenden. Beroemde computerwetenschapper en codebreker uit de Tweede Wereldoorlog Alan Turing was een van de eersten die suggereerde dat biologische verschijnselen wiskundig konden worden bestudeerd en begrepen. In 1952 stelde hij een paar voor mooie wiskundige vergelijkingen die een verklaring bieden voor hoe pigmentatiepatronen zich kunnen vormen op dierenlagen.

Niet alleen was zijn werk mooi, het was ook contra-intuïtief - het soort werk dat alleen een briljante geest als Turing ooit had kunnen bedenken. Nog griezeliger dan dat hij zo slecht werd behandeld volgens de draconische anti-homoseksualiteitswetten van die tijd. Na een cursus van "corrigerende" hormonale behandeling, pleegde hij zelfmoord slechts twee jaar later.

Een nieuw veld

Sindsdien is het veld van wiskundige biologie is ontploft. In de afgelopen jaren hebben steeds gedetailleerdere experimentele procedures geleid tot een enorme instroom in de biologische gegevens die beschikbaar zijn voor wetenschappers. Deze gegevens worden gebruikt om hypothesen te genereren over de complexiteit van voorheen diepzinnige biologische systemen. Om deze hypotheses te testen, moeten ze worden genoteerd in de vorm van een model dat kan worden ondervraagd om te bepalen of het de biologische observaties correct nabootst. Wiskunde is de natuurlijke taal om dit te doen.

Bovendien heeft de komst van en de daaropvolgende toename van het rekenvermogen gedurende de laatste 60-jaren ons in staat gesteld om complexe mathematische modellen van biologische systemen te stellen en vervolgens te ondervragen. Het besef dat biologische systemen wiskundig kunnen worden behandeld, gekoppeld aan het rekenvermogen om gedetailleerde biologische modellen te bouwen en te onderzoeken, heeft geleid tot een dramatische toename van de populariteit van de wiskundige biologie.

Wiskunde is een vitaal wapen geworden in het wetenschappelijke arsenaal dat we hebben om enkele van de meest prangende vragen in de medische, biologische en ecologische wetenschap in de 21ST eeuw aan te pakken. Door biologische systemen wiskundig te beschrijven en vervolgens de resulterende modellen te gebruiken, kunnen we inzichten verkrijgen die alleen door experimenten en verbaal redeneren onmogelijk zijn. Wiskundige biologie is ongelooflijk belangrijk als we de biologie willen veranderen van een beschrijvende naar een voorspellende wetenschap - ons macht geven, bijvoorbeeld om pandemieën te voorkomen of om de effecten van slopende ziekten te veranderen.

Een nieuw wapen

In de afgelopen 50-jaren hebben wiskundige biologen bijvoorbeeld steeds complexere computationele representaties van de fysiologie van het hart gebouwd. Tegenwoordig worden deze zeer geavanceerde modellen gebruikt in een poging het ingewikkelde functioneren van het menselijk hart beter te begrijpen. Computersimulaties van de hartfunctie stellen ons in staat voorspellingen te doen over hoe het hart zal reageren op kandidaat-geneesmiddelen, ontworpen om de functie ervan te verbeteren, zonder dure en mogelijk risicovolle klinische onderzoeken te hoeven doen.

We gebruiken ook wiskundige biologie om ziekten te bestuderen. Op individuele schaal hebben onderzoekers de mechanismen uitgelegd waarmee onze immuunsystemen met virussen worstelen wiskundige immunologie en stelde mogelijke interventies voor om de schalen in ons voordeel om te gooien. Op grotere schaal hebben wiskundige biologen mechanismen voorgesteld die kunnen worden gebruikt om de verspreiding van te beheersen dodelijke epidemieën zoals Ebolaen om ervoor te zorgen dat de eindige middelen die voor dit doel zijn gereserveerd op de meest efficiënte manier worden gebruikt.

Wiskundige biologie wordt zelfs gebruikt om het beleid te informeren. Er is onderzoek gedaan naar bijvoorbeeld visserij, door wiskundige modellen te gebruiken om realistische quota vast te stellen om ons te beschermen overschat onze zeeën niet en dat we enkele van onze belangrijkste soorten beschermen.

Het toegenomen begrip dat wordt verkregen door het volgen van een wiskundige benadering kan leiden tot een beter begrip van de biologie op een aantal verschillende schalen. Op het Centrum voor Wiskundige Biologie in Bathwe bestuderen bijvoorbeeld een aantal dringende biologische problemen. Aan het ene uiteinde van het spectrum proberen we strategieën te ontwikkelen om het te voorkomen verwoestende effecten van sprinkhanenplagen bestaande uit maximaal een miljard individuen. Aan de andere kant proberen we de mechanismen die aanleiding geven tot de juiste op te helderen ontwikkeling van het embryo.

Hoewel wiskundige biologie van oudsher het domein is van toegepaste wiskundigen, is het duidelijk dat wiskundigen die zichzelf als zuiver classificeren een rol te spelen hebben in de wiskundige biologierevolutie. De zuivere discipline van de topologie wordt gebruikt om het te begrijpen knoestig probleem van DNA-verpakking en algebraïsche meetkunde wordt gebruikt om het meest geschikte model van te selecteren biochemische interactienetwerken.

Naarmate het profiel van de wiskundige biologie blijft stijgen, zullen opkomende en gevestigde wetenschappers uit disciplines van het wetenschappelijke spectrum worden aangetrokken om het rijke scala aan belangrijke en nieuwe problemen die de biologie te bieden heeft, aan te pakken.

Het revolutionaire idee van Turing, hoewel niet volledig gewaardeerd in zijn tijd, toonde aan dat het niet nodig was om een ​​beroep te doen op vitalisme - de god in de machine - om biologische processen te begrijpen. Chemische en fysische wetten gecodeerd in wiskunde, of "wiskundige biologie" zoals we het nu noemen, zou prima kunnen.

Over de auteur

Christian Yates, docent wiskundige biologie, Universiteit van Bath

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees de originele artikel.

Related Books:

at InnerSelf Market en Amazon