Математична біологія або біоматематікі є галузь науки , яка відповідає за розробку чисельних моделей, що імітують різні ОТРИМАТИ природні явища , пов'язані з живими істотами; тобто передбачає використання математичних засобів для вивчення природних чи біологічних систем.
Як можна зрозуміти з назви, біоматематика - це міждисциплінарна область, розташована на перетині знань між біологією та математикою. Простий приклад цієї дисципліни може включати розробку статистичних методів для вирішення проблем у галузі генетики чи епідеміології, щоб назвати декілька.
Закон Лотки-Вольтерри про стосунки між хижаками та здобиччю (Джерело: Кертіс Ньютон ↯ 10:55, 20. квітня 2010 р. (CEST). Оригінальним завантажувачем був Лемпель у німецькій Вікіпедії. Через Wikimedia Commons)
У цій галузі знань нормально, що математичні результати виникають із-за біологічних проблем або використовуються для їх вирішення, однак деяким дослідникам вдалося вирішити математичні задачі на основі спостереження за біологічними явищами, тому це не є односпрямованим зв’язком між обома галузями науки.
З вищесказаного можна переконатися, що математична задача - це мета, для якої застосовуються біологічні засоби, і навпаки; що біологічна проблема - мета, для якої використовується безліч різних математичних засобів.
Сьогодні сфера математичної біології швидко зростає і вважається одним із найсучасніших та найцікавіших застосувань математики. Це дуже корисно не тільки в біології, але в біомедичних науках і в галузі біотехнології.
Історія біоматематики
Математика та біологія - це дві науки з безліччю застосувань. Математика, можливо, така ж стара, як західна культура, її зародження датується багатьма роками до Христа, і її корисність з тих пір була продемонстрована для великої кількості застосувань.
Біологія як наука, однак, набагато пізніша, оскільки її концептуалізація відбулася до початку ХІХ століття завдяки втручанню Ламарка, у 1800-х роках.
Зв'язок між математичними та біологічними знаннями тісний ще з найдавніших часів цивілізацій, оскільки заселення кочових народів відбулося завдяки відкриттю, що природу можна систематично експлуатувати, яка обов'язково мала залучити перші уявлення математичні та біологічні.
На його початку біологічні науки вважалися "ремісниками", оскільки вони стосувалися переважно популярних видів діяльності, таких як сільське господарство чи тваринництво; тим часом математика виявила абстракцію і мала дещо віддалене безпосереднє застосування.
Сукупність між біологією та математикою сягає, мабуть, 15-го та 16-го століть, з появою фізіології, яка є наукою, яка об'єднує знання, класифікуючи, упорядковуючи та систематизуючи їх, використовуючи математичні засоби, коли це необхідно.
Томас Мальтус
Саме Томас Мальтус, економіст із Ламарка, встановив прецедент для початку математичної біології, оскільки він першим постулював математичну модель для пояснення динаміки населення як функції природних ресурсів.
Підходи Мальтуса пізніше були розроблені та розроблені, і сьогодні вони є частиною основи екологічних моделей, які використовуються, наприклад, для пояснення взаємозв'язку хижаків з їх здобиччю.
Об'єкт вивчення математичної біології
Математична біологія - це міждисциплінарна наукова область. Джерело: Костянтин Колосов - Піксабай
Математична біологія - це наука, яка є результатом інтеграції різних математичних інструментів з біологічними даними, експериментальними чи ні, що прагне скористатися "силою" математичних методів, щоб краще пояснити світ живих істот, їх клітини та його молекул.
Незалежно від ступеня технологічної складності, математична біологія складається з "простого" врахування, що існує аналогія між двома процесами, а саме:
- Складна структура живої істоти є результатом застосування простих операцій "копіювання" та "розрізання та сплайсингу" або "сплайсингу" (наприклад) до початкової інформації, яка міститься в послідовності ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота ).
- Результат f (ω) застосування обчислювальної функції до масиву w можна отримати, застосувавши комбінацію простих основних функцій w.
До області математичної біології застосовуються такі галузі математики, як числення, теорії ймовірностей, статистика, лінійна алгебра, алгебраїчна геометрія, топологія, диференціальні рівняння, динамічні системи, комбінаторика та теорія кодування.
Останнім часом ця дисципліна широко застосовується для кількісного аналізу різних типів даних, оскільки біологічні науки були присвячені виготовленню великих масивів даних, з яких можна отримати цінну інформацію.
Насправді багато дослідників вважають, що великий вибух біологічних даних "породжував" необхідність розробки нових і більш складних математичних моделей для їх аналізу, а також значно складніших обчислювальних алгоритмів і статистичних методів.
Програми
Одне з найбільш значущих застосувань математичної біології пов'язане з аналізом послідовностей ДНК, але ця наука також бере участь у моделюванні епідемій та у вивченні поширення нервових сигналів.
Він використовувався, наприклад, для вивчення таких неврологічних процесів, як хвороба Паркінсона, хвороба Альцгеймера та аміотрофічний бічний склероз.
Це надзвичайно корисно для вивчення еволюційних процесів (теоретизацій) та для розробки моделей, що пояснюють взаємозв'язок живих істот між собою та з їх середовищем, тобто для екологічних підходів.
Моделювання та моделювання різних видів раку також є хорошим прикладом багатьох застосувань, які сьогодні має математична біологія, особливо щодо моделювання взаємодій між популяцією клітин.
Приклад аналізу послідовностей ДНК, які зазвичай використовуються в геноміці (Джерело: Radtk172 через Wikimedia Commons)
Біоматематика також є дуже розвиненою у галузі обчислювальної нейронауки, в дослідженнях динаміки популяції та філогеноміки та геноміки загалом.
В цій останній галузі генетики вона мала велике значення, оскільки це одна з областей з найвищим зростанням за останні роки, оскільки швидкість збору даних надзвичайно висока, що заслуговує на нові та кращі методи для її обробка та аналіз.
Список літератури
- Андерссон, С., Ларссон, К., Ларссон, М., Якоб, М. (Ред.). (1999). Біоматематика: математика біоструктур та біодинаміка. Ельзев'є.
- Еланго, П. (2015). Роль математики в біології.
- Фрідман, А. (2010). Що таке математична біологія і наскільки вона корисна. Повідомлення АМС, 57 (7), 851-857.
- Хофмейр, JHS (2017). Математика та біологія. Південноафриканський журнал науки, 113 (3-4), 1-3.
- Карі, Л. (1997). ДНК обчислення: прихід біологічної математики. Математичний інтелект, 19 (2), 9-22.
- Pacheco Castelao, JM (2000). Що таке математична біологія?
- Рід, МС (2004). Чому математична біологія настільки важка? Повідомлення АМС, 51 (3), 338-342.
- Улам, С.М. (1972). Деякі ідеї та перспективи в біоматематиці. Щорічний огляд біофізики та біоінженерії, 1 (1), 277-292.