ביולוגיה מתמטית או biomathematics היא ענף של המדע, כי הוא אחראי על פיתוח מודלים מספריים המדמים תופעות טבע הגט שונים הקשורים ליצורים חיים; כלומר, מדובר בכלים מתמטיים ללימוד מערכות טבעיות או ביולוגיות.
כפי שניתן להבין משמו, ביו-מתמטיקה היא תחום בינתחומי, שנמצא בצומת הידע בין ביולוגיה למתמטיקה. דוגמה פשוטה לדיסציפלינה זו יכולה לכלול פיתוח שיטות סטטיסטיות לפיתרון בעיות בתחום הגנטיקה או האפידמיולוגיה, אם נזכיר כמה.
החוק של לוטקה וולטרה למערכת היחסים בין טורפים וטרף (מקור: קרטיס ניוטון ↯ 10:55, 20. אפריל 2010 (CEST). המעלה המקורי היה Lämpel בוויקיפדיה הגרמנית. באמצעות Wikimedia Commons)
בתחום ידע זה, זה נורמלי שהתוצאות המתמטיות נובעות מבעיות ביולוגיות או משמשים לפיתרון. עם זאת, ישנם חוקרים שהצליחו לפתור בעיות מתמטיות על סמך התבוננות בתופעות ביולוגיות, כך שזה לא קשר חד כיווני בין שני תחומי המדע.
מהאמור לעיל ניתן להבטיח כי בעיה מתמטית היא המטרה שלשמה משתמשים בכלים ביולוגיים ולהפך; שבעיה ביולוגית היא המטרה שלשמה משתמשים בכלים המתמטיים השונים.
כיום תחום הביולוגיה המתמטית צומח במהירות ונחשב לאחד היישומים המודרניים והמלהיבים ביותר של המתמטיקה. זה שימושי מאוד לא רק בביולוגיה, אלא גם במדעים ביו-רפואיים ובתחום הביוטכנולוגיה.
היסטוריה של ביומטמטיקה
מתמטיקה וביולוגיה הם שני מדעים עם ריבוי יישומים. המתמטיקה היא אולי ישנה כמו התרבות המערבית, מקורה נמשך שנים רבות לפני המשיח, ומאז הוכח התועלת שלה למספר רב של יישומים.
עם זאת, הביולוגיה כמדע היא הרבה יותר עדכנית, מכיוון שהמשגתה לא התרחשה עד ראשית המאה התשע עשרה בזכות התערבותו של למארק, בשנות ה- 1800.
הקשר בין ידע מתמטי לביולוגי קרוב מאז התקופות המוקדמות ביותר של התרבויות, שכן התיישבותם של עמים נוודים התרחשה בזכות הגילוי שאפשר לנצל באופן שיטתי את הטבע, שהיה בהכרח היה צריך לערב את התפיסות הראשונות מתמטית וביולוגית.
בראשית דרכה נחשבו המדעים הביולוגיים "בעלי מלאכה", מכיוון שהם התייחסו בעיקר לפעילויות פופולריות כמו חקלאות או בעלי חיים; בינתיים מתמטיקה גילתה הפשטה והיו לה יישומים מיידיים מרוחקים.
המפגש בין ביולוגיה ומתמטיקה מתוארך, אולי, למאות ה -15 וה -16, עם הופעתה של הפיזיולוגיה, שהיא מדע המקבץ את הידע, מסווג, מסדר ומערך אותו, עושה שימוש בכלים מתמטיים בעת הצורך.
תומאס מלתוס
זה היה תומאס מלטוס, כלכלן בן זמנו של למארק, שקבע את התקדים לתחילת הביולוגיה המתמטית, שכן הוא היה הראשון שהעלה מודל מתמטי שיסביר את דינמיקת האוכלוסייה כפונקציה של משאבי טבע.
גישותיו של מלתוס התפתחו מאוחר יותר והוגדלו, והיום הן חלק מהיסוד של מודלים אקולוגיים המשמשים להסביר את הקשר בין טורפים לטרף שלהם, למשל.
מושא לימוד הביולוגיה המתמטית
ביולוגיה מתמטית היא תחום מדעי בין תחומי. מקור: קונסטנטין קולוסוב - פיקסאביי
ביולוגיה מתמטית היא מדע הנובע משילוב של כלים מתמטיים שונים עם נתונים ביולוגיים, ניסיוניים או לא, המבקש לנצל את "כוחם" של שיטות מתמטיות כדי להסביר טוב יותר את עולם היצורים החיים, התאים שלהם מהמולקולות שלה.
בלי קשר למידת המורכבות הטכנולוגית הכרוכה בכך, הביולוגיה המתמטית מורכבת מהשיקול "הפשוט" שיש אנלוגיה בין שני תהליכים, כלומר:
- המבנה המורכב של יצור חי הוא תוצאה של יישום פעולות פשוטות של "העתקה" ו"חיתוך ושחבור "או" שחבור "(למשל) על מידע ראשוני הכלול ברצף DNA (חומצה deoxyribonucleic) ).
- ניתן להשיג את התוצאה f (ω) של החלת פונקציה חישובית על מערך w על ידי יישום שילוב של פונקציות בסיסיות פשוטות w.
תחום הביולוגיה המתמטית מיישם תחומי מתמטיקה כמו חשבון, תיאוריות הסתברות, סטטיסטיקה, אלגברה לינארית, גיאומטריה אלגברית, טופולוגיה, משוואות דיפרנציאליות, מערכות דינמיות, קומבינטוריקה ותורת קידוד.
לאחרונה שימש תחום זה באופן נרחב לניתוח כמותי של סוגים שונים של נתונים, שכן המדעים הביולוגיים הוקדשו לייצור המוני נתונים גדולים מהם ניתן להפיק מידע חשוב.
למעשה, חוקרים רבים רואים כי הפיצוץ הגדול של נתונים ביולוגיים "יצר" את הצורך בפיתוח מודלים מתמטיים חדשים ומורכבים יותר לניתוח שלהם, כמו גם אלגוריתמים חישוביים מורכבים יותר ושיטות סטטיסטיות.
יישומים
אחד היישומים המשמעותיים ביותר של הביולוגיה המתמטית קשור לניתוח רצפי DNA, אך מדע זה מעורב גם במודלים של מגפות ובמחקר התפשטות של אותות עצביים.
זה שימש ללימוד תהליכים נוירולוגיים כמו פרקינסון, מחלת אלצהיימר וטרשת עורקים אמיוטרופית, למשל.
זה שימושי ביותר לחקר תהליכים אבולוציוניים (תיאורציות) ולפיתוח מודלים המסבירים את הקשר של יצורים חיים זה עם זה ועם הסביבה שלהם, כלומר לגישות אקולוגיות.
הדוגמנות וההדמיה של סוגים שונים של סוגי סרטן הם גם דוגמה טובה ליישומים הרבים שיש בביולוגיה מתמטית כיום, במיוחד בכל הנוגע לסימולציה של אינטראקציות בין אוכלוסיות תאים.
דוגמה לניתוח רצפי DNA המשמשים בדרך כלל בגנומיקה (מקור: Radtk172 דרך Wikimedia Commons)
ביו-מתמטיקה מתקדמת מאוד גם בתחום מדעי המוח החישוביים, במחקרים על דינמיקת אוכלוסייה ושל פילוגנומיקה וגנומיקה בכלל.
בענף אחרון זה של גנטיקה הוא היה בעל רלוונטיות רבה, מכיוון שהוא אחד התחומים עם הגידול הגבוה ביותר בשנים האחרונות, מכיוון שקצב איסוף הנתונים הוא גבוה ביותר, וזו ראויה לטכניקות חדשות וטובות יותר עבור העיבוד והניתוח שלו.
הפניות
- אנדרסון, ש., לרסון, ק., לרסון, מ., וג'ייקוב, מ. (אד.). (1999). ביומטמטיקה: מתמטיקה של ביו-מבנים וביו-דינמיקה. אלזביאר.
- Elango, P. (2015). תפקיד המתמטיקה בביולוגיה.
- פרידמן, א '(2010). מהי ביולוגיה מתמטית וכמה היא מועילה. הודעות ה- AMS, 57 (7), 851-857.
- Hofmeyr, JHS (2017). מתמטיקה וביולוגיה. כתב העת המדעי של דרום אפריקה, 113 (3-4), 1-3.
- Kari, L. (1997). מחשוב DNA: הגעת מתמטיקה ביולוגית. אינטליגנציה מתמטית, 19 (2), 9-22.
- פאצ'קו קסטלו, ג'יי.מ (2000). מהי ביולוגיה מתמטית?
- ריד, מ.ק (2004). מדוע הביולוגיה המתמטית כל כך קשה? הודעות ה- AMS, 51 (3), 338-342.
- Ulam, SM (1972). כמה רעיונות וסיכויים בתחום הביומטמטיקה. סקירה שנתית של ביו-פיזיקה והנדסת ביו, 1 (1), 277-292.