Mathematik ist die Sprache der Wissenschaft. Es kommt überall vor, von der Physik bis zur Technik und Chemie - und hilft uns, die Ursprünge des Universums zu verstehen und Brücken zu bauen, die nicht im Wind zusammenbrechen. Vielleicht ein wenig überraschender, ist Mathematik auch zunehmend integraler Bestandteil der Biologie.

Seit Hunderten von Jahren wird Mathematik mit großem Erfolg eingesetzt, um relativ einfache physikalische Systeme zu modellieren. Newtons universelles Gravitationsgesetz ist ein schönes Beispiel. Relativ einfache Beobachtungen führten zu einer Regel, die mit großer Genauigkeit die Bewegung von Himmelskörpern Milliarden von Meilen entfernt beschreibt. Traditionell wurde die Biologie als zu kompliziert angesehen, um sich einer solchen mathematischen Behandlung zu unterziehen.

Biologische Systeme werden oft als "komplex" eingestuft. Komplexität bedeutet in diesem Sinne, dass biologische Systeme aufgrund des komplizierten Zusammenspiels vieler Teilkomponenten ein sogenanntes emergentes Verhalten aufweisen können - das System als Ganzes weist Eigenschaften auf, die die einzelnen Komponenten allein nicht können. Diese Biokomplexität wurde oft verwechselt Vitalismus, das Missverständnis, dass biologische Prozesse von einer Kraft oder einem Prinzip abhängig sind, das sich von den Gesetzen der Physik und Chemie unterscheidet. Folglich wurde angenommen, dass komplexe biologische Systeme einer mathematischen Behandlung nicht zugänglich sind.

Es gab einige frühe Dissidenten. Berühmter Informatiker und Codebrecher des Zweiten Weltkrieges Alan Turing war einer der ersten, der darauf hinwies, dass biologische Phänomene mathematisch untersucht und verstanden werden könnten. In 1952 schlug er ein Paar vor schöne mathematische Gleichungen die erklären, wie sich Pigmentflecken auf Tiermänteln bilden können.

Seine Arbeit war nicht nur schön, sie war auch kontraintuitiv - die Art von Arbeit, die nur ein genialer Verstand wie Turing jemals hätte ersinnen können. Umso bedauerlicher war es, dass er unter den drakonischen Gesetzen gegen Homosexualität so schlecht behandelt wurde. Nach einer "korrigierenden" Hormonbehandlung tötete er sich selbst zwei Jahre später.

Ein aufstrebendes Feld

Seitdem hat das Feld von mathematische Biologie ist explodiert. In den letzten Jahren haben immer detailliertere experimentelle Verfahren zu einem enormen Zustrom von biologischen Daten für Wissenschaftler geführt. Diese Daten werden verwendet, um Hypothesen über die Komplexität bisher abstruser biologischer Systeme zu erstellen. Um diese Hypothesen zu testen, müssen sie in Form eines Modells niedergeschrieben werden, das abgefragt werden kann, um festzustellen, ob es die biologischen Beobachtungen korrekt imitiert. Mathematik ist die natürliche Sprache, um dies zu tun.

Darüber hinaus ermöglichten das Aufkommen und die darauf folgende Zunahme der Rechenfähigkeiten in den letzten 60-Jahren, komplexe mathematische Modelle biologischer Systeme vorzuschlagen und dann zu hinterfragen. Die Erkenntnis, dass biologische Systeme mathematisch behandelt werden können, gekoppelt mit der Fähigkeit, detaillierte biologische Modelle zu erstellen und zu untersuchen, hat zu einer dramatischen Zunahme der Popularität der mathematischen Biologie geführt.

Mathematik ist zu einer lebenswichtigen Waffe in der wissenschaftlichen Waffenkammer geworden. Wir müssen einige der dringendsten Fragen in der medizinischen, biologischen und ökologischen Wissenschaft im 21 Jahrhundert angehen. Indem wir biologische Systeme mathematisch beschreiben und dann die resultierenden Modelle verwenden, können wir Einsichten gewinnen, die durch Experimente und verbales Denken allein nicht zugänglich sind. Mathematische Biologie ist unglaublich wichtig, wenn wir die Biologie von einer deskriptiven in eine prädiktive Wissenschaft verwandeln wollen, um beispielsweise Pandemien abzuwehren oder die Auswirkungen von schwächenden Krankheiten zu verändern.

Eine neue Waffe

In den letzten 50-Jahren beispielsweise haben mathematische Biologen zunehmend komplexe computergestützte Darstellungen der Physiologie des Herzens erstellt. Heute werden diese hochentwickelten Modelle verwendet, um die komplizierte Funktionsweise des menschlichen Herzens besser zu verstehen. Computersimulationen der Herzfunktion erlauben es, Vorhersagen darüber zu treffen, wie das Herz mit Arzneimittelkandidaten interagieren wird, die dazu bestimmt sind, seine Funktion zu verbessern, ohne kostspielige und potenziell riskante klinische Studien durchführen zu müssen.

Wir benutzen die mathematische Biologie, um Krankheiten zu untersuchen. Auf individueller Ebene haben die Forscher die Mechanismen aufgeklärt, mit denen unser Immunsystem gegen Viren ankämpft mathematische Immunologie und schlug mögliche Interventionen vor, um die Waagschale zu unseren Gunsten zu kippen. Auf einer breiteren Skala haben mathematische Biologen Mechanismen vorgeschlagen, die verwendet werden können, um die Verbreitung von zu kontrollieren tödliche Epidemien wie Ebolaund sicherzustellen, dass die endlichen Ressourcen, die für diesen Zweck vorgesehen sind, so effizient wie möglich eingesetzt werden.

Mathematische Biologie wird sogar verwendet, um die Politik zu informieren. Es wurden beispielsweise Forschungsarbeiten zur Fischerei durchgeführt, bei denen mithilfe mathematischer Modelle realistische Quoten festgelegt wurden, um sicherzustellen, Überfischt unsere Meere nicht und dass wir einige unserer wichtigsten Arten schützen.

Das gesteigerte Verständnis, das durch einen mathematischen Ansatz gewonnen wird, kann zu einem besseren Verständnis der Biologie auf verschiedenen Skalen führen. Beim das Zentrum für mathematische Biologie in BathZum Beispiel untersuchen wir eine Reihe von drängenden biologischen Problemen. Am einen Ende des Spektrums versuchen wir Strategien zu entwickeln, um die verheerende Auswirkungen von Heuschreckenplagen bestehend aus bis zu einer Milliarde Personen. Auf der anderen Seite versuchen wir die Mechanismen aufzuklären, die das Korrekte ergeben Entwicklung des Embryos.

Obwohl die mathematische Biologie traditionell die Domäne der angewandten Mathematiker war, ist es klar, dass Mathematiker, die sich selbst als rein klassifizieren, eine Rolle in der mathematisch-biologischen Revolution spielen. Die reine Disziplin der Topologie wird verwendet, um das zu verstehen knotiges Problem der DNA-Packung und algebraische Geometrie wird verwendet, um das am besten geeignete Modell auszuwählen biochemische Interaktionsnetzwerke.

Während das Profil der mathematischen Biologie weiter zunimmt, werden sich etablierte und etablierte Wissenschaftler aus den Disziplinen des wissenschaftlichen Spektrums herausbilden, um das reiche Spektrum wichtiger und neuartiger Probleme anzugehen, die die Biologie zu bieten hat.

Turings revolutionäre Idee, obwohl zu seiner Zeit nicht voll anerkannt, zeigte, dass es keinen Grund gab, an den Vitalismus - den Gott in der Maschine - zu appellieren, um biologische Prozesse zu verstehen. Chemische und physikalische Gesetze, die in der Mathematik kodiert sind, oder "mathematische Biologie", wie wir sie heute nennen, könnten gut funktionieren.

Über den Autor

Christian Yates, Dozent für Mathematische Biologie, University of Bath

Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am Das Gespräch.. Lies das Original Artikel.

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