คณิตศาสตร์เป็นภาษาของวิทยาศาสตร์ มันเกิดขึ้นได้ทุกที่ตั้งแต่ฟิสิกส์ วิศวกรรม และเคมี ซึ่งช่วยให้เราเข้าใจต้นกำเนิดของจักรวาลและสร้างสะพานที่ไม่มีวันพังทลายในสายลม บางทีคณิตศาสตร์ก็มีความสำคัญต่อชีววิทยามากขึ้นด้วยเช่นกัน

เป็นเวลาหลายร้อยปีแล้วที่คณิตศาสตร์ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแบบจำลองระบบทางกายภาพที่ค่อนข้างง่าย ของนิวตัน กฎความโน้มถ่วงสากล เป็นตัวอย่างที่ดี การสังเกตที่ค่อนข้างง่ายทำให้เกิดกฎซึ่งอธิบายการเคลื่อนที่ของเทห์ฟากฟ้าที่อยู่ห่างออกไปหลายพันล้านไมล์ได้อย่างแม่นยำมาก ตามเนื้อผ้า ชีววิทยาถูกมองว่าซับซ้อนเกินกว่าจะยอมรับการรักษาทางคณิตศาสตร์เช่นนั้น

ระบบชีวภาพมักจัดอยู่ในประเภท "ซับซ้อน" ความซับซ้อนในแง่นี้หมายความว่า เนื่องจากการทำงานร่วมกันที่ซับซ้อนขององค์ประกอบย่อยจำนวนมาก ระบบทางชีววิทยาสามารถแสดงสิ่งที่เราเรียกว่าพฤติกรรมฉุกเฉินได้ ระบบโดยรวมแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติที่ส่วนประกอบแต่ละส่วนทำหน้าที่เพียงอย่างเดียวไม่สามารถทำได้ ความซับซ้อนทางชีวภาพนี้มักถูกเข้าใจผิดว่าเป็น vitalismความเข้าใจผิดที่ว่ากระบวนการทางชีววิทยาขึ้นอยู่กับแรงหรือหลักการที่แตกต่างจากกฎฟิสิกส์และเคมี ดังนั้นจึงสันนิษฐานได้ว่าระบบทางชีววิทยาที่ซับซ้อนไม่คล้อยตามการรักษาทางคณิตศาสตร์

มีผู้ไม่เห็นด้วยในช่วงแรก นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ที่มีชื่อเสียงและผู้ถอดรหัสสงครามโลกครั้งที่สอง ทัวริงอลัน เป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่เสนอแนะว่าปรากฏการณ์ทางชีววิทยาสามารถศึกษาและทำความเข้าใจทางคณิตศาสตร์ได้ ในปี ค.ศ. 1952 เขาได้เสนอคู่ของ สมการทางคณิตศาสตร์ที่สวยงาม ซึ่งให้คำอธิบายว่ารูปแบบการสร้างเม็ดสีอาจเกิดขึ้นบนเสื้อโค้ตของสัตว์ได้อย่างไร

ไม่เพียงแต่งานของเขาจะสวยงามเท่านั้น แต่ยังเป็นการตอบโต้ด้วยสัญชาตญาณด้วย ซึ่งเป็นงานประเภทที่มีแต่คนฉลาดอย่างทัวริงเท่านั้นที่ใฝ่ฝัน ยิ่งน่าเสียดายที่เขาได้รับการปฏิบัติอย่างไม่ดีภายใต้กฎหมายต่อต้านการรักร่วมเพศที่เข้มงวดในสมัยนั้น หลังจากการรักษาด้วยฮอร์โมน “แก้ไข” เขาก็ฆ่าตัวตายเพียงสองปีต่อมา

สาขาที่กำลังเติบโต

ตั้งแต่นั้นมา ด้านของ ชีววิทยาคณิตศาสตร์ ได้ระเบิด ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ขั้นตอนการทดลองที่มีรายละเอียดมากขึ้นได้นำไปสู่การไหลบ่าเข้ามาอย่างมากในข้อมูลทางชีววิทยาที่มีให้สำหรับนักวิทยาศาสตร์ ข้อมูลนี้ถูกใช้เพื่อสร้างสมมติฐานเกี่ยวกับความซับซ้อนของระบบทางชีววิทยาที่ลึกซึ้งก่อนหน้านี้ เพื่อที่จะทดสอบสมมติฐานเหล่านี้ จะต้องเขียนไว้ในรูปแบบของแบบจำลองที่สามารถสอบปากคำเพื่อพิจารณาว่าสมมุติฐานดังกล่าวเลียนแบบการสังเกตทางชีววิทยาอย่างถูกต้องหรือไม่ คณิตศาสตร์เป็นภาษาธรรมชาติในการทำเช่นนี้

นอกจากนี้ การถือกำเนิดขึ้นและความสามารถในการคำนวณที่เพิ่มขึ้นในเวลาต่อมาในช่วง 60 ปีที่ผ่านมาทำให้เราสามารถแนะนำและซักถามแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อนของระบบทางชีววิทยาได้ การตระหนักว่าระบบทางชีววิทยาสามารถรักษาทางคณิตศาสตร์ได้ ควบคู่ไปกับความสามารถในการคำนวณเพื่อสร้างและตรวจสอบแบบจำลองทางชีววิทยาโดยละเอียด ได้นำไปสู่ความนิยมในวิชาชีววิทยาทางคณิตศาสตร์ที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก

คณิตศาสตร์กลายเป็นอาวุธสำคัญในคลังอาวุธทางวิทยาศาสตร์ เราต้องจัดการกับคำถามที่เร่งด่วนที่สุดในวิทยาศาสตร์การแพทย์ ชีววิทยา และนิเวศวิทยาในศตวรรษที่ 21 โดยการอธิบายระบบทางชีววิทยาทางคณิตศาสตร์แล้วใช้แบบจำลองผลลัพธ์ เราสามารถรับข้อมูลเชิงลึกที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ผ่านการทดลองและการให้เหตุผลด้วยวาจาเพียงอย่างเดียว ชีววิทยาทางคณิตศาสตร์มีความสำคัญอย่างไม่น่าเชื่อ หากเราต้องการเปลี่ยนชีววิทยาจากการพรรณนาเป็นวิทยาศาสตร์การทำนาย เช่น ให้พลังแก่เราในการหลีกเลี่ยงการระบาดใหญ่หรือเพื่อเปลี่ยนแปลงผลกระทบจากโรคที่ทำให้ร่างกายทรุดโทรม

อาวุธใหม่

ตัวอย่างเช่น ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา นักชีววิทยาทางคณิตศาสตร์ได้สร้างการแสดงแทนทางคอมพิวเตอร์ที่ซับซ้อนขึ้นเรื่อยๆ เกี่ยวกับสรีรวิทยาของหัวใจ ทุกวันนี้ แบบจำลองที่มีความซับซ้อนสูงเหล่านี้กำลังถูกใช้เพื่อพยายามทำความเข้าใจการทำงานที่ซับซ้อนของหัวใจมนุษย์ให้ดีขึ้น การจำลองการทำงานของหัวใจด้วยคอมพิวเตอร์ช่วยให้เราสามารถคาดการณ์ได้ว่าหัวใจจะมีปฏิกิริยาอย่างไรกับยาที่เข้ารับการทดสอบ ซึ่งออกแบบมาเพื่อปรับปรุงการทำงานของยา โดยไม่ต้องทำการทดลองทางคลินิกที่มีราคาแพงและอาจมีความเสี่ยง

เราใช้ชีววิทยาคณิตศาสตร์เพื่อศึกษาโรคเช่นกัน ในระดับบุคคล นักวิจัยได้อธิบายกลไกที่ระบบภูมิคุ้มกันของเราต่อสู้กับไวรัสผ่าน ภูมิคุ้มกันวิทยาทางคณิตศาสตร์ และแนะนำการแทรกแซงที่เป็นไปได้สำหรับการให้ทิปตาชั่งในความโปรดปรานของเรา ในระดับที่กว้างขึ้น นักชีววิทยาทางคณิตศาสตร์ได้เสนอกลไกที่สามารถใช้ควบคุมการแพร่กระจายของ โรคระบาดร้ายแรงเช่นอีโบลาและเพื่อให้แน่ใจว่ามีการใช้ทรัพยากรที่มีอยู่อย่างจำกัดเพื่อวัตถุประสงค์นี้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด

ชีววิทยาทางคณิตศาสตร์ยังถูกนำมาใช้เพื่อแจ้งนโยบาย มีการวิจัยเกี่ยวกับการประมง เช่น การใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อกำหนดโควตาที่เป็นจริงเพื่อให้แน่ใจว่าเรา อย่าตกปลาทะเลของเรามากเกินไป และเราปกป้องสายพันธุ์ที่สำคัญที่สุดของเรา

ความเข้าใจที่เพิ่มขึ้นซึ่งรวบรวมได้จากการใช้วิธีการทางคณิตศาสตร์สามารถนำไปสู่ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับชีววิทยาในระดับต่างๆ ที่ ศูนย์ชีววิทยาคณิตศาสตร์ในบาธตัวอย่างเช่น เราศึกษาปัญหาทางชีววิทยาเร่งด่วนจำนวนหนึ่ง ในตอนท้ายของสเปกตรัม เราพยายามพัฒนากลยุทธ์ในการหลีกเลี่ยง ภัยพิบัติจากตั๊กแตนทำลายล้าง ที่ประกอบด้วยบุคคลถึงพันล้านคน อีกด้านหนึ่ง เราพยายามจะอธิบายกลไกที่ก่อให้เกิดสิ่งที่ถูกต้อง พัฒนาการของตัวอ่อน.

แม้ว่าชีววิทยาทางคณิตศาสตร์จะเป็นโดเมนของนักคณิตศาสตร์ประยุกต์ แต่ก็เป็นที่แน่ชัดว่านักคณิตศาสตร์ที่จำแนกตนเองว่าบริสุทธิ์มีบทบาทสำคัญต่อการปฏิวัติทางชีววิทยาทางคณิตศาสตร์ มีการใช้ระเบียบวินัยบริสุทธิ์ของโทโพโลยีเพื่อทำความเข้าใจ ปัญหาจุกจิกของ DNA อัดแน่น และเรขาคณิตเชิงพีชคณิตกำลังถูกใช้เพื่อเลือกแบบจำลองที่เหมาะสมที่สุดของ เครือข่ายปฏิสัมพันธ์ทางชีวเคมี.

ในขณะที่รายละเอียดของชีววิทยาทางคณิตศาสตร์ยังคงเพิ่มขึ้น นักวิทยาศาสตร์ที่เกิดใหม่และเป็นที่ยอมรับจากสาขาวิชาต่างๆ ในสเปกตรัมทางวิทยาศาสตร์จะถูกดึงขึ้นมาเพื่อจัดการกับปัญหาที่สำคัญและแปลกใหม่ที่ชีววิทยามีให้

แนวความคิดที่ปฏิวัติวงการของทัวริง แม้จะไม่ได้ชื่นชมอย่างเต็มที่ในสมัยของเขา แต่ก็แสดงให้เห็นว่าไม่จำเป็นต้องดึงดูดพลังชีวิต – พระเจ้าในเครื่องจักร – เพื่อทำความเข้าใจกระบวนการทางชีววิทยา กฎหมายเคมีและฟิสิกส์ที่เข้ารหัสในวิชาคณิตศาสตร์ หรือ "ชีววิทยาทางคณิตศาสตร์" ที่เราเรียกว่าตอนนี้ก็สามารถทำได้ดี

เกี่ยวกับผู้เขียน

คริสเตียน เยตส์ อาจารย์วิชาชีววิทยาคณิตศาสตร์ มหาวิทยาลัยบา ธ

บทความนี้ถูกเผยแพร่เมื่อวันที่ สนทนา. อ่าน บทความต้นฉบับ.

หนังสือที่เกี่ยวข้อง:

at ตลาดภายในและอเมซอน