WISKUNDIGE BIOLOGIE: GESCHIEDENIS, STUDIEOBJECT, TOEPASSINGEN - BIOLOGIE - 2026

De wiskundige biologie of biomathematica is een tak van de wetenschap die verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van numerieke modellen die verschillende natuurlijke fenomenen simuleren die verband houden met levende wezens; dat wil zeggen, het omvat het gebruik van wiskundige hulpmiddelen om natuurlijke of biologische systemen te bestuderen.

Zoals uit de naam kan worden afgeleid, is biomathematica een interdisciplinair gebied, gelegen op het snijvlak van kennis tussen biologie en wiskunde. Een eenvoudig voorbeeld van deze discipline is de ontwikkeling van statistische methoden om problemen op het gebied van genetica of epidemiologie op te lossen, om er maar een paar te noemen.

De wet van Lotka-Volterra voor de relatie tussen roofdieren en prooien (Bron: Curtis Newton ↯ 10:55, 20 april 2010 (CEST). De oorspronkelijke uploader was Lämpel op de Duitse Wikipedia. Via Wikimedia Commons)

In dit kennisgebied is het normaal dat wiskundige resultaten voortkomen uit biologische problemen of worden gebruikt om ze op te lossen, maar sommige onderzoekers zijn erin geslaagd wiskundige problemen op te lossen op basis van de observatie van biologische verschijnselen, dus het is geen unidirectionele relatie. tussen beide wetenschapsgebieden.

Uit het bovenstaande kan worden verzekerd dat een wiskundig probleem het doel is waarvoor biologische hulpmiddelen worden gebruikt en vice versa; dat een biologisch probleem het doel is waarvoor de vele verschillende wiskundige hulpmiddelen worden gebruikt.

Tegenwoordig groeit het veld van de wiskundige biologie snel en wordt het beschouwd als een van de modernste en meest opwindende toepassingen van wiskunde. Het is niet alleen erg nuttig in de biologie, maar ook in de biomedische wetenschappen en op het gebied van biotechnologie.

Geschiedenis van biomathematica

Wiskunde en biologie zijn twee wetenschappen met een veelvoud aan toepassingen. Wiskunde is misschien zo oud als de westerse cultuur, haar oorsprong dateert van vele jaren voor Christus, en het nut ervan is sindsdien aangetoond voor een groot aantal toepassingen.

Biologie als wetenschap is echter veel recenter, aangezien de conceptualisering ervan pas in het begin van de negentiende eeuw plaatsvond dankzij de tussenkomst van Lamarck in de jaren 1800.

De relatie tussen wiskundige en biologische kennis is nauw sinds de vroegste tijden van beschavingen, aangezien de vestiging van nomadische volkeren plaatsvond dankzij de ontdekking dat de natuur systematisch kon worden geëxploiteerd, wat noodzakelijkerwijs de eerste begrippen met zich meebracht. wiskundig en biologisch.

In het begin werden de biologische wetenschappen als "ambachtelijk" beschouwd, aangezien ze voornamelijk verwezen naar populaire activiteiten zoals landbouw of veeteelt; ondertussen ontdekte de wiskunde abstractie en had ze ietwat verre onmiddellijke toepassingen.

De samenvloeiing tussen biologie en wiskunde gaat misschien terug tot de 15e en 16e eeuw, met de komst van de fysiologie, een wetenschap die kennis groepeert, classificeert, ordent en systematiseert, waarbij indien nodig gebruik wordt gemaakt van wiskundige hulpmiddelen.

Thomas Malthus

Het was Thomas Malthus, een tijdgenoot van een econoom met Lamarck, die het precedent schiep voor het begin van de wiskundige biologie, aangezien hij de eerste was die een wiskundig model postuleerde om de populatiedynamiek te verklaren als een functie van natuurlijke hulpbronnen.

De benaderingen van Malthus werden later verder ontwikkeld en uitgewerkt, en vandaag vormen ze de basis van ecologische modellen die bijvoorbeeld worden gebruikt om de relatie tussen roofdieren en hun prooi te verklaren.

Object van studie van wiskundige biologie

Wiskundige biologie is een interdisciplinair wetenschappelijk gebied. Bron: Konstantin Kolosov - Pixabay

Wiskundige biologie is een wetenschap die het resultaat is van de integratie van verschillende wiskundige hulpmiddelen met biologische gegevens, experimenteel of niet, die probeert te profiteren van de 'kracht' van wiskundige methoden om de wereld van levende wezens, hun cellen en van zijn moleculen.

Ongeacht de mate van technologische complexiteit die erbij betrokken is, bestaat wiskundige biologie uit de 'simpele' overweging dat er een analogie is tussen twee processen, namelijk:

- De complexe structuur van een levend wezen is het resultaat van de toepassing van eenvoudige bewerkingen van 'kopiëren' en 'knippen en splitsen' of 'splitsen' (bijvoorbeeld) op een initiële informatie die is vervat in een DNA-sequentie (deoxyribonucleïnezuur ).

- Het resultaat f (ω) van het toepassen van een berekenbare functie op een array w kan worden verkregen door een combinatie van eenvoudige basisfuncties w toe te passen.

Het gebied van de wiskundige biologie past gebieden van de wiskunde toe zoals calculus, waarschijnlijkheidstheorieën, statistiek, lineaire algebra, algebraïsche meetkunde, topologie, differentiaalvergelijkingen, dynamische systemen, combinatoriek en coderingstheorie.

Onlangs werd deze discipline op grote schaal gebruikt voor de kwantitatieve analyse van verschillende soorten gegevens, aangezien de biologische wetenschappen zich hebben toegelegd op het produceren van grote hoeveelheden gegevens waaruit waardevolle informatie kan worden gehaald.

In feite zijn veel onderzoekers van mening dat de grote explosie van biologische gegevens de behoefte heeft "gecreëerd" om nieuwe en complexere wiskundige modellen voor hun analyse te ontwikkelen, evenals aanzienlijk complexere rekenalgoritmen en statistische methoden.

Toepassingen

Een van de belangrijkste toepassingen van wiskundige biologie heeft te maken met de analyse van DNA-sequenties, maar deze wetenschap is ook betrokken bij het modelleren van epidemieën en bij de studie van de voortplanting van zenuwsignalen.

Het is gebruikt om neurologische processen te bestuderen zoals de ziekte van Parkinson, de ziekte van Alzheimer en amyotrofische laterale sclerose.

Het is buitengewoon nuttig voor de studie van evolutionaire processen (theoriseringen) en voor de ontwikkeling van modellen die de relatie van levende wezens met elkaar en met hun omgeving verklaren, dat wil zeggen voor ecologische benaderingen.

Het modelleren en simuleren van verschillende soorten kanker is ook een goed voorbeeld van de vele toepassingen die wiskundige biologie vandaag de dag heeft, vooral met betrekking tot de simulatie van interacties tussen celpopulaties.

Voorbeeld van de analyse van DNA-sequenties die vaak worden gebruikt in genomics (Bron: Radtk172 via Wikimedia Commons)

Biomathematica is ook zeer geavanceerd op het gebied van computationele neurowetenschappen, in de studies van populatiedynamica en van fylogenomica en genomica in het algemeen.

In deze laatste tak van genetica is het van groot belang geweest, aangezien het een van de gebieden is met de hoogste groei in de afgelopen jaren, aangezien de gegevensverzamelingssnelheid extreem hoog is, wat nieuwe en betere technieken verdient voor de verwerking en analyse ervan.

Referenties

1. Andersson, S., Larsson, K., Larsson, M., & Jacob, M. (Eds.). (1999). Biomathematica: wiskunde van biostructuren en biodynamica. Elsevier.
2. Elango, P. (2015). De rol van wiskunde in biologie.
3. Friedman, A. (2010). Wat is wiskundige biologie en hoe nuttig is het? Mededelingen van de AMS, 57 (7), 851-857.
4. Hofmeyr, JHS (2017). Wiskunde en biologie. South African Journal of Science, 113 (3-4), 1-3.
5. Kari, L. (1997). DNA-computing: komst van biologische wiskunde. Mathematical Intelligencer, 19 (2), 9-22.
6. Pacheco Castelao, JM (2000). Wat is wiskundige biologie?
7. Reed, MC (2004). Waarom is wiskundige biologie zo moeilijk? Mededelingen van de AMS, 51 (3), 338-342.
8. Ulam, SM (1972). Enkele ideeën en vooruitzichten in biomathematica. Jaaroverzicht van biofysica en bioengineering, 1 (1), 277-292.