The biologi matematik atau biomathematics ialah cabang sains yang bertanggungjawab untuk pembangunan model berangka yang mensimulasikan berbeza get fenomena semula jadi yang berkaitan dengan makhluk hidup; iaitu, ia melibatkan penggunaan alat matematik untuk mengkaji sistem semula jadi atau biologi.
Seperti yang dapat difahami dari namanya, biomathematics adalah bidang interdisipliner, yang terletak di persimpangan pengetahuan antara biologi dan matematik. Contoh sederhana dari disiplin ini boleh merangkumi pengembangan kaedah statistik untuk menyelesaikan masalah dalam bidang genetik atau epidemiologi, untuk beberapa nama.
Undang-undang Lotka-Volterra untuk hubungan antara pemangsa dan mangsa (Sumber: Curtis Newton ↯ 10:55, 20. Apr. 2010 (CEST). Pengunggah asal adalah Lämpel di Wikipedia Jerman. Melalui Wikimedia Commons)
Dalam bidang pengetahuan ini, adalah normal bagi hasil matematik yang timbul dari masalah biologi atau digunakan untuk menyelesaikannya, namun, sebilangan penyelidik berjaya menyelesaikan masalah matematik berdasarkan pemerhatian fenomena biologi, jadi ini bukan hubungan searah antara kedua-dua bidang sains.
Dari perkara di atas dapat dipastikan bahawa masalah matematik adalah tujuan penggunaan alat biologi dan sebaliknya; bahawa masalah biologi adalah tujuan di mana pelbagai alat matematik digunakan.
Kini, bidang biologi matematik berkembang dengan pesat dan dianggap sebagai salah satu aplikasi matematik yang paling moden dan menarik. Ia sangat berguna bukan hanya dalam bidang biologi, tetapi dalam sains bioperubatan dan bidang bioteknologi.
Sejarah biomatematik
Matematik dan biologi adalah dua sains dengan banyaknya aplikasi. Matematik mungkin sama tua dengan budaya Barat, asalnya sejak bertahun-tahun sebelum Kristus, dan kegunaannya telah ditunjukkan untuk sebilangan besar aplikasi.
Biologi sebagai sains, bagaimanapun, jauh lebih baru, kerana konsepnya tidak terjadi hingga awal abad kesembilan belas berkat campur tangan Lamarck, pada tahun 1800-an.
Hubungan antara pengetahuan matematik dan biologi erat sejak zaman peradaban awal, sejak penempatan orang-orang nomaden terjadi berkat penemuan bahawa alam dapat dieksploitasi secara sistematik, yang semestinya harus melibatkan konsep pertama matematik dan biologi.
Pada awalnya, ilmu biologi dianggap "tukang", kerana mereka merujuk terutamanya kepada aktiviti popular seperti pertanian atau penternakan; sementara itu matematik mendapati pengabstrakan dan mempunyai aplikasi langsung yang agak jauh.
Pertemuan antara biologi dan matematik bermula pada abad ke-15 dan ke-16, dengan kedatangan fisiologi, yang merupakan sains yang mengumpulkan pengetahuan, mengklasifikasikan, menyusun dan mensistematikkannya, menggunakan alat matematik apabila perlu.
Thomas Malthus
Thomas Malthus, ahli ekonomi kontemporari dengan Lamarck, yang menetapkan preseden untuk permulaan biologi matematik, kerana dia adalah orang pertama yang mendalilkan model matematik untuk menjelaskan dinamika populasi sebagai fungsi sumber semula jadi.
Pendekatan Malthus kemudian dikembangkan dan dihuraikan lebih jauh, dan hari ini mereka adalah sebahagian daripada asas model ekologi yang digunakan untuk menjelaskan hubungan antara pemangsa dan mangsanya, misalnya.
Objektif kajian biologi matematik
Biologi matematik adalah bidang saintifik antara disiplin. Sumber: Konstantin Kolosov - Pixabay
Biologi matematik adalah sains yang dihasilkan dari penyatuan alat matematik yang berbeza dengan data biologi, eksperimental atau tidak, yang berusaha memanfaatkan "kekuatan" kaedah matematik untuk menjelaskan dunia makhluk hidup dengan lebih baik, sel dan molekulnya.
Tidak kira tahap kerumitan teknologi yang terlibat, biologi matematik terdiri daripada pertimbangan "sederhana" bahawa terdapat analogi antara dua proses, iaitu:
- Struktur makhluk hidup yang kompleks adalah hasil penerapan operasi sederhana "menyalin" dan "memotong dan menyambung" atau "menyambung" (misalnya) ke maklumat awal yang terkandung dalam urutan DNA (asid deoksiribonukleik ).
- Hasil f (ω) penerapan fungsi yang dapat dikira pada array w dapat diperoleh dengan menerapkan kombinasi fungsi asas sederhana w.
Bidang biologi matematik menerapkan bidang matematik seperti kalkulus, teori kebarangkalian, statistik, aljabar linear, geometri aljabar, topologi, persamaan pembezaan, sistem dinamik, kombinatorik, dan teori pengekodan.
Baru-baru ini disiplin ini telah dieksploitasi secara meluas untuk analisis kuantitatif dari pelbagai jenis data, kerana sains biologi telah didedikasikan untuk menghasilkan sejumlah besar data dari mana maklumat berharga dapat diambil.
Sebenarnya, banyak penyelidik menganggap bahawa ledakan besar data biologi "mencipta" keperluan untuk mengembangkan model matematik baru dan lebih kompleks untuk analisis mereka, serta algoritma pengkomputeran dan kaedah statistik yang jauh lebih kompleks.
Permohonan
Salah satu aplikasi biologi matematik yang paling penting ada kaitannya dengan analisis urutan DNA, tetapi sains ini juga terlibat dalam pemodelan wabak dan dalam kajian penyebaran isyarat saraf.
Telah digunakan untuk mengkaji proses neurologi seperti penyakit Parkinson, penyakit Alzheimer dan sklerosis lateral amyotrophic.
Ia sangat berguna untuk kajian proses evolusi (teori) dan untuk pengembangan model yang menjelaskan hubungan makhluk hidup antara satu sama lain dan dengan persekitarannya, iaitu untuk pendekatan ekologi.
Pemodelan dan simulasi pelbagai jenis kanser juga merupakan contoh yang baik dari banyak aplikasi yang dimiliki oleh biologi matematik hari ini, terutama berkaitan dengan simulasi interaksi antara populasi sel.
Contoh analisis urutan DNA yang biasa digunakan dalam genomik (Sumber: Radtk172 melalui Wikimedia Commons)
Biomathematics juga sangat maju dalam bidang ilmu saraf komputasi, dalam kajian mengenai dinamika populasi dan filogenomik dan genomik secara umum.
Dalam cabang genetik terakhir ini sangat relevan, kerana merupakan salah satu bidang dengan pertumbuhan tertinggi dalam beberapa tahun terakhir, kerana kadar pengumpulan data sangat tinggi, yang memerlukan teknik baru dan lebih baik untuk pemprosesan dan analisisnya.
Rujukan
- Andersson, S., Larsson, K., Larsson, M., & Jacob, M. (Eds.). (1999). Biomathematics: matematik biostruktur dan biodinamik. Elsevier.
- Elango, P. (2015). Peranan Matematik dalam Biologi.
- Friedman, A. (2010). Apa itu biologi matematik dan betapa bergunanya. Pemberitahuan mengenai AMS, 57 (7), 851-857.
- Hofmeyr, JHS (2017). Matematik dan biologi. Jurnal Sains Afrika Selatan, 113 (3-4), 1-3.
- Kari, L. (1997). Pengkomputeran DNA: kedatangan matematik biologi. Perintis Matematik, 19 (2), 9-22.
- Pacheco Castelao, JM (2000). Apa itu biologi matematik?
- Reed, MC (2004). Mengapa biologi matematik begitu sukar? Pemberitahuan mengenai AMS, 51 (3), 338-342.
- Ulam, SM (1972). Beberapa idea dan prospek dalam biomatematik. Kajian tahunan biofizik dan bioengineering, 1 (1), 277-292.