Matematik är vetenskapens språk. Det växer upp överallt från fysik till teknik och kemi - hjälper oss att förstå universums ursprung och bygga broar som inte kommer att kollapsa i vinden. Kanske lite mer överraskande är matematiken också alltmer integrerad i biologi.

I hundratals år har matematik använts, med stor effekt, för att modellera relativt enkla fysiska system. Newtons universell lag av gravitation är ett bra exempel. Relativt enkla observationer ledde till en regel som med stor noggrannhet beskriver rörelsen av himmelska kroppar miljarder kilometer bort. Traditionellt har biologi betraktats som för komplicerat för att underkasta sig sådan matematisk behandling.

Biologiska system klassificeras ofta som "komplexa". Komplexiteten i den meningen innebär att biologiska system på grund av den komplicerade interaktionen av många delkomponenter kan uppvisa det som vi kallar framväxande beteenden - systemet som helhet visar egenskaper som de enskilda komponenterna som inte verkar ensamma. Denna biokomplexitet har ofta misstagen vitalism, missuppfattningen att biologiska processer är beroende av en kraft eller princip som skiljer sig från fysik och kemi lagar. Följaktligen har det antagits att komplexa biologiska system inte är mottagliga för matematisk behandling.

Det fanns några tidiga dissenters. Känd datavetenskapare och andra världskrigets kodbrytare Alan Turing var en av de första som föreslog att biologiska fenomen kunde studeras och förstås matematiskt. I 1952 föreslog han ett par vackra matematiska ekvationer som ger en förklaring till hur pigmenteringsmönster kan bildas på djurens rockar.

Inte bara var hans arbete vackert, det var också kontraintuitivt - det slags arbete som bara ett strålande sinne som Turing hade någonsin kunnat drömma om. Ännu mer av synd, då att han var så dåligt behandlad under tiden drakoniska anti-homosexualitetslagarna. Efter en kurs av "korrigerande" hormonbehandling dödade han sig bara två år senare.

Ett framväxande fält

Sedan dess är området för matematisk biologi har exploderat. Under de senaste åren har alltmer detaljerade experimentella förfaranden lett till en enorm tillströmning i de biologiska data som finns tillgängliga för forskare. Dessa data används för att generera hypoteser om komplexiteten hos tidigare abströsa biologiska system. För att testa dessa hypoteser måste de skrivas ner i form av en modell som kan ifrågasättas för att avgöra om den korrekt efterliknar de biologiska observationerna. Matematik är det naturliga språket för att göra detta.

Dessutom har tillkomsten av och efterföljande ökning av beräkningsförmåga under de senaste 60-åren gjort det möjligt för oss att föreslå och sedan ifrågasätta komplexa matematiska modeller av biologiska system. Förståelsen att biologiska system kan behandlas matematiskt, i kombination med beräkningsförmågan att bygga och undersöka detaljerade biologiska modeller, har lett till den dramatiska ökningen av matematisk biologiens popularitet.

Matematik har blivit ett viktigt vapen i den vetenskapliga armoryen vi måste ta itu med några av de mest pressande frågorna inom medicinsk, biologisk och ekologisk vetenskap i det 21-talet. Genom att beskriva biologiska system matematiskt och sedan använda de resulterande modellerna kan vi få insikter som är omöjliga att komma åt om experiment och verbal resonemang ensam. Matematisk biologi är oerhört viktigt om vi vill byta biologi från en beskrivande till en prediktiv vetenskap - ge oss makt, till exempel för att avvärja pandemier eller att förändra effekterna av försvagande sjukdomar.

Ett nytt vapen

Under de senaste 50-åren har matematiska biologer till exempel byggt upp alltmer komplexa beräkningar av hjärtets fysiologi. Idag används dessa mycket sofistikerade modeller i ett försök att förstå bättre det komplicerade funktionen hos det mänskliga hjärtat. Datorsimuleringar av hjärtfunktionen gör det möjligt för oss att göra förutsägelser om hur hjärtat ska interagera med kandidatdroger, utformade för att förbättra sin funktion utan att behöva göra dyra och potentiellt riskabla kliniska prövningar.

Vi använder matematisk biologi för att studera sjukdomar också. I en individuell skala har forskare belysat de mekanismer genom vilka våra immunförsvar strider mot virus matematisk immunologi och föreslog potentiella insatser för att tippa skalorna till vår fördel. I en större skala har matematiska biologer föreslagit mekanismer som kan användas för att styra spridningen av dödliga epidemier som Ebola, och för att säkerställa att de ändamålsenliga resurserna avsedda för detta ändamål används på bästa möjliga sätt.

Matematisk biologi används till och med för att informera politiken. Det har gjorts forskning kring fiske, till exempel genom att använda matematisk modellering för att fastställa realistiska kvoter för att säkerställa oss överfiska inte våra hav och att vi skyddar några av våra viktigaste arter.

Den ökade förståelsen som uppnås genom att ta matematisk tillvägagångssätt kan leda till bättre förståelse av biologi vid en rad olika skalor. På Centrum för matematisk biologi i Bath, till exempel studerar vi ett antal pressande biologiska problem. Vid ena änden av spektret försöker vi utveckla strategier för att avvärja förödande effekter av johannesbrödsplagor bestående av upp till en miljard individer. I andra änden försöker vi att belysa de mekanismer som ger upphov till det rätta utveckling av embryot.

Även om matematisk biologi traditionellt varit domänen för tillämpade matematiker är det uppenbart att matematiker som självklassificerar som rena har en roll att spela i den matematiska biologiska revolutionen. Den topologiska rena disciplinen används för att förstå knottigt problem med DNA-packning och algebraisk geometri används för att välja den mest lämpliga modellen av biokemiska interaktionsnät.

Eftersom profilen för matematisk biologi fortsätter att stiga kommer framväxande och etablerade vetenskapsmän från discipliner över det vetenskapliga spektret att dras för att ta itu med det rika utbudet av viktiga och nya problem som biologin har att erbjuda.

Turings revolutionära idé, men inte fullt ut uppskattad i sin tid, visade att det inte var nödvändigt att överklaga vitalismen - guden i maskinen - för att förstå biologiska processer. Kemiska och fysiska lagar som kodas i matematik, eller "matematisk biologi" som vi nu kallar det, skulle kunna göra bra.

Om författaren

Christian Yates, föreläsare i matematisk biologi, University of Bath

Den här artikeln publicerades ursprungligen den Avlyssningen. Läs ursprungliga artikeln.

Relaterade böcker:

at InnerSelf Market och Amazon