Inhaltsverzeichnis:

Die Mathematik Von Leben Und Tod: Unsere Geheimwaffe Im Kampf Gegen Krankheiten
Die Mathematik Von Leben Und Tod: Unsere Geheimwaffe Im Kampf Gegen Krankheiten

Video: Die Mathematik Von Leben Und Tod: Unsere Geheimwaffe Im Kampf Gegen Krankheiten

Video: SKANDAL: Bundestagspräsidentin rastet aus! 2022, Dezember
Anonim

Die Mathematik spielt eine immer wichtigere Rolle in der Biologie, da detailliertere Experimente in den letzten Jahren zu einem enormen Zustrom biologischer Daten geführt haben.

Die Mathematik von Leben und Tod: Unsere Geheimwaffe im Kampf gegen Krankheiten
Die Mathematik von Leben und Tod: Unsere Geheimwaffe im Kampf gegen Krankheiten

Der folgende Aufsatz wurde mit Genehmigung von The Conversation, einer Online-Publikation mit den neuesten Forschungsergebnissen, abgedruckt.

Mathematik ist die Sprache der Wissenschaft. Es taucht überall auf, von Physik über Ingenieurwesen bis hin zu Chemie. Es hilft uns, die Ursprünge des Universums zu verstehen und Brücken zu bauen, die nicht im Wind zusammenbrechen. Vielleicht etwas überraschender ist, dass Mathematik auch zunehmend ein wesentlicher Bestandteil der Biologie ist.

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

Biologische Systeme werden oft als „komplex“eingestuft. Komplexität in diesem Sinne bedeutet, dass biologische Systeme aufgrund des komplizierten Zusammenspiels vieler Unterkomponenten das zeigen können, was wir als emergentes Verhalten bezeichnen - das Gesamtsystem zeigt Eigenschaften, die die einzelnen Komponenten, die alleine wirken, nicht können. Diese Biokomplexität wurde oft mit Vitalismus verwechselt, dem Missverständnis, dass biologische Prozesse von einer Kraft oder einem Prinzip abhängen, 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 Andersdenkende. Der berühmte Informatiker und Codebrecher des Zweiten Weltkriegs, Alan Turing, war einer der ersten, der vorschlug, dass biologische Phänomene mathematisch untersucht und verstanden werden könnten. 1952 schlug er ein Paar schöner mathematischer Gleichungen vor, die eine Erklärung dafür liefern, wie sich Pigmentmuster auf Tiermänteln bilden könnten.

Seine Arbeit war nicht nur schön, sondern auch kontraintuitiv - eine Arbeit, die sich nur ein brillanter Geist wie Turings jemals hätte ausdenken können. Noch schade, dass er nach den damaligen drakonischen Anti-Homosexualitätsgesetzen so schlecht behandelt wurde. Nach einer „korrigierenden“Hormonbehandlung tötete er sich nur zwei Jahre später.

Ein aufstrebendes Feld

Seitdem ist das Gebiet der mathematischen Biologie explodiert. In den letzten Jahren haben immer detailliertere experimentelle Verfahren zu einem enormen Zustrom von biologischen Daten geführt, die Wissenschaftlern zur Verfügung stehen. Diese Daten werden verwendet, um Hypothesen über die Komplexität zuvor 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 nachahmt. Mathematik ist die natürliche Sprache dafür.

Das Aufkommen und die anschließende Steigerung der Rechenfähigkeit in den letzten 60 Jahren haben es uns außerdem ermöglicht, komplexe mathematische Modelle biologischer Systeme vorzuschlagen und anschließend abzufragen. Die Erkenntnis, dass biologische Systeme mathematisch behandelt werden können, verbunden mit der rechnerischen Fähigkeit, detaillierte biologische Modelle zu erstellen und zu untersuchen, hat zu einem dramatischen Anstieg der Popularität der mathematischen Biologie geführt.

Mathematik ist zu einer wichtigen Waffe in der wissenschaftlichen Waffenkammer geworden. Wir müssen uns mit einigen der dringlichsten Fragen der medizinischen, biologischen und ökologischen Wissenschaft im 21. Jahrhundert befassen. Indem wir biologische Systeme mathematisch beschreiben und dann die resultierenden Modelle verwenden, können wir Erkenntnisse gewinnen, auf die nur durch Experimente und verbales Denken allein zugegriffen werden kann. Die mathematische Biologie ist unglaublich wichtig, wenn wir die Biologie von einer beschreibenden in eine prädiktive Wissenschaft verwandeln wollen - und uns beispielsweise die Möglichkeit geben, Pandemien abzuwenden oder die Auswirkungen schwächender Krankheiten zu verändern.

Eine neue Waffe

In den letzten 50 Jahren haben beispielsweise mathematische Biologen immer komplexere rechnerische Darstellungen der Physiologie des Herzens erstellt. Heute werden diese hoch entwickelten Modelle verwendet, um die komplizierte Funktionsweise des menschlichen Herzens besser zu verstehen. Mithilfe von Computersimulationen der Herzfunktion können wir Vorhersagen darüber treffen, wie das Herz mit Wirkstoffkandidaten interagieren wird, um seine Funktion zu verbessern, ohne teure und möglicherweise riskante klinische Studien durchführen zu müssen.

Wir verwenden die mathematische Biologie auch, um Krankheiten zu untersuchen. Auf individueller Ebene haben Forscher die Mechanismen aufgeklärt, mit denen unser Immunsystem durch mathematische Immunologie mit Viren kämpft, und mögliche Interventionen vorgeschlagen, um die Skalen zu unseren Gunsten zu kippen. In größerem Maßstab haben mathematische Biologen Mechanismen vorgeschlagen, mit denen die Ausbreitung tödlicher Epidemien wie Ebola kontrolliert und sichergestellt werden kann, dass die für diesen Zweck vorgesehenen begrenzten Ressourcen so effizient wie möglich eingesetzt werden.

Die mathematische Biologie wird sogar zur Information der Politik verwendet. Es wurden beispielsweise Untersuchungen zur Fischerei durchgeführt, bei denen mithilfe mathematischer Modelle realistische Quoten festgelegt wurden, um sicherzustellen, dass wir unsere Meere nicht überfischen und einige unserer wichtigsten Arten schützen.

Das durch einen mathematischen Ansatz gewonnene Verständnis kann zu einem besseren Verständnis der Biologie in verschiedenen Maßstäben führen. Am Zentrum für mathematische Biologie in Bath untersuchen wir beispielsweise eine Reihe dringender biologischer Probleme. An einem Ende des Spektrums versuchen wir Strategien zu entwickeln, um die verheerenden Auswirkungen von Heuschreckenplagen mit bis zu einer Milliarde Menschen abzuwenden. Am anderen Ende versuchen wir, die Mechanismen aufzuklären, die zur korrekten Entwicklung des Embryos führen.

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

Während das Profil der mathematischen Biologie weiter zunimmt, werden aufstrebende und etablierte Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen des wissenschaftlichen Spektrums angezogen, um das breite Spektrum wichtiger und neuartiger Probleme anzugehen, die die Biologie zu bieten hat.

Turings revolutionäre Idee, obwohl zu seiner Zeit nicht vollständig gewürdigt, zeigte, dass es nicht notwendig war, den Vitalismus - den Gott in der Maschine - anzusprechen, um biologische Prozesse zu verstehen. Chemische und physikalische Gesetze, die in der Mathematik oder in der „mathematischen Biologie“, wie wir sie jetzt nennen, kodiert sind, könnten gut funktionieren.

Beliebt nach Thema