و علم الأحياء الحسابي أو الرياضيات البيولوجية هي فرع من العلوم التي هي المسؤولة عن تطوير النماذج العددية التي تحاكي مختلف الظواهر الطبيعية الحصول تتعلق الكائنات الحية. أي أنها تنطوي على استخدام الأدوات الرياضية لدراسة النظم الطبيعية أو البيولوجية.
كما يمكن أن يُفهم من اسمها ، فإن الرياضيات الحيوية هي مجال متعدد التخصصات ، يقع عند تقاطع المعرفة بين علم الأحياء والرياضيات. يمكن أن يتضمن مثال بسيط لهذا التخصص تطوير طرق إحصائية لحل المشكلات في مجال علم الوراثة أو علم الأوبئة ، على سبيل المثال لا الحصر.
قانون Lotka-Volterra للعلاقة بين الحيوانات المفترسة والفريسة (المصدر: Curtis Newton ↯ 10:55 ، 20. أبريل 2010 (CEST). كان القائم بالتحميل الأصلي Lämpel في Wikipedia الألمانية. عبر Wikimedia Commons)
في مجال المعرفة هذا ، من الطبيعي أن تنشأ النتائج الرياضية من مشاكل بيولوجية أو تُستخدم لحلها ، ومع ذلك ، فقد تمكن بعض الباحثين من حل المشكلات الرياضية بناءً على ملاحظة الظواهر البيولوجية ، لذلك فهي ليست علاقة أحادية الاتجاه بين مجالي العلوم.
مما سبق يمكن التأكد من أن المشكلة الرياضية هي الغرض من استخدام الأدوات البيولوجية والعكس صحيح ؛ أن المشكلة البيولوجية هي الغرض الذي تستخدم من أجله العديد من الأدوات الرياضية المختلفة.
اليوم ، ينمو مجال علم الأحياء الرياضي بسرعة ويعتبر أحد أكثر تطبيقات الرياضيات حداثة وإثارة. إنه مفيد للغاية ليس فقط في علم الأحياء ، ولكن في العلوم الطبية الحيوية وفي مجال التكنولوجيا الحيوية.
تاريخ الرياضيات الحيوية
الرياضيات والبيولوجيا علمان لهما تطبيقات متعددة. ربما تكون الرياضيات قديمة قدم الثقافة الغربية ، ويعود أصلها إلى سنوات عديدة قبل المسيح ، ومنذ ذلك الحين تم إثبات فائدتها في عدد كبير من التطبيقات.
ومع ذلك ، فإن علم الأحياء كعلم أكثر حداثة ، حيث لم يحدث تصوره حتى أوائل القرن التاسع عشر بفضل تدخل لامارك ، في القرن التاسع عشر.
العلاقة بين المعرفة الرياضية والبيولوجية وثيقة منذ العصور الأولى للحضارات ، حيث تم توطين الشعوب البدوية بفضل اكتشاف أن الطبيعة يمكن استغلالها بشكل منهجي ، والذي كان يجب بالضرورة أن يتضمن المفاهيم الأولى الرياضية والبيولوجية.
في بداياتها ، كانت العلوم البيولوجية تعتبر "حرفية" لأنها تشير بشكل أساسي إلى الأنشطة الشعبية مثل الزراعة أو الثروة الحيوانية ؛ في غضون ذلك ، اكتشفت الرياضيات التجريد وكان لها تطبيقات فورية بعيدة إلى حد ما.
يعود التقاء علم الأحياء والرياضيات ، ربما ، إلى القرنين الخامس عشر والسادس عشر ، مع ظهور علم وظائف الأعضاء ، وهو علم يجمع المعرفة معًا ويصنفها ويرتبها وينظمها ، ويستفيد من الأدوات الرياضية عند الضرورة.
توماس مالتوس
كان توماس مالتوس ، الاقتصادي المعاصر لامارك ، هو من وضع سابقة لبداية علم الأحياء الرياضي ، حيث كان أول من افترض نموذجًا رياضيًا لشرح ديناميكيات السكان كدالة للموارد الطبيعية.
تم تطوير مناهج Malthus لاحقًا وتفصيلها ، وهي اليوم جزء من أساس النماذج البيئية التي تُستخدم لشرح العلاقة بين الحيوانات المفترسة وفرائسها ، على سبيل المثال.
موضوع دراسة علم الأحياء الرياضي
علم الأحياء الرياضي هو مجال علمي متعدد التخصصات. المصدر: كونستانتين كولوسوف - بيكساباي
علم الأحياء الرياضي هو علم ينتج عن تكامل أدوات رياضية مختلفة مع البيانات البيولوجية ، تجريبية أم لا ، ويسعى إلى الاستفادة من "قوة" الأساليب الرياضية لشرح عالم الكائنات الحية وخلاياها و من جزيئاته.
بغض النظر عن درجة التعقيد التكنولوجي المتضمنة ، تتكون البيولوجيا الرياضية من اعتبار "بسيط" مفاده أن هناك تشابه بين عمليتين ، وهما:
- التركيب المعقد للكائن الحي هو نتيجة لتطبيق عمليات بسيطة مثل "النسخ" و "القطع والربط" أو "التضفير" (على سبيل المثال) على معلومات أولية موجودة في تسلسل الحمض النووي (حمض الديوكسي ريبونوكلييك)).
- يمكن الحصول على نتيجة f (ω) لتطبيق دالة حسابية على مصفوفة w من خلال تطبيق مجموعة من الوظائف الأساسية البسيطة w.
يطبق مجال علم الأحياء الرياضي مجالات الرياضيات مثل حساب التفاضل والتكامل ، ونظريات الاحتمالات ، والإحصاء ، والجبر الخطي ، والهندسة الجبرية ، والطوبولوجيا ، والمعادلات التفاضلية ، والأنظمة الديناميكية ، والتوافقيات ، ونظرية الترميز.
في الآونة الأخيرة ، تم استغلال هذا التخصص على نطاق واسع للتحليل الكمي لأنواع مختلفة من البيانات ، حيث تم تخصيص العلوم البيولوجية لإنتاج كميات كبيرة من البيانات التي يمكن استخراج المعلومات القيمة منها.
في الواقع ، يرى العديد من الباحثين أن الانفجار الهائل للبيانات البيولوجية "خلق" الحاجة إلى تطوير نماذج رياضية جديدة وأكثر تعقيدًا لتحليلها ، بالإضافة إلى خوارزميات حسابية وطرق إحصائية أكثر تعقيدًا.
التطبيقات
يتعلق أحد أهم تطبيقات البيولوجيا الرياضية بتحليل تسلسل الحمض النووي ، ولكن هذا العلم يشارك أيضًا في نمذجة الأوبئة وفي دراسة انتشار الإشارات العصبية.
وقد تم استخدامه لدراسة العمليات العصبية مثل مرض باركنسون ومرض الزهايمر والتصلب الجانبي الضموري ، على سبيل المثال.
إنه مفيد للغاية لدراسة العمليات التطورية (التنظير) ولتطوير النماذج التي تشرح علاقة الكائنات الحية ببعضها البعض ومع بيئتها ، أي للنُهج البيئية.
تعد نمذجة ومحاكاة أنواع مختلفة من السرطانات أيضًا مثالًا جيدًا على العديد من التطبيقات التي تمتلكها البيولوجيا الرياضية اليوم ، خاصة فيما يتعلق بمحاكاة التفاعلات بين مجموعات الخلايا.
مثال على تحليل تسلسل الحمض النووي المستخدم بشكل شائع في علم الجينوم (المصدر: Radtk172 عبر ويكيميديا كومنز)
تعتبر الرياضيات الحيوية أيضًا متقدمة جدًا في مجال علم الأعصاب الحسابي ، في دراسات الديناميات السكانية وعلم الجينوميات وعلم الجينوم بشكل عام.
في هذا الفرع الأخير من علم الوراثة ، كان له أهمية كبيرة ، لأنه أحد المجالات التي شهدت أعلى نمو في السنوات الأخيرة ، نظرًا لأن معدل جمع البيانات مرتفع للغاية ، وهو ما يستحق تقنيات جديدة وأفضل من أجل معالجتها وتحليلها.
المراجع
- Andersson، S.، Larsson، K.، Larsson، M.، & Jacob، M. (Eds.). (1999). الرياضيات الحيوية: رياضيات البنى الحيوية والديناميكا الحيوية. إلسفير.
- إلانجو ، ب. (2015). دور الرياضيات في علم الأحياء.
- فريدمان ، أ. (2010). ما هي البيولوجيا الرياضية وما مدى فائدتها. إشعارات AMS، 57 (7)، 851-857.
- هوفمير ، جي إتش إس (2017). الرياضيات وعلم الأحياء. مجلة جنوب إفريقيا للعلوم ، 113 (3-4) ، 1-3.
- كاري ، إل (1997). حوسبة الحمض النووي: وصول الرياضيات البيولوجية. مخبر رياضي ، 19 (2) ، 9-22.
- باتشيكو كاستيلاو ، جي إم (2000). ما هو علم الأحياء الرياضي؟
- ريد ، MC (2004). لماذا تعتبر البيولوجيا الرياضية صعبة للغاية؟ إشعارات AMS، 51 (3)، 338-342.
- أولام ، SM (1972). بعض الأفكار والآفاق في الرياضيات الحيوية. المراجعة السنوية للفيزياء الحيوية والهندسة الحيوية ، 1 (1) ، 277-292.