La matematica della vita e della morte è la nostra arma segreta nella lotta contro le malattie

La matematica è la lingua della scienza. Colpisce ovunque, dalla fisica all'ingegneria e alla chimica, aiutandoci a capire le origini dell'universo e costruendo ponti che non crolleranno nel vento. Forse un po 'più sorprendentemente, anche la matematica è sempre più parte integrante della biologia.

Per centinaia di anni la matematica è stata utilizzata, con grande efficacia, per modellare sistemi fisici relativamente semplici. Newton legge universale di gravitazione è un buon esempio. Osservazioni relativamente semplici hanno portato a una regola che, con grande precisione, descrive il movimento dei corpi celesti a miliardi di chilometri di distanza. Tradizionalmente, la biologia è stata vista come troppo complicata per sottoporsi a tale trattamento matematico.

I sistemi biologici sono spesso classificati come "complessi". La complessità in questo senso significa che, a causa della complessa interazione di molte sottocomponenti, i sistemi biologici possono esibire ciò che chiamiamo comportamento emergente - il sistema nel suo insieme dimostra proprietà che i singoli componenti che agiscono da soli non possono. Questa biocomplessità è stata spesso scambiata per vitalismo, l'idea sbagliata secondo cui i processi biologici dipendono da una forza o da un principio distinto dalle leggi della fisica e della chimica. Di conseguenza, è stato assunto che i sistemi biologici complessi non sono suscettibili di trattamento matematico.

C'erano alcuni primi dissidenti. Famoso informatico e codice della seconda guerra mondiale Alan Turing fu uno dei primi a suggerire che i fenomeni biologici potevano essere studiati e compresi matematicamente. In 1952 ha proposto un paio di belle equazioni matematiche che forniscono una spiegazione su come potrebbero formarsi i modelli di pigmentazione sulle mani degli animali.

Non solo il suo lavoro era bello, era anche contro-intuitivo - il tipo di lavoro che solo una mente brillante come quella di Turing avrebbe mai potuto immaginare. Ancora più triste, quindi, che fu trattato così male sotto le draconiane leggi anti-omosessualità del tempo. Dopo un ciclo di trattamento ormonale "correttivo", si è suicidato solo due anni dopo.


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Un campo emergente

Da allora, il campo di biologia matematica è esploso. Negli ultimi anni, procedure sperimentali sempre più dettagliate hanno portato a un enorme afflusso di dati biologici a disposizione degli scienziati. Questi dati vengono utilizzati per generare ipotesi sulla complessità di sistemi biologici precedentemente astrusi. Per verificare queste ipotesi, devono essere scritte sotto forma di un modello che può essere interrogato per determinare se imita correttamente le osservazioni biologiche. La matematica è il linguaggio naturale in cui farlo.

Inoltre, l'avvento e la successiva crescita della capacità computazionale negli ultimi anni 60 ci ha permesso di suggerire e quindi di interrogare complessi modelli matematici di sistemi biologici. La consapevolezza che i sistemi biologici possono essere trattati matematicamente, insieme alla capacità computazionale di costruire e studiare modelli biologici dettagliati, ha portato al drammatico aumento della popolarità della biologia matematica.

La matematica è diventata un'arma vitale nell'arsenale scientifico che dobbiamo affrontare alcune delle questioni più pressanti nella scienza medica, biologica ed ecologica nel 21st secolo. Descrivendo matematicamente i sistemi biologici e quindi utilizzando i modelli risultanti, possiamo ottenere intuizioni che sono impossibili da accedere attraverso gli esperimenti e il ragionamento verbale da soli. La biologia matematica è incredibilmente importante se vogliamo cambiare la biologia da una scienza descrittiva a una predittiva - dandoci potere, ad esempio, per evitare le pandemie o per alterare gli effetti delle malattie debilitanti.

Una nuova arma

Negli ultimi anni 50, ad esempio, i biologi matematici hanno costruito rappresentazioni computazionali sempre più complesse della fisiologia del cuore. Oggi, questi modelli altamente sofisticati vengono utilizzati nel tentativo di comprendere meglio il complicato funzionamento del cuore umano. Le simulazioni al computer della funzione cardiaca ci permettono di fare previsioni su come il cuore interagirà con i farmaci candidati, progettati per migliorare la sua funzione, senza dover intraprendere studi clinici costosi e potenzialmente rischiosi.

Usiamo anche la biologia matematica per studiare la malattia. Su una scala individuale, i ricercatori hanno chiarito i meccanismi attraverso i quali il nostro sistema immunitario combatte con i virus immunologia matematica e ha suggerito potenziali interventi per spostare le scale a nostro favore. Su scala più ampia, i biologi matematici hanno proposto meccanismi che possono essere utilizzati per controllare la diffusione di epidemie mortali come l'ebolae per garantire che le risorse finite dedicate a questo scopo vengano impiegate nel modo più efficiente possibile.

La biologia matematica viene persino utilizzata per informare la politica. Ad esempio, sono state condotte ricerche sulla pesca, utilizzando modelli matematici per fissare quote realistiche al fine di assicurarci non superare i nostri mari e che proteggiamo alcune delle nostre specie più importanti.

L'accresciuta comprensione acquisita adottando un approccio matematico può portare a una migliore comprensione della biologia su una gamma di scale diverse. A il Centro di Biologia Matematica di Bathper esempio, studiamo un numero di pressanti problemi biologici. A un'estremità dello spettro, proviamo a sviluppare strategie per scongiurare il effetti devastanti delle piaghe della locusta comprendente fino a un miliardo di individui. Dall'altro lato, cerchiamo di chiarire i meccanismi che danno origine al corretto sviluppo dell'embrione.

Sebbene la biologia matematica sia stata tradizionalmente il dominio dei matematici applicati, è chiaro che i matematici che si auto-classificano come puri hanno un ruolo da svolgere nella rivoluzione della biologia matematica. La pura disciplina della topologia viene utilizzata per comprendere il problema intricato di imballaggio del DNA e la geometria algebrica viene utilizzata per selezionare il modello più appropriato di reti di interazione biochimica.

Mentre il profilo della biologia matematica continua a crescere, gli scienziati emergenti e affermati provenienti da discipline di tutto lo spettro scientifico saranno attratti per affrontare la vasta gamma di problemi importanti e nuovi che la biologia ha da offrire.

The ConversationL'idea rivoluzionaria di Turing, sebbene non pienamente apprezzata ai suoi tempi, dimostrò che non era necessario fare appello al vitalismo - il dio nella macchina - per comprendere i processi biologici. Le leggi chimiche e fisiche codificate in matematica, o "biologia matematica" come la chiamiamo ora, potrebbero andare bene.

Circa l'autore

Christian Yates, docente di Biologia Matematica, Università di Bath

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation. Leggi il articolo originale.

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