- Història de la biomatemática
- Thomas Malthus
- Objecte d'estudi de la biologia matemàtica
- aplicacions
- referències
La biologia matemàtica o la biomatemática és una branca de la ciència que s'encarrega de el desenvolupament de models numèrics que aconsegueixin simular diferents fenòmens naturals relacionats amb els éssers vius; és a dir, implica l'ús d'eines matemàtiques per a estudiar els sistemes naturals o biològics.
Com es pot entendre del seu nom, la biomatemática és una àrea interdisciplinària, que es troba a la intersecció de coneixements entre la biologia i la matemàtica. Un exemple senzill d'aquesta disciplina podria incloure el desenvolupament de mètodes estadístics per resoldre problemes en l'àrea de la genètica o de l'epidemiologia, per nomenar algunes.
Llei de Lotka-Volterra per a la relació entre depredadors i preses (Font: Curtis Newton ↯ 10:55, 20. abril 2010 (CEST).The original uploader was Lampel at German Wikipedia. Via Wikimedia Commons)
En aquesta àrea de el coneixement és normal que els resultats matemàtics sorgeixin de problemes biològics o siguin emprats per resoldre'ls, no obstant això, alguns investigadors han aconseguit resoldre problemes matemàtics sobre la base de l'observació de fenòmens biològics, de manera que no es tracta d'una relació unidireccional entre els dos camps de la ciència.
De l'anterior es pot assegurar que un problema matemàtic és la fi per al qual es fan servir eines biològiques i viceversa; que un problema biològic és la fi per al qual es fan servir les molt variades eines matemàtiques.
En l'actualitat, el camp de la biologia matemàtica creix a passos accelerats i és considerat una de les més modernes i emocionants aplicacions de les matemàtiques. Té gran utilitat no només en la biologia, sinó en les ciències biomèdiques i en el camp de la biotecnologia.
Història de la biomatemática
La matemàtica i la biologia són dues ciències amb multiplicitat d'aplicacions. Les matemàtiques són potser tan antigues com la cultura occidental, el seu origen es remunta a molts anys abans de Crist i la seva utilitat ha estat demostrada des de llavors per a gran quantitat d'aplicacions.
La biologia com a ciència, però, és força més recent, ja que la seva conceptualització no va ocórrer sinó fins a principis de segle XIX gràcies a la intervenció de Lamarck, pels anys 1800.
La relació dels coneixements matemàtics i biològics és estreta des dels primers temps de les civilitzacions, ja que l'assentament dels pobles nòmades va tenir lloc gràcies a la descoberta que la naturalesa podia ser explotada sistemàticament, el que obligatòriament va haver d'haver involucrat les primeres nocions matemàtiques i biològiques.
En els seus principis, les ciències biològiques eren considerades "artesanals", ja que es referien principalment a activitats populars com l'agricultura o la ramaderia; mentrestant les matemàtiques descobrien l'abstracció i tenien aplicacions immediates una mica distants.
La confluència entre la biologia i la matemàtica es remunta, potser, als segles XV i XVI, amb l'adveniment de la fisiologia, que és una ciència que agrupa coneixements, classificant, ordenant-los i sistematitzant fent ús d'eines matemàtiques quan cal.
Thomas Malthus
Va ser Thomas Malthus, un economista contemporani amb Lamarck, qui va el precedent per al començament de la biologia matemàtica, ja que va ser el primer a postular un model matemàtic per explicar la dinàmica poblacional en funció dels recursos naturals.
Els plantejaments de Malthus van ser posteriorment més desenvolupats i elaborats, i avui dia són part de l'fonament dels models ecològics que s'empren per explicar la relació entre els depredadors i les seves preses, per exemple.
Objecte d'estudi de la biologia matemàtica
La biologia matemàtica és una àrea científica interdisciplinària. Font: Konstantin Kolosov - Pixabay
La biologia matemàtica és una ciència que resulta de la integració de diferents eines matemàtiques amb dades biològiques, experimentals o no, que busca aprofitar la "potència" dels mètodes matemàtics per explicar de millor manera el món dels éssers vius, de les seves cèl·lules i de les seves molècules.
Sense importar el grau de complexitat tecnològica involucrat, la biologia matemàtica consisteix en la "simple" consideració que hi ha una analogia entre dos processos, que són:
- La complexa estructura d'un ésser viu és el resultat de l'aplicació d'operacions senzilles de "copiat" i "tall i entroncament" o "splicing" (per exemple) a una informació inicial que està continguda en una seqüència d'ADN (àcid desoxiribonucleic).
- El resultat f (ω) de l'aplicació d'una funció computable a un acord w pot ser obtingut a l'aplicar una combinació de funcions bàsiques simples aw.
El camp de la biologia matemàtica aplica àrees de la matemàtica com el càlcul, les teories de probabilitats, l'estadística, l'àlgebra lineal, la geometria algebraica, la topologia, les equacions diferencials, els sistemes dinàmics, la combinatòria i la teoria de codificació.
Recentment aquesta disciplina ha estat molt explotada per l'anàlisi quantitativa de diferents tipus de dades, ja que les ciències biològiques s'han dedicat a produir grans masses de dades dels quals es pot extreure valuosa informació.
De fet, molts investigadors consideren que la gran explosió de dades biològiques "va crear" la necessitat de desenvolupar nous i més complexos models matemàtics per a la seva anàlisi, així com algoritmes computacionals i mètodes estadístics considerablement més complexos.
aplicacions
Una de les aplicacions més significatives de la biologia matemàtica té a veure amb l'anàlisi de seqüències d'ADN, però aquesta ciència també està implicada en el modelatge d'epidèmies i en l'estudi de la propagació de senyals nerviosos.
Ha estat emprada per a l'estudi de processos neurològics com la malaltia de Parkinson, l'Alzheimer i l'esclerosi lateral amiotròfica, per exemple.
És de gran utilitat per a l'estudi dels processos evolutius (teoritzacions) i per al desenvolupament de models que expliquin la relació dels éssers vius entre si i amb el seu entorn, és a dir, per plantejaments ecològics.
El modelatge i la simulació de diferents tipus de càncers també és un bon exemple de les múltiples aplicacions que té la biologia matemàtica avui dia, especialment pel que fa a la simulació de les interaccions entre poblacions cel·lulars.
Exemple de l'anàlisi de les seqüències d'ADN comunament emprat en la genòmica (Font: Radtk172 via Wikimedia Commons)
La biomatemática també està molt avançada en l'àrea de neurociència computacional, en els estudis de dinàmiques poblacionals i de filogenòmica i genòmica en general.
En aquesta última branca de la genètica ha estat de gran rellevància, ja que es tracta d'una de les àrees amb major creixement en els darrers anys, ja que la taxa d'obtenció de dades és summament alta, el que mereix de noves i millors tècniques per el seu processament i anàlisi.
referències
- Andersson, S., Larsson, K., Larsson, M., & Jacob, M. (Eds.). (1999). Biomathematics: mathematics of biostructures and biodynamics. Elsevier.
- Elango, P. (2015). El rol dels Mathematics in Biology.
- Friedman, A. (2010). Què és el mathematical biology and how useful is it. Notices of the AMS, 57 (7), 851-857.
- Hofmeyr, JHS (2017). Mathematics and biology. South African Journal of Science, 113 (3-4), 1-3.
- Kari, L. (1997). DNA computing: arrival of biological mathematics. Matemàtiques Intelligencer, 19 (2), 9-22.
- Pacheco Castelao, JM (2000). Què és la biologia matemàtica?
- Reed, MC (2004). Why is mathematical biology so hard? Notices of the AMS, 51 (3), 338-342.
- Ulam, SM (1972). Some idees and prospects in biomathematics. Annual review of Biophysics and Bioengineering, 1 (1), 277-292.