Matematika adalah bahasa sains. Ini bermunculan di mana-mana dari fisika hingga teknik dan kimia - membantu kita dalam memahami asal usul alam semesta dan membangun jembatan yang tidak akan runtuh dalam angin. Mungkin sedikit lebih mengherankan, matematika juga semakin terpisahkan dengan biologi.

Selama ratusan tahun matematika telah digunakan, sangat berpengaruh, untuk memodelkan sistem fisik yang relatif sederhana. Newton hukum gravitasi universal adalah contoh bagus. Pengamatan yang relatif sederhana menghasilkan sebuah peraturan yang, dengan sangat akurat, menggambarkan gerak benda angkasa miliaran mil jauhnya. Secara tradisional, biologi dipandang terlalu rumit untuk tunduk pada perlakuan matematis semacam itu.

Sistem biologis sering diklasifikasikan sebagai "kompleks". Kompleksitas dalam pengertian ini berarti bahwa, karena interaksi rumit dari banyak sub komponen, sistem biologis dapat menunjukkan apa yang kita sebut perilaku yang muncul - sistem secara keseluruhan menunjukkan sifat yang mana komponen individual yang bertindak sendiri tidak dapat melakukannya. Biokompleksitas ini sering keliru vitalisme, kesalahpahaman bahwa proses biologis bergantung pada kekuatan atau prinsip yang berbeda dari hukum fisika dan kimia. Akibatnya, diasumsikan bahwa sistem biologis yang kompleks tidak dapat diterima untuk perlakuan matematis.

Ada beberapa pembangkang awal. Ilmuwan komputer terkenal dan pemecah kode Perang Dunia II Alan Turing adalah salah satu yang pertama mengemukakan bahwa fenomena biologis dapat dipelajari dan dipahami secara matematis. Di 1952 dia mengusulkan sepasang persamaan matematika yang indah yang memberikan penjelasan bagaimana pola pigmentasi terbentuk pada mantel binatang.

Bukan hanya karyanya yang indah, tapi juga kontra intuitif - jenis pekerjaan yang hanya pikiran brilian seperti yang bisa diimpikan Turing. Yang lebih disayangkan, kemudian, bahwa dia diperlakukan dengan sangat buruk di bawah undang-undang anti-homoseksualitas yang kejam saat itu. Setelah menjalani pengobatan hormon "korektif", dia bunuh diri dua tahun kemudian.

Bidang yang sedang muncul

Sejak saat itu, bidang matematika biologi telah meledak Dalam beberapa tahun terakhir, prosedur eksperimental semakin rinci telah menyebabkan masuknya besar dalam data biologis yang tersedia bagi para ilmuwan. Data ini digunakan untuk menghasilkan hipotesis tentang kompleksitas sistem biologis yang sebelumnya musnah. Untuk menguji hipotesis ini, mereka harus ditulis dalam bentuk model yang dapat diinterogasi untuk menentukan apakah benar meniru pengamatan biologis. Matematika adalah bahasa alami untuk melakukan hal ini.

Selain itu, kemunculan dan peningkatan selanjutnya, kemampuan komputasi selama tahun 60 terakhir telah memungkinkan kita untuk menyarankan dan kemudian menginterogasi model matematika sistem biologi yang kompleks. Kesadaran bahwa sistem biologi dapat diperlakukan secara matematis, ditambah dengan kemampuan komputasi untuk membangun dan menyelidiki model biologis terperinci, telah menyebabkan peningkatan dramatis dalam popularitas biologi matematika.

Matematika telah menjadi senjata vital dalam gudang senjata ilmiah, kita harus mengatasi beberapa pertanyaan paling mendesak dalam ilmu kedokteran, biologi dan ekologi di abad 21st. Dengan menggambarkan sistem biologis secara matematis dan kemudian menggunakan model yang dihasilkan, kita bisa mendapatkan wawasan yang tidak mungkin diakses meski eksperimen dan penalaran verbal saja. Biologi matematis sangat penting jika kita ingin mengubah biologi dari deskriptif menjadi sains prediktif - memberi kita kekuatan, misalnya, untuk mencegah pandemi atau mengubah efek dari penyakit yang melemahkan.

Senjata baru

Selama tahun 50 terakhir, misalnya, ahli biologi matematika telah membangun representasi komputasi yang kompleks dari fisiologi jantung. Saat ini, model yang sangat canggih ini digunakan untuk memahami lebih baik fungsi otak manusia yang rumit. Simulasi komputer tentang fungsi jantung memungkinkan kita membuat prediksi tentang bagaimana jantung akan berinteraksi dengan obat kandidat, yang dirancang untuk memperbaiki fungsinya, tanpa harus melakukan uji klinis yang mahal dan berpotensi berisiko.

Kami menggunakan biologi matematika untuk mempelajari penyakit juga. Pada skala individu, para periset telah menjelaskan mekanisme dimana sistem kekebalan tubuh kita berperang dengan virus imunologi matematis dan menyarankan intervensi potensial untuk memberi timbangan yang menguntungkan kami. Pada skala yang lebih luas, ahli biologi matematika telah mengusulkan mekanisme yang dapat digunakan untuk mengendalikan penyebaran Epidemi mematikan seperti Ebola, dan untuk memastikan sumber daya yang terbatas yang didedikasikan untuk tujuan ini dipekerjakan dengan cara yang paling efisien.

Biologi matematis bahkan digunakan untuk menginformasikan kebijakan. Telah ada penelitian yang dilakukan pada perikanan misalnya, dengan menggunakan pemodelan matematis untuk menetapkan kuota yang realistis untuk memastikan kita jangan overfish laut kita dan bahwa kita melindungi beberapa spesies terpenting kita.

Peningkatan pemahaman yang diperoleh dengan mengambil pendekatan matematis dapat menghasilkan pemahaman biologi yang lebih baik pada berbagai skala yang berbeda. Di Pusat Biologi Matematika di Bath, misalnya, kita mempelajari sejumlah masalah biologis yang mendesak. Di salah satu ujung spektrum, kami mencoba mengembangkan strategi untuk mencegah efek dahsyat dari tulah belalang terdiri dari hingga satu miliar individu. Di ujung lain, kita mencoba untuk menjelaskan mekanisme yang memunculkan yang benar perkembangan embrio.

Meskipun biologi matematika secara tradisional merupakan domain matematikawan terapan, jelas bahwa matematikawan yang mengklasifikasikan dirinya sendiri memiliki peran murni dalam revolusi matematika matematika. Disiplin topologi murni digunakan untuk memahami Masalah rumit pengemasan DNA dan geometri aljabar digunakan untuk memilih model yang paling sesuai jaringan interaksi biokimia.

Karena profil biologi matematis terus meningkat, ilmuwan yang baru muncul dan mapan dari disiplin ilmu di seluruh spektrum ilmiah akan tertarik untuk mengatasi berbagai masalah penting dan baru yang harus ditawarkan oleh biologi.

Gagasan revolusioner Turing, meski tidak sepenuhnya dihargai pada masanya, menunjukkan bahwa tidak perlu menarik vitalisme - dewa di mesin - untuk memahami proses biologis. Hukum kimia dan fisika yang dikodekan dalam matematika, atau "biologi matematis" seperti yang kita sebut sekarang, bisa baik-baik saja.

Tentang Penulis

Christian Yates, Dosen Biologi Matematika, University of Bath

Artikel ini awalnya diterbitkan pada Percakapan. Membaca Artikel asli.

Buku terkait:

at Pasar InnerSelf dan Amazon