ชีววิทยาคณิตศาสตร์หรือ biomathematics เป็นสาขาของวิทยาศาสตร์ที่มีหน้าที่ในการพัฒนารูปแบบตัวเลขที่จำลองที่แตกต่างกันได้รับปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิต; นั่นคือเกี่ยวข้องกับการใช้เครื่องมือทางคณิตศาสตร์เพื่อศึกษาระบบธรรมชาติหรือทางชีววิทยา
ตามที่สามารถเข้าใจได้จากชื่อของมันชีวคณิตศาสตร์เป็นพื้นที่สหวิทยาการซึ่งเป็นจุดตัดของความรู้ระหว่างชีววิทยาและคณิตศาสตร์ ตัวอย่างง่ายๆของสาขาวิชานี้อาจรวมถึงการพัฒนาวิธีการทางสถิติเพื่อแก้ปัญหาในสาขาพันธุศาสตร์หรือระบาดวิทยาเพื่อกล่าวถึงบางส่วน
กฎของ Lotka-Volterra สำหรับความสัมพันธ์ระหว่างผู้ล่าและเหยื่อ (ที่มา: Curtis Newton ↯ 10:55, 20 เมษายน 2010 (CEST) ผู้อัปโหลดต้นฉบับคือLämpelที่ Wikipedia ของเยอรมันผ่าน Wikimedia Commons)
ในด้านความรู้นี้เป็นเรื่องปกติที่ผลลัพธ์ทางคณิตศาสตร์จะเกิดจากปัญหาทางชีววิทยาหรือใช้ในการแก้ปัญหาอย่างไรก็ตามนักวิจัยบางคนสามารถแก้ปัญหาทางคณิตศาสตร์ได้โดยอาศัยการสังเกตปรากฏการณ์ทางชีววิทยาดังนั้นจึงไม่ใช่ความสัมพันธ์แบบทิศทางเดียว ระหว่างวิทยาศาสตร์ทั้งสองสาขา
จากที่กล่าวมาสามารถทำให้มั่นใจได้ว่าปัญหาทางคณิตศาสตร์คือจุดประสงค์ที่จะใช้เครื่องมือทางชีววิทยาและในทางกลับกัน ปัญหาทางชีววิทยาคือจุดประสงค์ในการใช้เครื่องมือทางคณิตศาสตร์ต่างๆมากมาย
ปัจจุบันสาขาชีววิทยาทางคณิตศาสตร์มีการเติบโตอย่างรวดเร็วและถือเป็นหนึ่งในการประยุกต์ใช้คณิตศาสตร์ที่ทันสมัยและน่าตื่นเต้นที่สุด มันมีประโยชน์มากไม่เพียง แต่ในด้านชีววิทยาเท่านั้น แต่ยังรวมถึงวิทยาศาสตร์การแพทย์และในสาขาเทคโนโลยีชีวภาพอีกด้วย
ประวัติชีวคณิตศาสตร์
คณิตศาสตร์และชีววิทยาเป็นสองศาสตร์ที่มีการใช้งานหลายหลาก คณิตศาสตร์อาจจะเก่าแก่พอ ๆ กับวัฒนธรรมตะวันตกต้นกำเนิดของมันย้อนกลับไปเมื่อหลายปีก่อนคริสตกาลและนับตั้งแต่นั้นมาก็มีการพิสูจน์ประโยชน์ของมันสำหรับการใช้งานจำนวนมาก
อย่างไรก็ตามชีววิทยาในฐานะวิทยาศาสตร์เป็นเรื่องที่ใหม่กว่ามากเนื่องจากการกำหนดแนวความคิดไม่ได้เกิดขึ้นจนถึงต้นศตวรรษที่สิบเก้าด้วยการแทรกแซงของ Lamarck ในปี 1800
ความสัมพันธ์ของความรู้ทางคณิตศาสตร์และชีววิทยามีความใกล้ชิดตั้งแต่ยุคแรกสุดของอารยธรรมเนื่องจากการตั้งถิ่นฐานของคนเร่ร่อนเกิดขึ้นเนื่องจากการค้นพบว่าธรรมชาติสามารถใช้ประโยชน์ได้อย่างเป็นระบบซึ่งจำเป็นต้องเกี่ยวข้องกับแนวคิดแรก ๆ คณิตศาสตร์และชีวภาพ
ในช่วงเริ่มต้นวิทยาศาสตร์ชีวภาพถือเป็น "ช่างฝีมือ" เนื่องจากพวกเขาอ้างถึงกิจกรรมยอดนิยมเช่นเกษตรกรรมหรือปศุสัตว์เป็นหลัก ในขณะเดียวกันคณิตศาสตร์ได้ค้นพบสิ่งที่เป็นนามธรรมและมีการประยุกต์ใช้ในทันที
จุดบรรจบระหว่างชีววิทยาและคณิตศาสตร์อาจย้อนกลับไปในศตวรรษที่ 15 และ 16 โดยมีการถือกำเนิดของสรีรวิทยาซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์ที่รวมกลุ่มความรู้การจำแนกการจัดลำดับและการจัดระบบเข้าด้วยกันโดยใช้เครื่องมือทางคณิตศาสตร์เมื่อจำเป็น
โทมัสมัลทัส
Thomas Malthus เป็นนักเศรษฐศาสตร์ร่วมสมัยกับ Lamarck ซึ่งเป็นผู้กำหนดแบบอย่างในการเริ่มต้นชีววิทยาทางคณิตศาสตร์ในขณะที่เขาเป็นคนแรกที่ตั้งสมมติฐานแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่ออธิบายพลวัตของประชากรในฐานะหน้าที่ของทรัพยากรธรรมชาติ
แนวทางของ Malthus ได้รับการพัฒนาและอธิบายเพิ่มเติมในภายหลังและในปัจจุบันพวกเขาเป็นส่วนหนึ่งของรากฐานของแบบจำลองทางนิเวศวิทยาที่ใช้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างสัตว์นักล่าและเหยื่อของพวกมัน
วัตถุประสงค์ของการศึกษาชีววิทยาทางคณิตศาสตร์
ชีววิทยาทางคณิตศาสตร์เป็นพื้นที่ทางวิทยาศาสตร์แบบสหวิทยาการ ที่มา: Konstantin Kolosov - Pixabay
ชีววิทยาทางคณิตศาสตร์เป็นวิทยาศาสตร์ที่เกิดจากการรวมเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ที่แตกต่างกันเข้ากับข้อมูลทางชีววิทยาการทดลองหรือไม่ซึ่งพยายามใช้ประโยชน์จาก "พลัง" ของวิธีการทางคณิตศาสตร์เพื่ออธิบายโลกของสิ่งมีชีวิตเซลล์และ ของโมเลกุลของมัน
โดยไม่คำนึงถึงระดับของความซับซ้อนทางเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องชีววิทยาทางคณิตศาสตร์ประกอบด้วยการพิจารณา "อย่างง่าย" ที่มีการเปรียบเทียบระหว่างสองกระบวนการคือ:
- โครงสร้างที่ซับซ้อนของสิ่งมีชีวิตเป็นผลมาจากการประยุกต์ใช้การดำเนินการง่ายๆของ "การคัดลอก" และ "การตัดและการต่อ" หรือ "การต่อเชือก" (เช่น) กับข้อมูลเริ่มต้นที่มีอยู่ในลำดับดีเอ็นเอ (กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก )
- ผลลัพธ์ f (ω) ของการใช้ฟังก์ชันที่คำนวณได้กับอาร์เรย์ w สามารถหาได้โดยการใช้ฟังก์ชันพื้นฐานง่ายๆ w ร่วมกัน
สาขาชีววิทยาคณิตศาสตร์ใช้พื้นที่ของคณิตศาสตร์เช่นแคลคูลัสทฤษฎีความน่าจะเป็นสถิติพีชคณิตเชิงเส้นเรขาคณิตพีชคณิตโทโพโลยีสมการเชิงอนุพันธ์ระบบพลวัตคอมบิเนเตอร์และทฤษฎีการเข้ารหัส
เมื่อเร็ว ๆ นี้วินัยนี้ถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางสำหรับการวิเคราะห์เชิงปริมาณของข้อมูลประเภทต่างๆเนื่องจากวิทยาศาสตร์ชีวภาพได้ทุ่มเทให้กับการผลิตข้อมูลจำนวนมากซึ่งสามารถดึงข้อมูลที่มีค่าออกมาได้
ในความเป็นจริงนักวิจัยหลายคนพิจารณาว่าการระเบิดครั้งใหญ่ของข้อมูลทางชีววิทยา "สร้าง" ความจำเป็นในการพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ใหม่และที่ซับซ้อนมากขึ้นสำหรับการวิเคราะห์รวมถึงอัลกอริธึมการคำนวณและวิธีการทางสถิติที่ซับซ้อนมากขึ้น
การประยุกต์ใช้งาน
การประยุกต์ใช้ชีววิทยาทางคณิตศาสตร์ที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งเกี่ยวข้องกับการวิเคราะห์ลำดับดีเอ็นเอ แต่วิทยาศาสตร์นี้ยังเกี่ยวข้องกับการสร้างแบบจำลองของโรคระบาดและในการศึกษาการแพร่กระจายของสัญญาณประสาท
มันถูกใช้เพื่อศึกษากระบวนการทางระบบประสาทเช่นโรคพาร์คินสันโรคอัลไซเมอร์และเส้นโลหิตตีบด้านข้างของอะไมโอโทรฟิคเป็นต้น
เป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการศึกษากระบวนการวิวัฒนาการ (ทฤษฎี) และสำหรับการพัฒนาแบบจำลองที่อธิบายความสัมพันธ์ของสิ่งมีชีวิตที่มีต่อกันและกันและกับสิ่งแวดล้อมนั่นคือสำหรับแนวทางทางนิเวศวิทยา
การสร้างแบบจำลองและการจำลองของมะเร็งประเภทต่างๆยังเป็นตัวอย่างที่ดีของการใช้งานจำนวนมากที่ชีววิทยาทางคณิตศาสตร์มีอยู่ในปัจจุบันโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องการจำลองปฏิสัมพันธ์ระหว่างประชากรของเซลล์
ตัวอย่างการวิเคราะห์ลำดับดีเอ็นเอที่ใช้กันทั่วไปในจีโนมิกส์ (ที่มา: Radtk172 จาก Wikimedia Commons)
ชีวคณิตศาสตร์ยังก้าวหน้ามากในสาขาประสาทวิทยาศาสตร์เชิงคำนวณในการศึกษาพลวัตของประชากรและวิวัฒนาการทางวิวัฒนาการและจีโนมิกส์โดยทั่วไป
ในสาขาพันธุศาสตร์สุดท้ายนี้มีความเกี่ยวข้องอย่างมากเนื่องจากเป็นหนึ่งในสาขาที่มีการเติบโตสูงสุดในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเนื่องจากอัตราการรวบรวมข้อมูลสูงมากซึ่งเป็นประโยชน์กับเทคนิคใหม่และดีกว่าสำหรับ การประมวลผลและการวิเคราะห์
อ้างอิง
- Andersson, S. , Larsson, K. , Larsson, M. , & Jacob, M. (Eds.) (1999) ชีวคณิตศาสตร์: คณิตศาสตร์ของโครงสร้างทางชีวภาพและชีวพลศาสตร์ เอลส์
- Elango, P. (2015). บทบาทของคณิตศาสตร์ในชีววิทยา
- ฟรีดแมน, A. (2010). ชีววิทยาทางคณิตศาสตร์คืออะไรและมีประโยชน์อย่างไร ประกาศของ AMS, 57 (7), 851-857
- Hofmeyr, JHS (2017). คณิตศาสตร์และชีววิทยา. วารสารวิทยาศาสตร์แห่งแอฟริกาใต้, 113 (3-4), 1-3.
- Kari, L. (1997). การคำนวณดีเอ็นเอ: การมาถึงของคณิตศาสตร์ชีวภาพ Mathematical Intelligencer, 19 (2), 9-22.
- Pacheco Castelao, JM (2000). ชีววิทยาทางคณิตศาสตร์คืออะไร?
- รีด, MC (2004). ทำไมชีววิทยาทางคณิตศาสตร์ถึงยาก? ประกาศของ AMS, 51 (3), 338-342
- อูลามเอสเอ็ม (2515) แนวคิดและความคาดหวังบางประการในชีวคณิตศาสตร์ การทบทวนชีวฟิสิกส์และวิศวกรรมชีวภาพประจำปี, 1 (1), 277-292