MATHEMATISCHE BIOLOGIE: GESCHICHTE, STUDIENOBJEKT, ANWENDUNGEN - BIOLOGIE - 2025

Die mathematische Biologie oder Biomathematik ist ein Wissenschaftszweig, der für die Entwicklung numerischer Modelle verantwortlich ist, die verschiedene natürliche Phänomene simulieren, die mit Lebewesen zusammenhängen. Das heißt, es werden mathematische Werkzeuge verwendet, um natürliche oder biologische Systeme zu untersuchen.

Wie aus dem Namen hervorgeht, ist die Biomathematik ein interdisziplinärer Bereich, der sich an der Schnittstelle des Wissens zwischen Biologie und Mathematik befindet. Ein einfaches Beispiel für diese Disziplin könnte die Entwicklung statistischer Methoden zur Lösung von Problemen im Bereich der Genetik oder Epidemiologie sein, um nur einige zu nennen.

Lotka-Volterras Gesetz für die Beziehung zwischen Raubtieren und Beute (Quelle: Curtis Newton ↯ 10:55, 20. Apr. 2010 (MESZ). Der ursprüngliche Uploader war Lämpel bei der deutschen Wikipedia. Über Wikimedia Commons)

In diesem Wissensbereich ist es normal, dass mathematische Ergebnisse aus biologischen Problemen resultieren oder zu deren Lösung verwendet werden. Einige Forscher haben es jedoch geschafft, mathematische Probleme auf der Grundlage der Beobachtung biologischer Phänomene zu lösen, sodass es sich nicht um eine unidirektionale Beziehung handelt zwischen beiden Bereichen der Wissenschaft.

Aus dem oben Gesagten kann sichergestellt werden, dass ein mathematisches Problem der Zweck ist, für den biologische Werkzeuge verwendet werden und umgekehrt; dass ein biologisches Problem der Zweck ist, für den die vielen verschiedenen mathematischen Werkzeuge verwendet werden.

Das Gebiet der mathematischen Biologie wächst heute rasant und gilt als eine der modernsten und aufregendsten Anwendungen der Mathematik. Es ist nicht nur in der Biologie, sondern auch in den biomedizinischen Wissenschaften und auf dem Gebiet der Biotechnologie sehr nützlich.

Geschichte der Biomathematik

Mathematik und Biologie sind zwei Wissenschaften mit einer Vielzahl von Anwendungen. Die Mathematik ist vielleicht so alt wie die westliche Kultur, ihr Ursprung reicht viele Jahre vor Christus zurück und ihre Nützlichkeit wurde seitdem für eine Vielzahl von Anwendungen demonstriert.

Die Biologie als Wissenschaft ist jedoch viel jünger, da ihre Konzeptualisierung erst im frühen neunzehnten Jahrhundert dank der Intervention von Lamarck im 19. Jahrhundert erfolgte.

Das Verhältnis von mathematischem und biologischem Wissen ist seit den frühesten Zeiten der Zivilisation eng, da die Ansiedlung von Nomadenvölkern dank der Entdeckung stattfand, dass die Natur systematisch genutzt werden konnte, was notwendigerweise die ersten Begriffe beinhalten musste mathematisch und biologisch.

In ihren Anfängen galten die Biowissenschaften als "Handwerker", da sie sich hauptsächlich auf beliebte Aktivitäten wie Landwirtschaft oder Viehzucht bezogen; Inzwischen entdeckte die Mathematik die Abstraktion und hatte etwas entfernte unmittelbare Anwendungen.

Der Zusammenfluss von Biologie und Mathematik geht möglicherweise auf das 15. und 16. Jahrhundert zurück, als die Physiologie aufkam, eine Wissenschaft, die Wissen zusammenfasst, klassifiziert, ordnet und systematisiert und bei Bedarf mathematische Werkzeuge einsetzt.

Thomas Malthus

Es war Thomas Malthus, ein Wirtschaftswissenschaftler mit Lamarck, der den Präzedenzfall für den Beginn der mathematischen Biologie darstellte, da er als erster ein mathematisches Modell postulierte, um die Populationsdynamik als Funktion der natürlichen Ressourcen zu erklären.

Malthus 'Ansätze wurden später weiterentwickelt und ausgearbeitet. Heute sind sie Teil der Grundlage ökologischer Modelle, mit denen beispielsweise die Beziehung zwischen Raubtieren und ihrer Beute erklärt wird.

Gegenstand des Studiums der mathematischen Biologie

Die mathematische Biologie ist ein interdisziplinäres wissenschaftliches Gebiet. Quelle: Konstantin Kolosov - Pixabay

Die mathematische Biologie ist eine Wissenschaft, die aus der Integration verschiedener mathematischer Werkzeuge in experimentelle oder nicht experimentelle biologische Daten resultiert und versucht, die „Kraft“ mathematischer Methoden zu nutzen, um die Welt der Lebewesen, ihrer Zellen und ihrer Zellen besser zu erklären seiner Moleküle.

Unabhängig vom Grad der technologischen Komplexität besteht die mathematische Biologie aus der „einfachen“ Überlegung, dass es eine Analogie zwischen zwei Prozessen gibt, nämlich:

- Die komplexe Struktur eines Lebewesens ist das Ergebnis der Anwendung einfacher Vorgänge wie "Kopieren" und "Schneiden und Spleißen" oder "Spleißen" (zum Beispiel) auf eine Anfangsinformation, die in einer DNA-Sequenz (Desoxyribonukleinsäure) enthalten ist ).

- Das Ergebnis f (ω) der Anwendung einer berechenbaren Funktion auf ein Array w kann durch Anwenden einer Kombination einfacher Grundfunktionen w erhalten werden.

Das Gebiet der mathematischen Biologie wendet Bereiche der Mathematik wie Analysis, Wahrscheinlichkeitstheorien, Statistik, lineare Algebra, algebraische Geometrie, Topologie, Differentialgleichungen, dynamische Systeme, Kombinatorik und Codierungstheorie an.

In letzter Zeit wurde diese Disziplin in großem Umfang für die quantitative Analyse verschiedener Arten von Daten genutzt, da sich die Biowissenschaften der Erzeugung großer Datenmengen verschrieben haben, aus denen wertvolle Informationen extrahiert werden können.

Tatsächlich sind viele Forscher der Ansicht, dass die große Explosion biologischer Daten die Notwendigkeit "geschaffen" hat, neue und komplexere mathematische Modelle für ihre Analyse sowie erheblich komplexere Berechnungsalgorithmen und statistische Methoden zu entwickeln.

Anwendungen

Eine der wichtigsten Anwendungen der mathematischen Biologie hat mit der Analyse von DNA-Sequenzen zu tun, aber diese Wissenschaft befasst sich auch mit der Modellierung von Epidemien und der Untersuchung der Ausbreitung von Nervensignalen.

Es wurde verwendet, um neurologische Prozesse wie Parkinson-Krankheit, Alzheimer und Amyotrophe Lateralsklerose zu untersuchen.

Es ist äußerst nützlich für die Untersuchung von Evolutionsprozessen (Theorien) und für die Entwicklung von Modellen, die die Beziehung von Lebewesen untereinander und zu ihrer Umwelt erklären, dh für ökologische Ansätze.

Die Modellierung und Simulation verschiedener Krebsarten ist auch ein gutes Beispiel für die vielen Anwendungen, die die mathematische Biologie heute hat, insbesondere im Hinblick auf die Simulation von Wechselwirkungen zwischen Zellpopulationen.

Beispiel für die Analyse von DNA-Sequenzen, die üblicherweise in der Genomik verwendet werden (Quelle: Radtk172 über Wikimedia Commons)

Die Biomathematik ist auch auf dem Gebiet der Computational Neuroscience, in den Studien zur Populationsdynamik sowie zur Phylogenomik und Genomik im Allgemeinen sehr weit fortgeschritten.

In diesem letzten Zweig der Genetik war es von großer Relevanz, da es eines der Gebiete mit dem höchsten Wachstum in den letzten Jahren ist, da die Datenerfassungsrate extrem hoch ist, was neue und bessere Techniken für verdient seine Verarbeitung und Analyse.

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