- Storia della biomatematica
- Thomas Malthus
- Oggetto di studio della biologia matematica
- applicazioni
- Riferimenti
La biologia matematica o biomatematica è una branca della scienza che è responsabile dello sviluppo di modelli numerici che simulano diversi fenomeni naturali legati agli esseri viventi; vale a dire, implica l'uso di strumenti matematici per studiare i sistemi naturali o biologici.
Come si può capire dal suo nome, la biomatematica è un'area interdisciplinare, situata all'incrocio della conoscenza tra biologia e matematica. Un semplice esempio di questa disciplina potrebbe includere lo sviluppo di metodi statistici per risolvere problemi nel campo della genetica o dell'epidemiologia, per citarne alcuni.
Legge Lotka-Volterra per il rapporto tra predatori e prede (Fonte: Curtis Newton ↯ 10:55, 20. Apr. 2010 (CEST). L'autore del caricamento originale era Lämpel su Wikipedia tedesca. Via Wikimedia Commons)
In quest'area della conoscenza, è normale che i risultati matematici derivino da problemi biologici o vengano utilizzati per risolverli, tuttavia alcuni ricercatori sono riusciti a risolvere problemi matematici basandosi sull'osservazione di fenomeni biologici, quindi non è una relazione unidirezionale tra i due campi della scienza.
Da quanto sopra si può garantire che un problema matematico è lo scopo per il quale vengono utilizzati gli strumenti biologici e viceversa; che un problema biologico è lo scopo per il quale vengono utilizzati i molti diversi strumenti matematici.
Oggi, il campo della biologia matematica è in rapida crescita ed è considerato una delle applicazioni più moderne ed entusiasmanti della matematica. È molto utile non solo in biologia, ma nelle scienze biomediche e nel campo della biotecnologia.
Storia della biomatematica
La matematica e la biologia sono due scienze con una molteplicità di applicazioni. La matematica è forse vecchia quanto la cultura occidentale, la sua origine risale a molti anni prima di Cristo e da allora la sua utilità è stata dimostrata per un gran numero di applicazioni.
La biologia come scienza, invece, è molto più recente, poiché la sua concettualizzazione non è avvenuta fino all'inizio del XIX secolo grazie all'intervento di Lamarck, nell'Ottocento.
Il rapporto tra conoscenza matematica e biologica è stretto sin dai tempi più remoti delle civiltà, poiché l'insediamento dei popoli nomadi avvenne grazie alla scoperta che la natura poteva essere sfruttata sistematicamente, che doveva necessariamente aver coinvolto le prime nozioni matematico e biologico.
All'inizio le scienze biologiche erano considerate "artigiane", poiché si riferivano principalmente ad attività popolari come l'agricoltura o l'allevamento; nel frattempo la matematica scopriva l'astrazione e aveva applicazioni immediate alquanto distanti.
La confluenza tra biologia e matematica risale, forse, al XV e XVI secolo, con l'avvento della fisiologia, scienza che raggruppa la conoscenza, classificandola, ordinandola e sistematizzandola, avvalendosi di strumenti matematici quando necessario.
Thomas Malthus
Fu Thomas Malthus, un economista contemporaneo di Lamarck, a stabilire il precedente per l'inizio della biologia matematica, poiché fu il primo a postulare un modello matematico per spiegare le dinamiche della popolazione in funzione delle risorse naturali.
Gli approcci di Malthus sono stati successivamente sviluppati ed elaborati ulteriormente e oggi fanno parte delle fondamenta dei modelli ecologici utilizzati per spiegare, ad esempio, la relazione tra i predatori e le loro prede.
Oggetto di studio della biologia matematica
La biologia matematica è un'area scientifica interdisciplinare. Fonte: Konstantin Kolosov - Pixabay
La biologia matematica è una scienza che risulta dall'integrazione di diversi strumenti matematici con dati biologici, sperimentali e non, che cerca di sfruttare il "potere" dei metodi matematici per spiegare meglio il mondo degli esseri viventi, le loro cellule e delle sue molecole.
Indipendentemente dal grado di complessità tecnologica coinvolto, la biologia matematica consiste nella "semplice" considerazione che esiste un'analogia tra due processi, vale a dire:
- La complessa struttura di un essere vivente è il risultato dell'applicazione di semplici operazioni di "copia" e "taglio e splicing" o "splicing" (ad esempio) a un'informazione iniziale contenuta in una sequenza di DNA (acido desossiribonucleico ).
- Il risultato f (ω) dell'applicazione di una funzione calcolabile a un array w può essere ottenuto applicando una combinazione di semplici funzioni di base w.
Il campo della biologia matematica applica aree della matematica come calcolo, teorie della probabilità, statistica, algebra lineare, geometria algebrica, topologia, equazioni differenziali, sistemi dinamici, calcolo combinatorio e teoria dei codici.
Recentemente questa disciplina è stata ampiamente sfruttata per l'analisi quantitativa di diversi tipi di dati, poiché le scienze biologiche si sono dedicate alla produzione di grandi masse di dati da cui è possibile estrarre informazioni preziose.
Infatti, molti ricercatori ritengono che la grande esplosione di dati biologici "abbia creato" la necessità di sviluppare nuovi e più complessi modelli matematici per la loro analisi, nonché algoritmi computazionali e metodi statistici notevolmente più complessi.
applicazioni
Una delle applicazioni più significative della biologia matematica ha a che fare con l'analisi delle sequenze di DNA, ma questa scienza è anche coinvolta nella modellizzazione delle epidemie e nello studio della propagazione dei segnali nervosi.
È stato utilizzato per studiare processi neurologici come il morbo di Parkinson, il morbo di Alzheimer e la sclerosi laterale amiotrofica, ad esempio.
È estremamente utile per lo studio dei processi evolutivi (teorie) e per lo sviluppo di modelli che spieghino il rapporto degli esseri viventi tra loro e con il loro ambiente, cioè per approcci ecologici.
La modellazione e la simulazione di diversi tipi di cancro è anche un buon esempio delle molte applicazioni che la biologia matematica ha oggi, soprattutto per quanto riguarda la simulazione delle interazioni tra popolazioni cellulari.
Esempio di analisi di sequenze di DNA comunemente usate in genomica (Fonte: Radtk172 tramite Wikimedia Commons)
La biomatematica è anche molto avanzata nell'area delle neuroscienze computazionali, negli studi sulla dinamica delle popolazioni e sulla filogenomica e genomica in generale.
In quest'ultimo ramo della genetica è stato di grande rilevanza, poiché è una delle aree con la maggiore crescita negli ultimi anni, poiché il tasso di raccolta dei dati è estremamente alto, il che merita nuove e migliori tecniche per la sua elaborazione e analisi.
Riferimenti
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- Pacheco Castelao, JM (2000). Cos'è la biologia matematica?
- Reed, MC (2004). Perché la biologia matematica è così difficile? Avvisi dell'AMS, 51 (3), 338-342.
- Ulam, SM (1972). Alcune idee e prospettive in biomatematica. Revisione annuale di biofisica e bioingegneria, 1 (1), 277-292.