زیست‌شناسی ریاضیاتی و نظری

زیست ریاضیاتی و نظری شاخه ای از زیست شناسی است که از تحلیل های نظری، مدل سازی های ریاضیاتی و تجریدهای موجودات زنده برای تحقیق در مورد اصول حاکم بر ساختارها، توسعه و رفتار سامانه‌ها استفاده می کند، در مقابل زیست شناسی تجربی قرار دارد که برای اثبات و تصدیق نظریات علمی، آزمایش‌های تجربی را به کار می برد.[1] برخی مواقع برای تأکید بر جنبه های ریاضیاتی این شاخه علمی به آن زیست ریاضیاتی یا ریاضیات زیستی نیز گفته می شود، یا در جاهای دیگر برای تأکید بر جنبه های زیست شناسانه ی آن به آن زیست شناسی نظری گفته می شود.[2] زیست شناسی نظری بیشتر بر روی توسعه اصول نظری زیست تمرکز کرده، در حالی که ریاضیات زیستی بر روی استفاده از ابزارهای ریاضیاتی برای مطالعه‌ی سامانه های زیستی تمرکز می کند گرچه که برخی مواقع این دو اصطلاح به جای هم به کار می روند.[3][4]

بابونه زرد معمولی، که مارپیچ های آن نشان دهنده اعداد فیبوناچی، شامل اعداد ۲۱ (آبی تیره) و ۱۳ (آبی روشن) می باشد. به چنین آرایش هایی از زمان قرون وسطی توجه شده و می توان از آن برای مدل سازی ریاضیاتی بسیاری از گیاهان استفاده کرد.

زیست ریاضیاتی به دنبال نمایش ریاضیاتی و مدل سازی فرایندهای زیستی با استفاده از فنون و ابزار های ریاضیات کاربردی بوده که هم در تحقیقات نظری و هم تحقیقات عملی می توانند مفید واقع شوند. توصیف کمّی سامانه ها موجب می گردد تا شبیه سازیشان بهتر صورت گرفته و بدین طریق بتوان خواصی را پیش بینی کرد که ممکن است از دید آزمایشگر مغفول واقع شده باشد. این هدف نیازمند مدل های ریاضیاتی دقیقی می باشد.

به علت پیچیدگی سامانه های زنده، زیست نظری از چندین شاخه ریاضیاتی[5] استفاده کرده و به توسعه تکنیک های جدید کمک کرده است.

تاریخچه

تاریخ پیدایش

استفاده ریاضیات در زیست به قرن دوازدهم میلادی بر می گردد، زمانی که فیبوناچی از دنباله معروفش برای توصیف رشد جمعیت خرگوش‌ها استفاده کرد. در قرن هجدهم میلادی دانیل برنولی ریاضیات را برای توصیف اثر آبله بر روی جمعیت انسان به کار برد. رساله ۱۷۸۹ توماس مالتوس بر روی رشد جمعیت انسان، براساس مفهوم رشد نمایی نوشته شده بود. پیر فرانسیس ورهولت در ۱۸۳۶ مدل رشد لجستیک را فرموله کرد.

فریتز مولر مزایای تکاملی که اکنون به تقلید مولری معروف است را در ۱۸۷۹ توصیف کرد، به گونه ای که می توان آن را اولین کاربرد ریاضیات در بوم شناسی تکاملی به منظور نمایش قدرت اثر انتخاب طبیعی به شمار آورد. همچنین بحث مالتوس در مورد اثرات رشد جمعیت، داروین را تحت تأثیر قرار داد: مالتوس استدلال می کرد که رشد نمایی است (او در آن زمان از عبارت "هندسی" استفاده کرد) در حالی که منابع (گنجایش محیط) تنها قادر به رشد حسابیست.[6]

عبارت "زیست نظری" اولین بار توسط جوهانس راینکه در ۱۹۰۱ مورد استفاده قرار گرفت. یکی از متون بنیادین در این زمینه را در مورد رشد و فرم (۱۹۱۷) اثر دارسی تامپسون،[7] در نظر می گیرند. اولین پیشگامان زیست نظری شامل رونالد فیشر، هانس لئو پرزیبرام، نیکولاس راشورسکی و ویتو ولترا می باشند.[8]

پانویس

1. "What is mathematical biology | Centre for Mathematical Biology | University of Bath". www.bath.ac.uk. Archived from the original on 23 September 2018. Retrieved 2018-06-07.
2. "There is a subtle difference between mathematical biologists and theoretical biologists. Mathematical biologists tend to be employed in mathematical departments and to be a bit more interested in math inspired by biology than in the biological problems themselves, and vice versa." Careers in theoretical biology بایگانی‌شده در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۹ توسط Wayback Machine
3. Longo, Giuseppe; Soto, Ana M. (2016-10-01). "Why do we need theories?" (PDF). Progress in Biophysics and Molecular Biology. From the Century of the Genome to the Century of the Organism: New Theoretical Approaches. 122 (1): 4–10. doi:10.1016/j.pbiomolbio.2016.06.005. PMC 5501401. PMID 27390105.
4. Montévil, Maël; Speroni, Lucia; Sonnenschein, Carlos; Soto, Ana M. (2016-10-01). "Modeling mammary organogenesis from biological first principles: Cells and their physical constraints". Progress in Biophysics and Molecular Biology. From the Century of the Genome to the Century of the Organism: New Theoretical Approaches. 122 (1): 58–69. arXiv:1702.03337. doi:10.1016/j.pbiomolbio.2016.08.004. PMC 5563449. PMID 27544910.
5. Robeva, Raina; et al. (Fall 2010). "Mathematical Biology Modules Based on Modern Molecular Biology and Modern Discrete Mathematics". CBE Life Sciences Education. The American Society for Cell Biology. 9 (3): 227–240. doi:10.1187/cbe.10-03-0019. PMC 2931670. PMID 20810955.
6. Mallet, James (July 2001). "Mimicry: An interface between psychology and evolution". PNAS. 98 (16): 8928–8930. Bibcode:2001PNAS...98.8928M. doi:10.1073/pnas.171326298. PMC 55348. PMID 11481461.
7. Ian Stewart (1998), Life's Other Secret: The New Mathematics of the Living World, New York: John Wiley, شابک ‎۹۷۸−۰۴۷۱۱۵۸۴۵۵
8. Evelyn Fox Keller (2002) Making Sense of Life: Explaining Biological Development with Models, Metaphors and Machines, Harvard University Press, شابک ‎۹۷۸−۰۶۷۴۰۱۲۵۰۹

• مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «Mathematical and Theoretical Biology». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی، بازبینی‌شده در ۲۸ نوامبر ۲۰۱۹.

منابع

• Edelstein-Keshet, L. (2004). Mathematical Models in Biology. SIAM. ISBN 0-07-554950-6.
• Hoppensteadt, F. (1993) [1975]. Mathematical Theories of Populations: Demographics, Genetics and Epidemics (Reprinted ed.). Philadelphia: SIAM. ISBN 0-89871-017-0.
• Renshaw, E. (1991). Modelling Biological Populations in Space and Time. C.U.P. ISBN 0-521-44855-7.
• Rubinow, S. I. (1975). Introduction to Mathematical Biology. John Wiley. ISBN 0-471-74446-8.
• Strogatz, S. H. (2001). Nonlinear Dynamics and Chaos: Applications to Physics, Biology, Chemistry, and Engineering. Perseus. ISBN 0-7382-0453-6.

زیست نظری

• Bonner, J. T. (1988). The Evolution of Complexity by Means of Natural Selection. Princeton: Princeton University Press. ISBN 0-691-08493-9.
• Mangel, M. (2006). The Theoretical Biologist's Toolbox. Quantitative Methods for Ecology and Evolutionary Biology. Cambridge University Press. ISBN 0-521-53748-7.