The biologi matematika atau biomathematics adalah cabang ilmu yang bertanggung jawab untuk pengembangan model numerik yang mensimulasikan get fenomena alam yang berbeda terkait dengan makhluk hidup; yaitu, melibatkan penggunaan alat matematika untuk mempelajari sistem alam atau biologis.
Sebagaimana dapat dipahami dari namanya, biomathematics merupakan bidang interdisipliner yang terletak di persimpangan ilmu pengetahuan antara biologi dan matematika. Contoh sederhana dari disiplin ini dapat mencakup pengembangan metode statistik untuk memecahkan masalah di bidang genetika atau epidemiologi, untuk beberapa nama.
Hukum Lotka-Volterra untuk hubungan antara predator dan mangsa (Sumber: Curtis Newton ↯ 10:55, 20 April 2010 (CEST). Pengunggah asli adalah Lämpel di Wikipedia Jerman. Melalui Wikimedia Commons)
Dalam bidang ilmu ini wajar jika hasil matematika muncul dari masalah biologi atau digunakan untuk menyelesaikannya, namun beberapa peneliti telah berhasil memecahkan masalah matematika berdasarkan pengamatan fenomena biologi, sehingga tidak terjadi hubungan searah. antara kedua bidang ilmu tersebut.
Dari uraian di atas dapat dipastikan bahwa suatu masalah matematika adalah tujuan digunakannya alat-alat biologi dan sebaliknya; bahwa masalah biologis adalah tujuan dari banyak alat matematika yang berbeda digunakan.
Saat ini, bidang biologi matematika berkembang pesat dan dianggap sebagai salah satu aplikasi matematika yang paling modern dan menarik. Ini sangat berguna tidak hanya dalam biologi, tetapi dalam ilmu biomedis dan di bidang bioteknologi.
Sejarah biomathematics
Matematika dan biologi adalah dua ilmu dengan penerapan yang beragam. Matematika mungkin setua budaya Barat, asalnya sudah ada sejak bertahun-tahun sebelum Kristus dan kegunaannya telah dibuktikan untuk sejumlah besar aplikasi.
Biologi sebagai ilmu, bagaimanapun, jauh lebih baru, karena konseptualisasinya tidak terjadi sampai awal abad kesembilan belas berkat campur tangan Lamarck, pada tahun 1800-an.
Hubungan pengetahuan matematika dan biologi dekat sejak zaman awal peradaban, karena pemukiman orang nomaden terjadi berkat penemuan bahwa alam dapat dieksploitasi secara sistematis, yang tentunya harus melibatkan gagasan pertama. matematis dan biologis.
Pada mulanya, ilmu biologi dianggap "ahli", karena mereka mengacu terutama pada kegiatan populer seperti pertanian atau peternakan; sementara matematika menemukan abstraksi dan memiliki aplikasi langsung yang agak jauh.
Pertemuan antara biologi dan matematika berawal, mungkin, pada abad ke-15 dan ke-16, dengan munculnya ilmu fisiologi, yang merupakan ilmu yang mengelompokkan pengetahuan, mengklasifikasikan, menyusun, dan mensistematisasikannya, menggunakan alat-alat matematika jika diperlukan.
Thomas Malthus
Thomas Malthus, seorang ekonom kontemporer dengan Lamarck, yang menjadi preseden untuk permulaan biologi matematika, karena ia adalah orang pertama yang mendalilkan model matematika untuk menjelaskan dinamika populasi sebagai fungsi dari sumber daya alam.
Pendekatan Malthus kemudian dikembangkan dan dielaborasi lebih lanjut, dan saat ini pendekatan tersebut menjadi bagian dari dasar model ekologi yang digunakan untuk menjelaskan hubungan antara predator dan mangsanya, misalnya.
Objek studi biologi matematika
Biologi matematika adalah bidang ilmiah interdisipliner. Sumber: Konstantin Kolosov - Pixabay
Biologi matematika adalah ilmu yang dihasilkan dari integrasi alat matematika yang berbeda dengan data biologis, eksperimental atau tidak, yang berusaha memanfaatkan "kekuatan" metode matematika untuk lebih menjelaskan dunia makhluk hidup, selnya, dan molekulnya.
Terlepas dari tingkat kompleksitas teknologi yang terlibat, biologi matematika terdiri dari pertimbangan “sederhana” yaitu terdapat analogi antara dua proses, yaitu:
- Struktur kompleks makhluk hidup adalah hasil penerapan operasi sederhana "menyalin" dan "memotong dan menyambung" atau "menyambung" (misalnya) ke informasi awal yang terkandung dalam urutan DNA (asam deoksiribonukleat ).
- Hasil f (ω) dari penerapan fungsi komputasi ke larik w dapat diperoleh dengan menerapkan kombinasi fungsi dasar sederhana w.
Bidang biologi matematika menerapkan bidang matematika seperti kalkulus, teori probabilitas, statistika, aljabar linier, geometri aljabar, topologi, persamaan diferensial, sistem dinamik, kombinatorika, dan teori pengkodean.
Baru-baru ini, disiplin ilmu ini telah dimanfaatkan secara luas untuk analisis kuantitatif berbagai jenis data, karena ilmu biologi telah didedikasikan untuk menghasilkan data dalam jumlah besar yang darinya informasi berharga dapat diekstraksi.
Faktanya, banyak peneliti menganggap bahwa ledakan besar data biologis "menciptakan" kebutuhan untuk mengembangkan model matematika baru dan lebih kompleks untuk analisis mereka, serta algoritma komputasi dan metode statistik yang jauh lebih kompleks.
Aplikasi
Salah satu aplikasi biologi matematika yang paling signifikan berkaitan dengan analisis sekuens DNA, tetapi ilmu ini juga terlibat dalam pemodelan epidemi dan studi tentang penyebaran sinyal saraf.
Ini telah digunakan untuk mempelajari proses neurologis seperti penyakit Parkinson, penyakit Alzheimer dan sklerosis lateral amyotrophic, misalnya.
Ini sangat berguna untuk mempelajari proses evolusi (teori) dan untuk pengembangan model yang menjelaskan hubungan makhluk hidup satu sama lain dan dengan lingkungannya, yaitu untuk pendekatan ekologi.
Pemodelan dan simulasi berbagai jenis kanker juga merupakan contoh yang baik dari banyak aplikasi yang dimiliki biologi matematika saat ini, terutama yang berkaitan dengan simulasi interaksi antara populasi sel.
Contoh analisis sekuens DNA yang biasa digunakan dalam genomik (Sumber: Radtk172 via Wikimedia Commons)
Biomathematics juga sangat maju di bidang ilmu saraf komputasi, dalam studi dinamika populasi dan filogenomik dan genomik secara umum.
Dalam cabang terakhir genetika ini telah menjadi sangat relevan, karena ini adalah salah satu daerah dengan pertumbuhan tertinggi dalam beberapa tahun terakhir, karena tingkat pengumpulan datanya sangat tinggi, yang membutuhkan teknik baru dan lebih baik untuk pemrosesan dan analisisnya.
Referensi
- Andersson, S., Larsson, K., Larsson, M., & Jacob, M. (Eds.). (1999). Biomathematics: matematika biostruktur dan biodynamics. Elsevier.
- Elango, P. (2015). Peran Matematika dalam Biologi.
- Friedman, A. (2010). Apa itu biologi matematika dan seberapa bermanfaatnya. Pemberitahuan AMS, 57 (7), 851-857.
- Hofmeyr, JHS (2017). Matematika dan biologi. Jurnal Sains Afrika Selatan, 113 (3-4), 1-3.
- Kari, L. (1997). Komputasi DNA: kedatangan matematika biologis. Kecerdasan Matematika, 19 (2), 9-22.
- Pacheco Castelao, JM (2000). Apa itu biologi matematika?
- Reed, MC (2004). Mengapa biologi matematika begitu sulit? Pemberitahuan AMS, 51 (3), 338-342.
- Ulam, SM (1972). Beberapa ide dan prospek dalam biomathematics. Review tahunan biofisika dan bioteknologi, 1 (1), 277-292.