Pređi na sadržaj

Matematička i teorijska biologija

S Vikipedije, slobodne enciklopedije

Matematička i teorijska biologija je interdisciplinarno naučno istraživanje sa spektrom primene u biologiji, biotehnologiji i medicini.[1] Polje se takođe naziva matematičkom biologijom ili biomatematikom da naglasi matematičke strane, ili teorijskom biologijom da naglasi biološke strane.[2] Matematička biologija ima za cilj matematičke reprezentacije, lečenje i modeliranje bioloških procesa, korišćenjem različitih primenjeno matematičkih tehnika i alata. Ona ima i teoretske i praktične primene u biološkim, biomedicinskim i biotehnološkim istraživanjima. Na primer, u ćelijskoj biologiji, proteinske interakcije su često predstavljene kao "crtani" modeli, koji, iako se lako vizuelizaciju, ne opisuju tačpno sisteme koji se proučavaju. To zahteva precizne matematičke modele. Opisujući sisteme na kvantitativan način znači da njihovo ponašanje može biti simulirano, i stoga se može predvideti da to možda nije evidentno u eksperimentima.

Takve matematičke oblasti kao račun, teorija verovatnoće, statistike, linearne algebre, apstraktne algebre, teorije grafova, kombinatorike, algebarske geometrije, topologije, dinamičkih sistema, diferencijalnih jednačina i teoriji kodiranja se sada primenjuju u biologiji.[3] Neke matematičke oblasti, kao što su pojedine metodologije u statistici, razvijeni su kao sredstvo u toku sprovođenja istraživanja u matematičke biologije.

Značaj[uredi | uredi izvor]

Primena matematike u biologiji ima dugu istoriju, ali tek nedavno je došlo do eksplozije interesa u ovoj oblasti. Neki od razloga za to su:

  • Eksplozija podataka bogatih informacionih skupova, zbog genomičke revolucije, koji se teško razumeju bez upotrebe analitičkih alata
  • Poslednji razvoj matematičkih alata kao što su teorija haosa pomažu da se razumeju složeniji, nelinearni mehanizmi u biologiji
  • Povećanje računarske snage, što olakšava kalkulacije i simulacije prethodno nije bilo moguće
  • Sve je veći interes za in silico eksperimentisanje u zbog etičkih razloga, rizika, nepouzdanosti i drugih komplikacija koje su uključene u ljudska i životinjska istraživanja.

Oblasti istraživanja[uredi | uredi izvor]

Nekoliko oblasti specijalizovanih istraživanja u matematičkoj i teorijskoj biologiji[4][5][6][7][8] kao i spoljni linkovi ka srodnim projektima na različitim univerzitetima su sažeto predstavljeni u narednim stavovima, uključujući i veliki broj odgovarajućih potvrđenih referenci iz liste od nekoliko hiljada objavljenih autora koji doprinose ovoj oblasti. Mnoge od uključenih primera odlikuju izuzetno kompleksni, višeslojni, i superckomplikovani mehanizmi, kao što se sve više prepoznaje da rezultat takvih interakcija može da se razume samo kroz kombinaciju matematičkih, logičkih, fizičkih/hemijskih, molekularnih i računarskih modela. Zbog širokog spektra specifičnih znanja koji su uključeni, biomatematička istraživanja se često obavljaju u saradnji matematičara, biomatematičara, teorijskih biologa, fizičara, biofizičara, biohemičara, bioinženjera, inženjera, biologa, istraživanja fiziologa, biomedicinskih istraživača, onkologa, molekularnih biologa, genetičara, embriologa, zoologa, hemičara, itd.

Evoluciona biologija[uredi | uredi izvor]

Ekologija i evoluciona biologija su tradicionalno dominantna polja matematičke biologije.

Evoluciona biologijaje bio predmet matematičke teorije. Celokupni naziv za ovu oblast je populaciona genetika. Sa stanovništva genetičara razmotraju se promene u frekvencijama alela na malom broju gena. Kada su u pitanju sićušni efekti na velikom broju genskog lokusa, izvodi se kvantitativna genetika. Ronald Fišer je zaslužen za osnovni napredak u statistici, kao što su analize varijanse, preko njegovog rada na kvantitativnoj genetici. Još jedna važna grana populacione genetike je filogenetika. Filogenetika je oblast koja se bavi rekonstrukcijom i analizom filogenetskih (evolucionih) drveća i mreža na osnovu nasleđenih karakteristika[9] Tradicionalni populacioni genetski modeli bave se alelima i genotipovima, i često su stohastički. U evolucionoj teoriji igre, prvi put razvijenoj od strane Džona Majnarda Smita i Džordža R. Prajsa, koncepti evolucione biologije mogu uzeti determinističko matematički obrazac, sa izborom koji deluje direktno na nasleđene fenotipe.

Za mnoge modele populacione genetike pretpostavljeno je da je veličina populacije  konstantna. Promenljive veličine stanovništva, često u odsustvu genetičke varijacije, tretiraju oblasti populacione dinamike. Rad u ovoj oblasti datira iz 19. veka, pa čak i što se tiče 1798. godine, kada je Tomas Maltus formulisao prvi princip dinamike populacije, koja je kasnije postala poznata kao Maltusov model rasta. U Lotka-Volterove jednačine predator-plen su još jedan poznati primer. Populaciona dinamika preklapa se sa drugim aktivnim područjem istraživanja u matematičkoj biologiji: matematička epidemiologija, proučavanje zaraznih bolesti koje utiču na populaciju. Različiti modeli širenja infekcije su predloženi i analizirani, i pružaju značajne rezultate koji se mogu primeniti na odlukama zdravstvene politike.

Računarski modeli i teorija automata[uredi | uredi izvor]

Monografija o ovoj temi sumira veliku količinu objavljenog istraživanja u ovoj oblasti do 1986. godine,[10][11][12] uključujući stavove u sledećim oblastima: računarske simulacije u biologiji i medicini, modeli arterijskih sistema, modeli neurona, biohemijskih i mreže oscilacija, kvantni automati, kvantni računari u molekularnoj biologiji i genetici, kancerogeno modeliranje,[13] neuronske mreže, genetske mreže, apstraktne kategorije u relacionoj biologiji,[14] metabolička-replikacija sistema, teorija kategorija[15] aplikacije u biologiji i medicini,[16] teorija automata, ćelijski automat, modeli teselacije[17][18] i kompletno samoreprodukovanja, haotični sistemi u organizmu, relaciona biologija i organske teorija.[19] Ovaj objavljeni izveštaj sadrži 390 referenci na recenziranom članku od strane velikog broja autora.[4][20][21]

Modeliranje ćelije i molekularna biologija

Ovo područje dobija podsticaj zbog sve većeg značaja molekularne biologije.[7]

  • Mehanika bioloških tkiva
  • Teoretska enzimologija i Enzimska kinetika
  • Rak modeliranje i simulacija[22][23]
  • Modeliranje kretanja interakcije ćelijske populacije[24]
  • Matematičko modeliranje oštećenog tkiva[25]
  • Matematičko modeliranje unutarćelijske dinamike
  • Matematičko modeliranje ćelijskog ciklusa

Modeliranje fizioloških sistema

Teorija molekularnog skupa[uredi | uredi izvor]

Teorija molekularnog skupa je predstavljen od strane Antonija Bartolomeja, njegove aplikacije su razvijene u matematičkoj biologiji i medicini, posebno u matematičkoj medicini. Teorija molekularnog skupa (MDT) je matematička formulacija iz široke čulno hemijske kinetike bimolekularnih reakcija u smislu skupa molekula i njihovih hemijskih transformacija koje predstavljaju skup-teorijskog mapiranja između molekularnih skupova. U opštem smislu, MDT je teorija molekularnih kategorija koje su definisane kao kategorije molekularnih skupova i njihovih hemijskih transformacija predstavljenih kao skup-teorijskih molekularnih skupova. Teorija je takođe doprinela biostatistici i formulacijama kliničke biohemije problema u matematičkim formulacijama patologije, biohemijskim promenama od interesa za fiziologiju, kliničku biohemiju i medicinu.[28][29]

Kompleksni sistemi biologije[uredi | uredi izvor]

Razrada sistema biologije za razumevanje složenijih životnih procesa je razvijena od 1970. godine u vezi sa molekularnom teorijom skupova, relacionom biologijom i algebarskom biologijom.

Matematičke metode[uredi | uredi izvor]

Model biološkog sistema se konvertuje u sistem jednačina, mada reč 'model' se često koristi kao sinonim za sistem odgovarajućih jednačina. Rešenje jednačina, bilo analitičkim ili numerički sredstvima, opisuje kako se biološki sistem ponaša u vremenu ili u ravnoteži. Postoji mnogo različitih vrsta jednačina i tipova ponašanja koji mogu nastati zavisi kako se model i jednačine koriste. Model često čini pretpostavke o sistemu. Jednačine takođe mogu praviti pretpostavke o prirodi onoga što se može javiti.

Simulacija matematičke biologije[uredi | uredi izvor]

Računar sa značajnom nedavnom evolucijom u obavljanju modela simulacije na osnovu različitih formula. Sajtovi  BioMath Modeler mogu pokrenuti simulacije i prikazivati grafikone interaktivno na pretraživaču.

Matematička biofizika[uredi | uredi izvor]

Ranije faze matematičke biologije bile su pod apsolutnom dominacijom matematičke biofizike, opisane kao primena matematike u biofizici, često uključuje specifične fizičke/matematičke modele biosistema i njihovih komponenti ili delova.

Sledi lista matematičkih opisa i njihovih pretpostavki.

Deterministički procesi (dinamički sistemi)[uredi | uredi izvor]

Fiksno mapiranje između početnog stanja i konačnog stanje. Polazeći od početnog stanja i kretanja napred u vreme, deterministički proces uvek generiše istu putanju, a ne postoje dve putanje koje mogu da se pređu u prostoru.

Stohastički procesi  (dinamički sistemi)[uredi | uredi izvor]

Slučajno mapiranje između početnog stanja i konačnog stanja, čineći stanje sistema slučajne promenljive sa odgovarajućom raspodelom verovatnoće.

  • Ne-Markov proces - generalizovane master jednačine - kontinuirano vreme sa memorijom događaja iz prošlosti, diskretan prostor, vreme čekanja događaja (ili prelaz između država) diskretno javljaju.
  • Skok Markovog procesa - master jednačine - kontinuirano vreme bez sećanja prošlih događaja, diskretan prostor, čekajući nekoliko puta između događaja diskretno se javljaju i daju eksponencijalnu distribuiranost. Vidi još: Monte Karlo metod za numeričke metode simulacije, posebno dinamički Monte Karlo metod i Gilerspijev algoritam.
  • Kontinuiran Markov proces - stohastičke diferencijalne jednačine ili A Foker-Plankova jednačina - neprekidno, stalno stanje prostora, događaji se dogode kontinuirano prema slučajnom Viner procesu.

Prostorno modeliranje[uredi | uredi izvor]

Jedan klasičan rad u ovoj oblasti je rad Alan Tjuringa o morfogenezi Hemijska osnova morfogeneze, objavljen 1952. godine u Filozofskoj transakciji kraljevskog društva. 

  • Putovanje talase[30]
  • Jato
  • Mehanohemijska teorija morfogeneze[31]
  • Biološki obrazac formiranja
  • Prostorno modeliranje pomoću uzoraka

Relacijska biologija[uredi | uredi izvor]

Relacijska biologija (ARB)[32] bavi se proučavanjem opštih, relacionih modela složenih bioloških sistema, specifično morfoloških, ili anatomskih, struktura. Neki od najjednostavnijih modela u ARB su metaboličko ponavljanje, ili (M, R)--sistem je uveo Robert Rosen 1957-1958, kao odnos modela ćelijske i organske organizacije.

Algebarska biologija[uredi | uredi izvor]

Algebarska biologija (takođe poznata kao biologija simboličkih sistema) primenjuje algebarske metode simboličkog računanja pri proučavanju bioloških problema, naročito u genomici, proteomici, analizi molekularne strukture i proučavanju gena.[19][33][34]

Primer modela: ćelijski ciklus[uredi | uredi izvor]

Eukariotski ćelijski ciklus je veoma složen i jedna je od najviše proučavanih tema, jer njegova misregulacija dovodi do raka. To je verovatno dobar primer matematičkog modela jer se bavi jednostavnim računom, ali daje validne rezultate. Dve istraživačke grupe[35][36] proizvele su nekoliko modela ćelijskog ciklusa koji simulira nekoliko organizama. Nedavno su proizvedeni generički eukariotski modeli ćelijskog ciklusa koji mogu predstavljati posebne eukariote u zavisnosti od vrednosti parametara, pokazujući da idiosinkrazije pojedinih ćelijskih ciklusa nastaju usled različitih koncentracija proteina, dok su mehanizmi u njihovoj osnovi konzervirani (Csikasz-Nagy et al., 2006).

Pomoću sistema običnih diferencijalnih jednačina ovi modeli pokazuju promenu u vremenu (dinamički sistem) proteina unutar pojedinačne ćelije; ovaj tip modela se naziva deterministički proces (dok model opisuje statističke distribucije koncentracijama proteina u populaciji ćelija se zove stohastičkim procesom).

Da biste dobili ove jednačine iterativanog niz koraka morate učiniti: prvo nekoliko modela i zapažanja se kombinuju da formiraju konsenzus dijagrama i odgovarajućih kinetičkih zakona koji su odabrani da se napišu diferencijalne jednačine, kao što su brzina hemijske reakcije za stehiometrijske reakcije, Mihaelis-Mentenina kinetika za enzimske supstrate reakcije podloge i Goldbeter-Kohland kinetika za ultrasenzitivni faktor transkripcije, a potom parametrima jednačina (brzina hemijske reakcije, koeficijenti efikasnosti enzima i Mihaelisove konstante) moraju biti opremljene da bi odgovarale zapažanjima; kada ne mogu da se postave kinetička jednačina koja je revidirana, kada to nije moguće dijagram se menja. Parametri su opremljeni i potvrđeno je korišćenje posmatranja oba divlja tipa i mutacija, kao što je protein polu-života i veličina ćelija.

Da bi odgovarale parametrima, diferencijalne jednačine moraju biti proučene. Ovo se može uraditi ili simulacijom ili analizom. U simulaciji, s obzirom na početni niz (lista vrednosti promenljivih), progresija sistema izračunava se rešavanjem jednačina u svakom vremenskom okviru u malim koracima.

U analizi, svojstva jednačina se koriste za istraživanje ponašanja sistema zavisno od vrednosti parametara i promenljivih. Sistem diferencijalnih jednačina može biti predstavljen kao vektor polja, gde svaki vektor koji opisuje promenu (u koncentraciji od dva ili više proteina) utvrđuje gde i koliko brzo se kreće putanja (simulacija). Vektor polja može imati nekoliko specijalnih tačaka: stabilnu tačku, koja je privlačna u svim pravcima (primoravanje koncentracije da bude na određenoj vrednosti), nestabilnu tačku, ili izvornu ili sedlastu tačku, koja odbija (terajući koncentracije da promene dalje od određene vrednosti), i limitni ciklus, zatvorena putanja prema kojoj je nekoliko spiralnih putanja (koncentracija osciluje).

Bolja reprezentacija, koja se bavi velikim brojem promenljivih i parametara, zove se bifurkacijski dijagram (teorija bifurkacije): prisustvo ovih specijalnih stabilnih tačaka na određenim vrednostima parametra (npr. masa) zastupa tačke i jednan parametar koji uzima određenu vrednost, kvalitativna promena koja nastaje, naziva se bifurkacija, u kojoj je priroda prostora promenljiva, sa dubokim posledicama za koncentraciju proteina: ciklus ćelija ima faze (delimično odgovaraju G1 i G2) u kojem mase, preko stabilne tačke, kontrolišu ciklične nivoe, i faze (S i M faze) u kojima se koncentracije menjaju samostalno, ali kada se faza jednom promeni na bifurkacijski načina (kontrola tačaka ćelijskog ciklusa), sistem se ne može vratiti na prethodni nivo od trenutne mase vektora polja koji se razlikuje i masa se ne može preokrenuti nazad kroz bifurkaciju događaja. Kontrolni punktovi S i M su regulisani putem posebnih bifurkacija nazivanim Hopfova bifurkacija i bifurkacija neograničenog vremena.

Vidi još[uredi | uredi izvor]

Društva i institucije[uredi | uredi izvor]

Vidi još[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Mathematical and Theoretical Biology: A European Perspective
  2. ^ "There is a subtle difference between mathematical biologists and theoretical biologists.
  3. ^ Robeva, Raina; et al.
  4. ^ a b Baianu, I. C.; Brown, R.; Georgescu, G.; Glazebrook, J. F. (2006).
  5. ^ Łukasiewicz-Topos Models of Neural Networks, Cell Genome and Interactome Nonlinear Dynamic Models (2004) http://cogprints.org/3701/01/ANeuralGenNetworkLuknTopos_oknu4.pdf/ Arhivirano na sajtu Wayback Machine (13. jul 2007)
  6. ^ Complex Systems Analysis of Arrested Neural Cell Differentiation during Development and Analogous Cell Cycling Models in Carcinogenesis (2004) http://cogprints.org/3687/
  7. ^ a b "Research in Mathematical Biology".
  8. ^ J. R. Junck.
  9. ^ Semple, Charles; Steel, M. A. (2003). Phylogenetics. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850942-4. 
  10. ^ "Computer Models and Automata Theory in Biology and Medicine" (1986). In:Mathematical Modeling: Mathematical Models in Medicine, volume 7:1513-1577, M. Witten, Ed., Pergamon Press: New York. http://cdsweb.cern.ch/record/746663/files/COMPUTER_MODEL_AND_AUTOMATA_THEORY_IN_BIOLOGY2p.pdf
  11. ^ Lin, H.C. 2004. "Computer Simulations and the Question of Computability of Biological Systems": 1-15,doi=10.1.1.108.5072 https://tspace.library.utoronto.ca/bitstream/1807/2951/2/compauto.pdf
  12. ^ "Computer Models and Automata Theory in Biology and Medicine" (1986). (Abstract) http://biblioteca.universia.net/html_bura/ficha/params/title/computer-models-and-automata-theory-in-biology-and-medicine/id/3920559.html Arhivirano na sajtu Wayback Machine (4. oktobar 2011)
  13. ^ "Quantum Interactomics and Cancer Mechanisms" (2004): 1-16, Research Report communicated to the Institute of Genomic Biology, University of Illinois at Urbana https://tspace.library.utoronto.ca/retrieve/4969/QuantumInteractomicsInCancer_Sept13k4E_cuteprt.pdf
  14. ^ Kainen,P.C. 2005."
  15. ^ "bibliography for category theory/algebraic topology applications in physics".
  16. ^ „bibliography for mathematical biophysics and mathematical medicine”. PlanetPhysics. 2009-01-24. Arhivirano iz originala 07. 01. 2016. g. Pristupljeno 2010-03-17. 
  17. ^ Modern Cellular Automata by Kendall Preston and M. J. B. Duff https://books.google.com/books?id=l0_0q_e-u_UC&dq=cellular+automata+and+tessalation&pg=PP1&ots=ciXYCF3AYm&source=citation&sig=CtaUDhisM7MalS7rZfXvp689y-8&hl=en&sa=X&oi=book_result&resnum=12&ct=result
  18. ^ „Dual Tessellation – from Wolfram MathWorld”. Mathworld.wolfram.com. 2010-03-03. Pristupljeno 2010-03-17. 
  19. ^ a b Baianu, I. C. 1987, Computer Models and Automata Theory in Biology and Medicine., in M. Witten (ed.
  20. ^ Currently available for download as an updated PDF: http://cogprints.ecs.soton.ac.uk/archive/00003718/01/COMPUTER_SIMULATIONCOMPUTABILITYBIOSYSTEMSrefnew.pdf Arhivirano [Date missing] na sajtu Archive-It
  21. ^ „bibliography for mathematical biophysics”. PlanetPhysics. Arhivirano iz originala 07. 01. 2016. g. Pristupljeno 2010-03-17. 
  22. ^ Oprisan, Sorinel A.; Oprisan, Ana (2006).
  23. ^ "MCRTN – About tumour modelling project" Arhivirano na sajtu Wayback Machine (3. novembar 2011).
  24. ^ "Jonathan Sherratt's Research Interests".
  25. ^ "Jonathan Sherratt's Research: Scar Formation".
  26. ^ Hassan Ugail.
  27. ^ "Integrative Biology – Heart Modelling" Arhivirano na sajtu Wayback Machine (13. januar 2009).
  28. ^ „molecular set category”. PlanetPhysics. Arhivirano iz originala 07. 01. 2016. g. Pristupljeno 2010-03-17. 
  29. ^ Representation of Uni-molecular and Multimolecular Biochemical Reactions in terms of Molecular Set Transformations [http://planetmath.org/?op=getobj&from=objects&id=10770[]
  30. ^ "Travelling waves in a wound" Arhivirano na sajtu Wayback Machine (6. jun 2008).
  31. ^ "The mechanochemical theory of morphogenesis" Arhivirano na sajtu Wayback Machine (6. jun 2008).
  32. ^ „Abstract Relational Biology (ARB)”. Arhivirano iz originala 07. 01. 2016. g. Pristupljeno 20. 01. 2016. 
  33. ^ Michael P Barnett, "Symbolic calculation in the life sciences: trends and prospects, Algebraic Biology 2005" – Computer Algebra in Biology, edited by H. Anai, K. Horimoto, Universal Academy Press, Tokyo, 2006.
  34. ^ „L. Preziosi, Cancer Modelling and Simulation.” (PDF). Arhivirano iz originala (PDF) 10. 03. 2012. g. Pristupljeno 20. 01. 2016. 
  35. ^ "The JJ Tyson Lab".
  36. ^ "The Molecular Network Dynamics Research Group" Arhivirano na sajtu Wayback Machine (30. oktobar 2019).

Literatura[uredi | uredi izvor]

Teoretska biologija

Spoljašnje veze[uredi | uredi izvor]

Lista referenci

Srodni časopisi[uredi | uredi izvor]