SINH HỌC TOÁN HỌC: LỊCH SỬ, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG - SINH HỌC - 2026

Sinh học toán học hay ngữ học sinh học là một nhánh của khoa học chịu trách nhiệm phát triển các mô hình số mô phỏng các hiện tượng tự nhiên khác nhau liên quan đến sinh vật sống; nghĩa là nó liên quan đến việc sử dụng các công cụ toán học để nghiên cứu các hệ thống tự nhiên hoặc sinh học.

Như có thể hiểu từ tên gọi của nó, ngữ học sinh học là một lĩnh vực liên ngành, nằm ở giao điểm kiến ​​thức giữa sinh học và toán học. Một ví dụ đơn giản của kỷ luật này có thể bao gồm sự phát triển của các phương pháp thống kê để giải quyết các vấn đề trong lĩnh vực di truyền học hoặc dịch tễ học.

Định luật Lotka-Volterra về mối quan hệ giữa kẻ săn mồi và con mồi (Nguồn: Curtis Newton ↯ 10:55, ngày 20 tháng 4 năm 2010 (CEST). Người tải lên ban đầu là Lämpel tại Wikipedia tiếng Đức. Qua Wikimedia Commons)

Trong lĩnh vực kiến ​​thức này, thông thường các kết quả toán học nảy sinh từ các vấn đề sinh học hoặc được sử dụng để giải chúng, tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu đã giải quyết các vấn đề toán học dựa trên quan sát các hiện tượng sinh học, vì vậy nó không phải là mối quan hệ một chiều. giữa cả hai lĩnh vực khoa học.

Từ những điều trên, có thể chắc chắn rằng một vấn đề toán học là mục đích mà các công cụ sinh học được sử dụng và ngược lại; rằng một vấn đề sinh học là mục đích mà nhiều công cụ toán học khác nhau được sử dụng.

Ngày nay, lĩnh vực toán học sinh học đang phát triển nhanh chóng và được coi là một trong những ứng dụng hiện đại và thú vị nhất của toán học. Nó rất hữu ích không chỉ trong sinh học mà còn trong khoa học y sinh và trong lĩnh vực công nghệ sinh học.

Lịch sử của ngữ văn sinh học

Toán học và sinh học là hai ngành khoa học có nhiều ứng dụng. Toán học có lẽ cũng lâu đời như văn hóa phương Tây, nguồn gốc của nó có từ nhiều năm trước Công nguyên, và tính hữu dụng của nó đã được chứng minh cho một số lượng lớn các ứng dụng.

Tuy nhiên, sinh học với tư cách là một khoa học thì gần đây hơn nhiều, vì việc hình thành khái niệm của nó đã không xảy ra cho đến đầu thế kỷ XIX nhờ sự can thiệp của Lamarck, vào những năm 1800.

Mối quan hệ giữa kiến ​​thức toán học và sinh học là gần gũi kể từ thời kỳ đầu tiên của các nền văn minh, kể từ khi việc định cư của các dân tộc du mục diễn ra nhờ phát hiện ra rằng thiên nhiên có thể được khai thác một cách có hệ thống, mà nhất thiết phải có sự tham gia của các khái niệm đầu tiên. toán học và sinh học.

Ban đầu, khoa học sinh học được coi là "nghệ nhân", vì chúng chủ yếu đề cập đến các hoạt động phổ biến như nông nghiệp hoặc chăn nuôi; trong khi đó toán học khám phá ra sự trừu tượng và có những ứng dụng tức thì hơi xa vời.

Sự hợp lưu giữa sinh học và toán học, có lẽ từ thế kỷ 15 và 16, với sự ra đời của sinh lý học, một ngành khoa học tập hợp kiến ​​thức lại với nhau, phân loại, sắp xếp thứ tự và hệ thống hóa nó, sử dụng các công cụ toán học khi cần thiết.

Thomas Malthus

Thomas Malthus, một nhà kinh tế học cùng thời với Lamarck, người đã đặt tiền đề cho sự ra đời của sinh học toán học, vì ông là người đầu tiên đưa ra mô hình toán học để giải thích động lực dân số như một hàm của tài nguyên thiên nhiên.

Các phương pháp tiếp cận của Malthus sau đó đã được phát triển và hoàn thiện hơn, và ngày nay chúng là một phần nền tảng của các mô hình sinh thái được sử dụng để giải thích mối quan hệ giữa động vật ăn thịt và con mồi.

Đối tượng nghiên cứu của sinh học toán học

Toán sinh học là một lĩnh vực khoa học liên ngành. Nguồn: Konstantin Kolosov - Pixabay

Toán sinh học là một môn khoa học kết quả của việc tích hợp các công cụ toán học khác nhau với dữ liệu sinh học, có thử nghiệm hay không, nhằm tìm cách tận dụng “sức mạnh” của các phương pháp toán học để giải thích tốt hơn thế giới của sinh vật sống, tế bào của chúng và của các phân tử của nó.

Bất kể mức độ phức tạp của công nghệ liên quan, sinh học toán học bao gồm việc xem xét "đơn giản" rằng có sự tương tự giữa hai quá trình, cụ thể là:

- Cấu trúc phức tạp của một sinh vật là kết quả của việc áp dụng các thao tác đơn giản “sao chép” và “cắt và nối” hoặc “nối” (ví dụ) đối với thông tin ban đầu chứa trong trình tự DNA (axit deoxyribonucleic ).

- Kết quả f (ω) của việc áp dụng một hàm tính toán cho mảng w có thể nhận được bằng cách áp dụng kết hợp các hàm cơ bản đơn giản w.

Lĩnh vực sinh học toán học áp dụng các lĩnh vực toán học như giải tích, lý thuyết xác suất, thống kê, đại số tuyến tính, hình học đại số, cấu trúc liên kết, phương trình vi phân, hệ thống động lực học, tổ hợp và lý thuyết mã hóa.

Gần đây, ngành học này đã được khai thác rộng rãi để phân tích định lượng các loại dữ liệu khác nhau, vì khoa học sinh học đã được chuyên dụng để tạo ra khối lượng lớn dữ liệu mà từ đó có thể trích xuất thông tin có giá trị.

Trên thực tế, nhiều nhà nghiên cứu cho rằng sự bùng nổ lớn của dữ liệu sinh học đã "tạo ra" nhu cầu phát triển các mô hình toán học mới và phức tạp hơn để phân tích, cũng như các thuật toán tính toán và phương pháp thống kê phức tạp hơn đáng kể.

Các ứng dụng

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của sinh học toán học liên quan đến việc phân tích trình tự DNA, nhưng khoa học này cũng tham gia vào việc mô hình hóa dịch bệnh và nghiên cứu sự lan truyền của các tín hiệu thần kinh.

Nó đã được sử dụng để nghiên cứu các quá trình thần kinh như bệnh Parkinson, bệnh Alzheimer và bệnh xơ cứng teo cơ một bên chẳng hạn.

Nó cực kỳ hữu ích cho việc nghiên cứu các quá trình tiến hóa (các lý thuyết) và cho việc phát triển các mô hình giải thích mối quan hệ của các sinh vật với nhau và với môi trường của chúng, tức là đối với các phương pháp tiếp cận sinh thái.

Mô hình và mô phỏng các loại ung thư khác nhau cũng là một ví dụ điển hình về nhiều ứng dụng mà sinh học toán học có ngày nay, đặc biệt là trong việc mô phỏng các tương tác giữa các quần thể tế bào.

Ví dụ về phân tích trình tự DNA thường được sử dụng trong bộ gen (Nguồn: Radtk172 qua Wikimedia Commons)

Ngữ văn sinh học cũng rất tiên tiến trong lĩnh vực khoa học thần kinh tính toán, trong các nghiên cứu về động thái dân số và về phylogenomics và genomics nói chung.

Trong nhánh cuối cùng của di truyền học, nó có liên quan rất lớn, vì nó là một trong những lĩnh vực có tốc độ tăng trưởng cao nhất trong những năm gần đây, vì tốc độ thu thập dữ liệu cực kỳ cao, điều này xứng đáng có những kỹ thuật mới và tốt hơn cho xử lý và phân tích của nó.

Người giới thiệu

1. Andersson, S., Larsson, K., Larsson, M., & Jacob, M. (Eds.). (1999). Biomathematic: toán học về cấu trúc sinh học và động lực học sinh học. Elsevier.
2. Elango, P. (2015). Vai trò của Toán học đối với Sinh học.
3. Friedman, A. (2010). Sinh học toán học là gì và nó hữu ích như thế nào. Thông báo của AMS, 57 (7), 851-857.
4. Hofmeyr, JHS (2017). Toán học và sinh học. Tạp chí Khoa học Nam Phi, 113 (3-4), 1-3.
5. Kari, L. (1997). Điện toán DNA: sự xuất hiện của toán học sinh học. Công cụ trí tuệ toán học, 19 (2), 9-22.
6. Pacheco Castelao, JM (2000). Sinh học toán học là gì?
7. Reed, MC (2004). Tại sao toán học sinh học khó như vậy? Thông báo của AMS, 51 (3), 338-342.
8. Ulam, SM (1972). Một số ý tưởng và triển vọng trong ngữ học sinh học. Đánh giá hàng năm về lý sinh và kỹ thuật sinh học, 1 (1), 277-292.