Matemática é a linguagem da ciência. Ela surge em todos os lugares, da física à engenharia e à química - ajudando-nos a compreender as origens do universo e a construir pontes que não colapsarão com o vento. Talvez um pouco mais surpreendente, a matemática também seja cada vez mais essencial para a biologia.

Por centenas de anos, a matemática tem sido usada, com grande sucesso, para modelar sistemas físicos relativamente simples. Newton's lei universal da gravitação é um bom exemplo. Observações relativamente simples levaram a uma regra que, com grande precisão, descreve o movimento de corpos celestes a bilhões de quilômetros de distância. Tradicionalmente, a biologia tem sido vista como muito complicada para se submeter a esse tratamento matemático.

Os sistemas biológicos são frequentemente classificados como “complexos”. Complexidade nesse sentido significa que, devido à interação complicada de muitos sub-componentes, os sistemas biológicos podem exibir o que chamamos de comportamento emergente - o sistema como um todo demonstra propriedades que os componentes individuais agindo isoladamente não conseguem. Essa biocomplexidade tem sido muitas vezes confundida vitalismo, o equívoco de que os processos biológicos dependem de uma força ou princípio distinto das leis da física e da química. Consequentemente, foi assumido que sistemas biológicos complexos não são passíveis de tratamento matemático.

Houve alguns primeiros dissidentes. Famoso cientista da computação e quebra-código da Segunda Guerra Mundial Alan Turing foi um dos primeiros a sugerir que fenômenos biológicos poderiam ser estudados e compreendidos matematicamente. Em 1952 ele propôs um par de belas equações matemáticas que fornecem uma explicação de como os padrões de pigmentação podem se formar nos casacos dos animais.

Seu trabalho não apenas era bonito, como também era contra-intuitivo - o tipo de trabalho que apenas uma mente brilhante como a de Turing jamais poderia ter sonhado. Mais ainda, pena que ele fosse tão maltratado sob as draconianas leis anti-homossexuais da época. Após um curso de tratamento hormonal “corretivo”, ele se matou apenas dois anos depois.

Um campo emergente

Desde então, o campo da biologia matemática explodiu. Nos últimos anos, procedimentos experimentais cada vez mais detalhados levaram a um enorme influxo nos dados biológicos disponíveis aos cientistas. Esses dados estão sendo usados ​​para gerar hipóteses sobre a complexidade de sistemas biológicos anteriormente obscuros. Para testar essas hipóteses, elas devem ser escritas na forma de um modelo que possa ser interrogado para determinar se ele imita corretamente as observações biológicas. A matemática é a linguagem natural para se fazer isso.

Além disso, o advento e o subsequente aumento da capacidade computacional ao longo dos últimos anos 60 permitiram-nos sugerir e depois interrogar modelos matemáticos complexos de sistemas biológicos. A percepção de que os sistemas biológicos podem ser tratados matematicamente, juntamente com a capacidade computacional de construir e investigar modelos biológicos detalhados, levou ao aumento dramático da popularidade da biologia matemática.

A matemática tornou-se uma arma vital no arsenal científico que temos de enfrentar algumas das questões mais urgentes da ciência médica, biológica e ecológica no século 21. Ao descrever matematicamente os sistemas biológicos e depois usar os modelos resultantes, podemos obter insights que são impossíveis de acessar através de experimentos e raciocínio verbal. A biologia matemática é extremamente importante se quisermos mudar a biologia de uma ciência descritiva em uma ciência preditiva - dando-nos poder, por exemplo, para evitar pandemias ou para alterar os efeitos de doenças debilitantes.

Uma nova arma

Nos últimos anos da 50, por exemplo, os biólogos matemáticos construíram representações computacionais cada vez mais complexas da fisiologia do coração. Hoje, esses modelos altamente sofisticados estão sendo usados ​​na tentativa de entender melhor o funcionamento complicado do coração humano. Simulações computacionais da função cardíaca nos permitem fazer previsões sobre como o coração irá interagir com as drogas candidatas, projetado para melhorar sua função, sem ter que empreender ensaios clínicos caros e potencialmente arriscados.

Usamos a biologia matemática para estudar doenças também. Em uma escala individual, os pesquisadores elucidaram os mecanismos pelos quais nosso sistema imunológico luta contra os vírus através de imunologia matemática e sugeriu intervenções potenciais para inclinar a balança a nosso favor. Em uma escala mais ampla, os biólogos matemáticos propuseram mecanismos que podem ser usados ​​para controlar a disseminação de epidemias mortais como Ebolae assegurar que os recursos finitos dedicados a esse propósito sejam empregados da maneira mais eficiente possível.

A biologia matemática está sendo usada até mesmo para informar a política. Tem havido pesquisas feitas sobre a pesca, por exemplo, usando modelagem matemática para estabelecer cotas realistas, a fim de garantir que não overfish nossos mares e que protegemos algumas das nossas espécies mais importantes.

A maior compreensão adquirida por uma abordagem matemática pode levar a uma melhor compreensão da biologia em diferentes escalas. No o Centro de Biologia Matemática em BathPor exemplo, estudamos vários problemas biológicos prementes. Em um extremo do espectro, tentamos desenvolver estratégias para evitar efeitos devastadores de pragas de gafanhotos compreendendo até um bilhão de indivíduos. No outro extremo, procuramos elucidar os mecanismos que dão origem ao correto desenvolvimento do embrião.

Embora a biologia matemática tenha sido tradicionalmente o domínio dos matemáticos aplicados, é claro que os matemáticos que se autoclassificam como puros têm um papel a desempenhar na revolução da biologia matemática. A disciplina pura da topologia está sendo usada para entender o problema complicado da embalagem do DNA geometria algébrica está sendo usada para selecionar o modelo mais apropriado de redes de interação bioquímica.

À medida que o perfil da biologia matemática continua a aumentar, cientistas emergentes e estabelecidos de disciplinas do espectro científico serão atraídos para enfrentar a rica gama de problemas importantes e inovadores que a biologia tem a oferecer.

A idéia revolucionária de Turing, embora não plenamente apreciada em seu tempo, demonstrou que não havia necessidade de apelar para o vitalismo - o deus na máquina - para entender os processos biológicos. As leis químicas e físicas codificadas em matemática, ou "biologia matemática", como agora a denominamos, poderiam funcionar bem.

Sobre o autor

Christian Yates, professor de biologia matemática, University of Bath

Este artigo foi originalmente publicado em A Conversação. Leia o artigo original.

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