Как математик помог биологам совершить важное открытие

14 Марта 2017 в 21:30, Илья Хель 9 152 просмотра 24

Несмотря на то, что математику часто называют фундаментальной наукой, она так же часто не получает достаточного уважения, когда представляют научные открытия. Но вклад математики и статистики крайне важен и преобразовал целые области исследований — многие открытия были бы невозможны без них. Далее — рассказ математика от первого лица.

Как математик, я сделал вклад в научные открытия и представил решения проблем, которые пытались решить биологи. Семь лет назад я посетил лекцию на тему биологических исследований, которые проводились в университете Херио-Ватт. У моих коллег была нерешенная проблема, связанная с движением мешкообразных структур, называемых везикулами, которые перемещают гормоны и нейротрансмиттеры, такие как инсулин и серотонин, по клеткам и телу.

Их проблема заключалась в том, что везикулы, как известно, следуют определенным дорожкам по скелету клетки, которые ведут к особым молекулам, которые затем заставляют везикулу высвободить свое содержимое в клетку. Однако, когда сами биологи попытались найти эти дорожки, тех не оказалось на ожидаемых местах.

Важно понимать, как ведут себя (или не ведут) везикулы, потому что они связаны с разными заболеваниями, от диабета до неврологических расстройств. Биологи не могли найти способ понимания этих везикул — но у меня было решение в математическом инструментарии.

Математика лучше биологии?

Через два года совместной работы я сказал коллегам: «Моя модель и компьютерные эксперименты лучше вашего микроскопа!».

Под этим весьма гордым заявлением я имел в виду, что, используя математику для моделирования перемещения молекул по клетке, мы можем спрогнозировать и провести множество экспериментов на компьютере в масштабах меньших и более быстром темпе, чем под микроскопом. Это позволяет нам раскрывать то, что не могут позволить ресурсы биологов, и даже указать нам в направлении целевых молекул для будущего лечения диабета и неврологических расстройств.

Математическая модель позволила нам понять, что движение везикул требует энергии — а математика моделирует его на энергетическом ландшафте. Представим, что везикула — это велосипедист, едущий на велосипеде: ландшафт может иметь ровные и неровные участки, которые требуют больше энергии для их преодоления. Мы хотели проверить, действительно ли везикулы стараются избегать этих холмов.

После семи лет совместной работы с биологами мы с коллегами доказали, что наша гипотеза верна. Везикулы действительно следуют по низкоэнергетическим «долинам», избегая молекул, которые создают энергетические бугры на энергетическом ландшафте, выбирают самый легкий путь. И результат ожидаемый для биологов: везикулы действительно оказываются в одной конечной локации и снова и снова используют одни и те же пути. Разница была лишь в том, как они это делают, и делают они это не просто следуя по клеточному скелету, как полагали биологи — они выбирают простейший маршрут. Это открытие продемонстрировало силу математики и ее возможности в других науках.

Математические модели позволяют вам собирать множество гигабайт сырых данных в компактной форме, чего не могут биологи с микроскопами. Вы с легкостью можете вносить изменения в модель и видеть, как может меняться поведение везикул во время заболевания, когда они повреждены или мутировали. Также это может показать, на какие молекулы ориентироваться в будущих исследованиях — и заложить основу для более крупного и тщательного моделирования сложных биологических процессов.

Смоделированный энергетический ландшафт

Интеграция передовой микроскопии с клеточной биологии и математическим моделированием можно применить ко многим другим проблемам в биомедицине и ускорить наступление грядущих открытий. Движение молекул и других клеточных компонентов — лишь один пример того, на что способна математика, но этим она, конечно, не ограничивается.

Математику часто критикует общество за отсутствие «реальных» применений, но она все время применяется ко многим реальным проблемам. Загрязнение грунтовых вод, финансовое и экономическое прогнозирование, высота извержений вулканов, моделирование биологических процессов и доставки лекарств — лишь несколько примеров. Математика играет центральную роль во многих научных достижениях всего мира и заслуживает ведущей роли в большинство научных публикаций.

Гэбриел Лорд, профессор математики в Университете Херио-Ватт

Как математик помог биологам совершить важное открытие

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

24 комментария

  1. sergei.krutoi

    Математика - игра ума. Выбирает ответ верный в этой игре лишь тот кто её любит. Перельман тоже любил числа, по-этому и доказал теорему Пуарэ. Тот кто любит кого-либо или что-либо, то он всегда наилучший в этом. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  2. dentges

    Сегодня армянский физик показал своё открытие. Он назвал её "вертикальный генератор" или типа того, точно не помню. По его словам генератор может вырабатывать энергии столько, что хватит для целого завода. Подробности узнаю через несколько дней. Поделюсь. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  3. freerespects

    Не оказали достаточно уважения старику. Вот и написал он статью о своём вкладе. (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  4. ainaplast

    Глупая статья. Только не образованный человек может сказать что математика не нужна! Но не образованный человек скажет такое и про другие науки! Математика лежит в основе всех точных наук и это обсуждению не подлежит!!! (отправлено из приложения Hi-News.ru)

    • Period

      фраза "математика не нужна" на этой странице монопольно принадлежит только вам

  5. amd212

    "Тёрки" между фундаментальщиками и прикладниками.
    - Я важнее!
    - Нет я!
    - И я!(инвестор)

  6. Razval

    Не надо было жену у Нобеля отбивать, сейчас бы не жаловались )

  7. remedy

    Это только последний дебил может такое говорить "Математику часто критикует общество за отсутствие «реальных» применений". В действительности трудно представить себе хоть что-то в реальном обществе, где не используется математика.
    Как такое вообще можно было написать? Я шокирован

    • voviliamus

      Хотел что-то подобное написать. Может автору не повезло жить в обществе дураков, поэтому он считает, что все общество критикует математику?

    • deaddreams

      +
      Даже люди недолюбливающие математику признают ее значение.

  8. Skydreamer

    Да математика это вообще ересь (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  9. Khius

    В мире 40000 математиков (отправлено из iOS приложения Hi-News.ru)

  10. Disson

    Ну захотелось человеку внимания. Видно обошли, как иногда бывает. Мы везде читаем и слышим, что кто-то на основе математической модели открыл что-то, но порой не слышим имена самих математиков (может я и ошибаюсь). Безусловно, их трудами мы активно пользуемся везде и всегда. Может человеку тоже нужно чтобы о нем говорили. Вот и поговорили.

  11. Disson

    Вот только непонятно почему человек решил, что математика лучше биологии??? Дополняют, да. Но биологи массу открытий делают сами. Математика не предскажет существования тех же везикул или митохондрий, или других органелл в клетке. Как не предскажет и внутриклеточных процессов. Может смоделировать варианты, базируясь на точном знании того, что там действительно происходит. И это сильно облегчает задачу биологам, да. Тут человек прав. Но всех вопросов в биологии она не решит, даже если кому-то очень хочется получить за это лавры.

    • sergei.krutoi

      Как может быть что-либо лучше или хуже, если одно и другое создано и развивается взаимодействуя друг с другом. Именно сейчас математика лучше по-тому, что актуальнее на данном этапе развития, и не более того. В дальнейшем математика будет не нужна, т. к. биология выйдет на уровень расчётов от мозга, где цифры перейдут в противоположную область, аналога частотного излучения и приёма мозга. (отправлено из приложения Hi-News.ru)

  12. Serhio

    Особенно умиляет фотография в начале. Сборище формул по тригонометрии из учебника для девятого класса. Теорема Пифагора - как без нее. Не говоря уж про детский вопрос "как он написал формулы в полутора метрах над головой"

    • Disson

      Дизайнер - тоже художник! Он так видит! Все смотрите как он видит! Вот.

      • freerespects

        У него просто была табуреточка, как пришло время фотографироваться, табуреточку пнули, чтоб вылетела из кадра.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.