Кіріспе

Биологияның математикалық және теориялық саласы – биологияның теориялық талдау, математикалық модельдер және тірі организмдердің абстракцияларын пайдаланып, жүйелердің құрылымы, дамуы және мінез-құлқына басшылық ететін принциптерді зерттейтін саласы. Бұл, ғылыми теорияларды тексеру үшін тәжірибелер жүргізумен айналысатын эксперименталды биологиядан өзгеше. Бұл сала кейде математикалық жағын күшейту үшін математикалық биология немесе биоматематика, ал биологиялық жағын күшейту үшін теориялық биология деп аталады. Теориялық биология биологияның теориялық принциптерін дамытуға көбірек бағытталған, ал математикалық биология биологиялық жүйелерді зерттеу үшін математикалық құралдарды қолдануға бағытталған, дегенмен екі термин кейде бір-бірімен алмастырылады. Математикалық биология қолданбалы математиканың әдістері мен құралдарын қолдана отырып, биологиялық процестерді математикалық түрде бейнелеуге және модельдеуге ұмтылады. Ол теориялық және практикалық зерттеулерде пайдалы болуы мүмкін. Жүйелерді сандық түрде сипаттау олардың мінез-құлқын жақсырақ модельдеуге мүмкіндік береді, соның салдарынан тәжірибешіге анық көрінбейтін қасиеттерді болжауға болады. Бұл үшін нақты математикалық модельдер қажет. Тірі жүйелердің күрделілігіне байланысты теориялық биология математиканың бірнеше саласын пайдаланады және жаңа техникалардың дамуына үлес қосады.

Ерте тарих

Математика 13 ғасырдың басында биологияда қолданыла бастады, Фибоначчи өзінің танымал Фибоначчи тізбесін қоян популяциясының өсуін сипаттау үшін пайдаланды. 18 ғасырда Даниэль Бернулли математиканы шешек ауруының адамдарға тигізетін әсерін сипаттау үшін қолданды. Томас Мальтустың 1789 жылғы адам популяциясының өсуі туралы эссесі экспоненциалды өсу тұжырымдамасына негізделген. Пьер Франсуа Верхульст 1836 жылы логистикалық өсу моделін жасады. Фриц Мюллер 1879 жылы қазір Мюллерлік мимикрия деп аталатын эволюциялық артықшылықты сипаттады, бұл эволюциялық экологияда математикалық дәлелді алғаш рет қолдануымен ерекшеленеді, бұл табиғи іріктеудің қаншалықты күшті болатынын көрсетті, егер Мальтустың Чарльз Дарвинге әсер еткен халық санының өсуінің салдары туралы талқылауын ескермесек: Мальтус өсу экспоненциалды болады деп мәлімдеді (ол "геометриялық" сөзін қолданды), ал ресурстар (ортаның сыйымдылығы) тек арифметикалық түрде өсе алады. "Теориялық биология" термині алғаш рет 1901 жылы Иоганнес Рейнке монографиясының атауы ретінде, ал кейін 1920 жылы Якоб фон Уэкскюль қолданды. Д'Арси Томпсонның "Өсу және пішін туралы" (1917) еңгізілген негізгі мәтіндердің бірі саналады, ал басқа да алғашқы зерттеушілер қатарында Рональд Фишер, Ханс Лео Призбрам, Вито Волтерра, Николас Рашевский және Конрад Хэл Уоддингтон бар.

Зерттеу салалары

Математикалық және теориялық биология саласындағы бірнеше мамандандырылған зерттеулер, сондай-ақ түрлі университеттердегі байланысты жобаларға сыртқы сілтемелер келесі тарауларда қысқаша баяндалған. Бұл тарауларда осы салаға үлес қосқан мыңдаған жарияланған авторлардың тізімінен алынған көптеген тиісті дереккөздер де келтірілген. Ұсынылған мысалдардың көпшілігі жоғары күрделі, сызықтық емес және аса күрделі механизмдермен сипатталады, себебі мұндай өзара әрекеттесулердің нәтижесін математикалық, логикалық, физикалық/химиялық, молекулалық және есептеу модельдерінің жиынтығы арқылы ғана түсінуге болатыны көбінесе мойындалуда.

Абстрактілі реляциялық биология

Абстрактілі реляциялық биология (АРБ) күрделі биологиялық жүйелердің жалпы, реляциялық модельдерін зерттеумен айналысады, көбінесе нақты морфологиялық немесе анатомиялық құрылымдарды ескермейді. АРБ-дегі ең қарапайым модельдердің бірі – Роберт Розеннің 1957–1958 жылдары ұсынған, жасушалық және организмдік ұйымның абстрактілі, реляциялық модельдері болып табылатын метаболикалық репликация, немесе (M, R) жүйелері. Басқа тәсілдерге Матурана мен Варела еңбектеріндегі автопоэзис ұғымы, Кауффманның Жұмыс шектеулерінің циклдары және соңғы кезде шектеулердің жабылуы туралы ұғым кіреді.

Алгебралық биология

Алгебралық биология (символикалық жүйелер биологиясы деп те аталады) биологиялық мәселелерді зерттеуде, әсіресе геномика, протеомика, молекулалық құрылымдарды талдау және гендерді зерттеуде символдық есептеулердің алгебралық әдістерін қолданады.

Күрделі жүйелер биологиясы

1970 жылдан бері күрделі өмір процестерін түсіну мақсатында жүйелік биология молекулалық жиын теориясы, реляциялық биология және алгебралық биологиямен байланысты дамып келді.

Есептеу нейробиологы

Есептеу нейробиологы (теориялық нейробиология немесе математикалық нейробиология деп те аталады) – жүйке жүйесін теориялық тұрғыдан зерттеу саласы.

Эволюциялық биология

Экология және эволюциялық биология дәстүрлі түрде математикалық биологияның басым салалары болды. Эволюциялық биология математикалық теорияның кеңінен зерттелген саласы болды. Бұл саладағы дәстүрлі тәсіл, генетикадан туындаған қиындықтарды қамтиды, ол – популяциялық генетика. Көптеген популяциялық генетиктер жаңа аллельдердің мутация арқылы пайда болуын, жаңа генотиптердің рекомбинация арқылы пайда болуын, сондай-ақ, шамалы ген локустарындағы бар аллельдер мен генотиптердің жиіліктерінің өзгеруін қарастырады. Көптеген геномдық локустардағы ұсақ әсерлер, байланыс тепе-теңдігі немесе жартылай байланыс тепе-теңдігі болжамымен бірге, сандық генетиканы тудырады. Рональд Фишер сандық генетика бойынша жұмысы арқылы статистикада, мысалы, дисперсиялық талдауда маңызды жетістіктерге қол жеткізді. Коалесценттік теорияның кең дамуына әкелген популяциялық генетиканың тағы бір маңызды саласы – филогенетика. Филогенетика – мұрагерлік (эволюциялық) ағаштар мен желілерді қайта құру және талдаумен айналысатын сала. Дәстүрлі популяциялық генетикалық модельдер аллельдер мен генотиптерді зерттейді және көбінесе стохастикалық болып табылады. Көптеген популяциялық генетика модельдері популяция мөлшерінің тұрақты екенін қабылдайды. Өзгермелі популяция мөлшері, көбінесе генетикалық өзгеріс болмаған жағдайда, популяция динамикасы саласында қарастырылады. Бұл саладағы жұмыстар 19 ғасырға, тіпті 1798 жылға дейін барып жетеді, Томас Мальтус кейін Мальтус өсу моделі деп аталған популяция динамикасының алғашқы қағидасын қалыптастырған кезде. Лотка-Волтерра жыртқыш-жемтік теңдеулері тағы бір белгілі мысал. Популяция динамикасы математикалық биологияның тағы бір белсенді зерттеу саласымен байланысты: математикалық эпидемиология, популяцияға әсер ететін жұқпалы ауруларды зерттеу. Жұқпалы аурулардың таралуының әртүрлі модельдері ұсынылып, талданып, денсаулық саясаты шешімдеріне қолданылуы мүмкін маңызды нәтижелер береді. Джон Мейнард Смит және Джордж Р. Прайс алғаш дамытқан эволюциялық ойын теориясында таңдау тікелей мұрагерлік фенотиптерге, генетикалық қиындықтарсыз әсер етеді. Бұл тәсіл математикалық тұрғыдан жетілдіріліп, бейімделу динамикасы саласын құрады.

Математикалық биофизика

Математикалық биологияның бастапқы кезеңдері математикалық биофизикамен еректелді, оны биофизика саласында математиканы қолдану деп түсіндіруге болады. Көбінесе бұл биожүйелер мен олардың құраушы бөліктерінің немесе бөлімшелерінің нақты физикалық/математикалық үлгілерін жасауды қамтыды. Келесісі – математикалық сипаттамалар мен оларға жасалған болжамдардың тізімі.

Детерминистік процестер (динамикалық жүйелер)

Бастапқы күй мен соңғы күй арасындағы белгілі бір сәйкестік. Бастапқы жағдайдан бастап, уақыт бойынша алға жылжу кезінде, детерминистік процесс әрқашан бірдей траекторияны жасайды және екі траекторияның күй кеңістігінде қиылысуы болмайды. Айырмалық теңдеулер/Карталар – дискретті уақыт, үздіксіз күй кеңістігі. Кәдімгі дифференциалдық теңдеулер – үздіксіз уақыт, үздіксіз жай кеңістігі, кеңістіктік туындылары жоқ. Сондай-ақ қараңыз: Сандық кәдімгі дифференциалдық теңдеулер. Бөлшекті дифференциалдық теңдеулер – үздіксіз уақыт, үздіксіз жай-күй кеңістігі, кеңістіктік туындылар. Сондай-ақ қараңыз: Сандық бөлшекті дифференциалдық теңдеулер. Логикалық детерминистік жасушалық автоматтар – дискретті уақыт, дискретті күй кеңістігі. Сондай-ақ қараңыз: Жасушалық автомат.

Стохастикалық процестер (еркін динамикалық жүйелер)

Бастапқы күй мен соңғы күй арасындағы кездейсоқ байланыс, жүйе күйін тиісті ықтималдық таралымы бар кездейсоқ айнымалыға айналдырады. Марков емес процестер – жалпыланған бас теңдеу – өткен оқиғалардың есте сақталуымен үздіксіз уақыт, дискретті күй кеңістігі, оқиғалардың күту уақыты (немесе күйлер арасындағы өтулер) дискретті түрде жүзеге асады. Секіріс Марков процесі – бас теңдеу – өткен оқиғаларды есте сақтамайтын үздіксіз уақыт, дискретті күй кеңістігі, оқиғалар арасындағы күту уақыты дискретті түрде пайда болады және экспоненциалды түрде таралады. Сондай-ақ қараңыз: Сандық симуляциялау әдістері үшін Монте-Карло әдісі, атап айтқанда динамикалық Монте-Карло әдісі және Гиллеспи алгоритмі. Ұдайы Марков процесі – стохастикалық дифференциалдық теңдеулер немесе Фокер–Планк теңдеуі – үздіксіз уақыт, үздіксіз жай кеңістігі, оқиғалар кездейсоқ Винер процесі бойынша үздіксіз түрде жүзеге асады.

Математикалық әдістер

Биологиялық жүйенің моделі теңдеулер жүйесіне түрлендіріледі, бірақ "модель" сөзі көбінесе сәйкес теңдеулер жүйесімен мағынасы бірдей қолданылады. Теңдеулерді талдау арқылы немесе сандық әдістермен шешу, биологиялық жүйенің уақыт өте қалай өзгеретінін немесе тепе-теңдіктегі күйін сипаттайды. Теңдеулердің көптеген түрлері бар және жүйенің мінез-құлқы модельге де, қолданылған теңдеулерге де байланысты. Модель көбінесе жүйе туралы шарттылықтар қояды. Теңдеулер де болатын жағдайлардың мәні туралы шарттылықтарға негізделуі мүмкін.

Молекулалық жиынтық теориясы

Молекулалық жиынтықтар теориясы (МЖТ) – молекулалар жиынтығы және олардың химиялық түрленулері молекулалық жиынтықтар арасындағы теориялық бейнелеулер арқылы көрсетілген биомолекулалық реакциялардың кең мағынадағы химиялық кинетикасының математикалық тұжырымдамасы. Оны Энтони Бартоломей енгізді, ал оның қолданыстары математикалық биологияда, әсіресе математикалық медицинада дамытылды. Жалпы алғанда, МЖТ – молекулалық санаттардың теориясы, олар молекулалық жиынтықтар санаттары ретінде анықталады және олардың химиялық түрленулері молекулалық жиынтықтардың теориялық бейнелеулері ретінде көрсетіледі. Бұл теория сондай-ақ биостатистикаға, патологиялық және биохимиялық өзгерістерді зерттеуге қатысты клиникалық биохимия мәселелерін математикалық тұрғыдан формулирлеуге үлес қосты, бұл өзгерістер физиология, клиникалық биохимия және медицина үшін қызығушылық тудырады. Күрделі биологиялық жүйелердің жалпы, реляциялық модельдерін зерттеумен айналысады, көбінесе нақты морфологиялық немесе анатомиялық құрылымдарды ескермейді. Роберт Розеннің 1957–1958 жылдары енгізген жасушалық және организмдік ұйымның абстрактілі, реляциялық модельдері болып табылатын метаболикалық көбейту немесе (M, R) жүйелері – ARB-дегі ең қарапайым модельдердің бірі.

Үлгі мысал: жасуша циклы

Эукариоттық жасуша циклы өте күрделі және оның бұзылуы қатерлі ісіктерге алып келетіндіктен, осы цикл жан-жақты зерттелген. Бұл математикалық модельдеудің жақсы мысалы болуы мүмкін, себебі ол қарапайым есептеулерді қолданады, бірақ шын мәнінде дұрыс нәтижелер береді. Екі зерттеу тобы бірнеше организмдерді модельдеуге арналған жасуша циклының бірнеше моделін жасады. Жақында олар параметрлердің мәндеріне байланысты нақты эукариотты бейнелей алатын, жалпы эукариоттық жасуша циклының моделін ұсынды. Бұл жеке жасуша циклдарының ерекшеліктері әртүрлі белок концентрацияларымен және байланысқандық қасиеттерімен байланысты екенін, ал негізгі механизмдер сақталғанын көрсетеді (Csikasz Nagy және авторлар, 2006). Бұл модельдер қарапайым дифференциалдық теңдеулер жүйесі арқылы бір типті жасуша ішіндегі белоктердің уақыт өте қалай өзгеретінін (динамикалық жүйе) көрсетеді. Мұндай модельдер детерминистік процестер деп аталады (ал жасушалар популяциясындағы белок концентрацияларының статистикалық таралуын сипаттайтын модельдер стохастикалық процестер деп аталады). Бұл теңдеулерді алу үшін бірнеше қадамнан тұратын итеративтік процестен өту қажет: біріншіден, әртүрлі модельдер мен байқаулар консенсус диаграммасын құру үшін біріктіріледі және дифференциалдық теңдеулерді жазу үшін тиісті кинетикалық заңдар таңдалады, мысалы, стехиометриялық реакциялар үшін жылдамдық кинетикасы, фермент-субстрат реакциялары үшін Михаэлис-Ментен кинетикасы және жоғары сезімтал транскрипция факторлары үшін Голдбетер-Кошланд кинетикасы. Содан кейін теңдеулердің параметрлері (жылдамдық константалары, ферменттік тиімділік коэффициенттері және Михаэлис константалары) байқауларға сәйкес келу үшін түзетіледі. Егер түзету мүмкін болмаса, кинетикалық теңдеу қайта қарастырылады, ал бұл да сәтті болмаса, сымдық схема өзгертіледі. Параметрлерді табиғи және мутантты жасушалардың, мысалы, белоктың жартылай өмір сүру мерзімі және жасуша көлемі сияқты байқаулары арқылы түзету және растау жүргізіледі. Параметрлерді түзету үшін дифференциалдық теңдеулерді зерттеу қажет. Бұл симуляция немесе талдау арқылы жасалуы мүмкін. Симуляцияда бастапқы вектор (айнымалылардың мәндерінің тізімі) берілген кезде, жүйенің дамуы әр уақыт кезеңінде теңдеулерді кішігірім қадамдармен шешу арқылы есептеледі. Талдау кезінде теңдеулердің қасиеттері параметрлер мен айнымалылардың мәндеріне байланысты жүйенің мінез-құлқын зерттеу үшін қолданылады. Дифференциалдық теңдеулер жүйесін векторлық өріс ретінде бейнелеуге болады, онда әрбір вектор (екі немесе одан көп белоктың концентрациясының өзгеруін) траекторияның (симуляцияның) қайда және қаншалықты жылдам бағытталатынын анықтайды. Векторлық өрістерде бірнеше ерекше нүктелер болуы мүмкін: тұрақты нүкте, «тарту ортасы» деп аталады, ол барлық бағыттардан тартымды күшті (концентрацияларды белгілі бір мәнге жеткізеді) көрсетеді, тұрақсыз нүкте, «көз» немесе «еңіс» нүктесі, ол кері күшті (концентрацияларды белгілі бір мәннен алыстатады) көрсетеді, және шекті цикл, бірнеше траекториялар спираль тәрізді жақындайтын жабық траектория (концентрацияларды тербеліске түсіреді). Көптеген айнымалылар мен параметрлерді басқару үшін жақсырақ бейнелеу – бифуркация теориясын қолданатын бифуркация диаграммасы. Параметрдің белгілі бір мәндерінде (мысалы, масса) осы ерекше тұрақты күй нүктелерінің болуы нүктемен көрсетіледі, ал параметр белгілі бір мәннен өткен кезде сапалық өзгеріс, яғни бифуркация пайда болады, бұл кеңістіктің сипатын өзгертеді және белок концентрацияларына зор әсер етеді: жасуша циклында масса арқылы (тұрақты нүкте арқылы) циклиндердің деңгейін бақылайтын фазалар (G1 және G2 фазаларына жартылай сәйкес келеді) және концентрациялар тәуелсіз түрде өзгеретін фазалар (S және M фазалары) болады. Бірақ фаза бифуркация оқиғасында (жасуша циклының бақылау нүктесі) өзгергеннен кейін, жүйе бұрынғы деңгейге қайта орала алмайды, өйткені қазіргі массада векторлық өріс күрт өзгергендіктен, массаны бифуркация оқиғасы арқылы кері қайтару мүмкін емес, бұл бақылау нүктесін өзгеріссіз етеді. Атап айтқанда, S және M бақылау нүктелері Хопф бифуркациясы және шексіз кезең бифуркациясы деп аталатын ерекше бифуркациялар арқылы реттеледі.