數學生物學正在改變世界

生物學的世界包含了豐富的模式。仔細觀察就不難發現，模式無處不在。

一朵花的花瓣數量通常對應着斐波那契數列中的一個數字，而哺乳動物的椎骨數量也很有規律，比如長頸鹿、人類和短尾矮袋鼠都有7節頸椎。甚至許多病毒也遵循着模式，在它們的外殼上表現出了對稱性。

自然的花朵中藏着斐波那契數列的秘密。（圖／BlueRidgeKitties, Flickr, CC BY-NC-SA）

而數學的核心就是研究模式的科學。自然中的一些模式可能非常微妙，因此，如果不用數學來正式描述並理解它們，我們可能就會完全忽略。而如今，數學模型已經成爲物理學、工程學和氣候科學的核心。

長期以來，生物學研究在很大程度上沒有先進的數學模型，但這種情況正在逐漸改變。數學生物學是一個不斷髮展的領域，它有望徹底顛覆微生物學、生物技術、進化生物學和醫療保健。

有了數學的輔助，以往需要多年試錯實驗（和大量浪費）的科學突破，也許可以在更短的時間裡實現。

以下正是在數學生物學方面取得的一些最新進展。

病毒和自然世界

小時候，我們大多數人都玩過“石頭剪刀布”的遊戲。事實上，我們用來描述石頭剪子布的數學方法，也可以用來預測一個地區中動物物種之間讓它們共存的優勢循環。

例如，在美國西南部有三個品種的側斑鬣蜥，每個品種相對於另一個品種具有一定生存優勢，而相對於第三個品種則具有劣勢。這就好比石頭可以贏剪刀卻會輸給布，帶來了一種生態中的平衡。

側斑鬣蜥。（圖／Kerry Matz, Flickr, CC BY-NC-SA）

數學也一直是我們對抗COVID-19的前沿陣地。

如果你關注新聞，可能聽說過R0，這是一個表明流行病傳播性質的數學概念。傳染性流行病學中的這一關鍵概念是數學和統計學力量的結果，它可以檢測到數據中的模式。簡單來說，當R0大於1時，感染的數量會上升。當R0小於1時，流行病則將最終消亡。這一直是預測和控制流行病傳播的關鍵。

也許鮮爲人知的是，數學生物學也正被用來：

· 設計殺死癌細胞的病毒，例如通過組合療法來治療卵巢癌；

· 設計干預措施，來幫助消除瘧疾；

· 確定抗菌素耐藥性的原因；

· 爲發展中國家和乾旱地區帶去清潔的飲用水；

· 揭開活細胞的內部運作。

全細胞模型

在諸多數學應用中，其中一項格外引人注目。

在這個生物學的新時代，研究人員可以建立數學模型，全面地描述單個生物細胞，從而預測它的命運。這被稱爲“全細胞模型”，它讓我們能計算出一個細胞的生命週期，並幫助我們理解生物的工作原理。

一位作家將對細胞內部世界的探索稱爲“最終邊界”（final frontier）。儘管這一領域仍處於起步階段，但它的潛在應用其實無處不在。

想象一個場景。耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）是一種能抵禦標準抗生素的超級細菌。如果我們建立一個MRSA的細胞內部工作的複製數學模型，就可以在生物實驗的基礎上，使用計算機模擬來設計預防和治療MRSA細菌感染的新方法。這將爲我們與抗藥性超級細菌的鬥爭增加另一層防禦。

MRSA。（圖／National Institute of Allergy and Infectious Diseases, National Institutes of Health, CC BY-NC）

全細胞建模的益處也延伸到了癌症治療。例如，癌症免疫療法依賴於藉助病人自身的免疫系統來對抗癌症。如果我們有一個完整的免疫細胞模型，就可以針對特定的抗腫瘤反應進行微調，改善抗癌療法，並且不需要對病人進行任何侵入性探查。

醫療保健之外的應用

除了醫療保健，全細胞模型還爲我們提供了農業和食品生產中的清潔用水的方法。

有效的水處理通過去除微生物、有機物質和微污染物而產生高質量的水。然而，被去除的生物物質的堆積不可避免地會導致過濾器被一層生物物質，或者叫“生物膜”所堵塞。生物膜一旦形成，只有被清除後，過濾過程才能再次工作。在海水淡化廠，大約四分之一的運行成本歸因於生物膜的清除，這成了一個大問題。

全細胞模型讓科學家能夠剖析生物膜形成的基礎機制，隨後，就能確定合適的目標，首先抑制生物膜的形成，或在生物膜形成後加以破壞，恢復供水系統的完整性。

這只是諸多例子中的寥寥幾個。科學家相信，理解、預測並控制細胞的行爲，將快速推動生物技術和醫療保健方面的發現，確保爲每個人提供一個更健康、更安全和更繁榮的未來。

#創作團隊：

原文作者：Jennifer Flegg（墨爾本大學應用數學副教授）

Michael P. H. Stumpf（墨爾本大學理論系統生物學教授）

編譯：Måka

排版：雯雯

#參考來源：

https://theconversation.com/the-next-breakthrough-tool-in-biology-its-maths-here-are-some-ways-mathematical-biology-is-helping-change-the-world-186209

#圖片來源：

封面圖：pxhere

首圖：Dhlim2007, Wikimedia Common, CC BY-SA