ชีววิทยาอุดมไปด้วยรูปแบบ คุณจะพบได้ทุกที่ ตั้งแต่จำนวนกลีบบนดอกไม้ (ซึ่งโดยทั่วไปจะสอดคล้องกับตัวเลขในลำดับฟีโบนัชชี) ไปจนถึงจำนวนกระดูกสันหลังในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม (ยีราฟ มนุษย์ และควอกก้าล้วนมีกระดูกสันหลังส่วนคอเจ็ดส่วน) แม้แต่ไวรัสหลายชนิดก็มีรูปแบบและมีความสมมาตรในเปลือกของมัน คณิตศาสตร์เป็นแกนหลักของศาสตร์แห่งรูปแบบ รูปแบบอาจมีความละเอียดอ่อน ดังนั้นหากไม่ใช้คณิตศาสตร์เพื่ออธิบายและทำ
ความเข้าใจอย่างเป็นทางการ เราก็อาจพลาดสิ่งเหล่านี้ไปโดยสิ้นเชิง
เป็นเวลานานแล้วที่การวิจัยทางชีววิทยามีความก้าวหน้าอย่างมากโดยปราศจากการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ขั้นสูง ซึ่งปัจจุบันกลายเป็นแกนหลักของฟิสิกส์ วิศวกรรมศาสตร์ และวิทยาศาสตร์ภูมิอากาศ แต่สิ่งนี้กำลังเปลี่ยนไป
ชีววิทยาเชิงคณิตศาสตร์เป็นสาขาที่กำลังเติบโตซึ่งสัญญาว่าจะปฏิวัติจุลชีววิทยา เทคโนโลยีชีวภาพ ชีววิทยาเชิงวิวัฒนาการ และการดูแลสุขภาพ ด้วยคณิตศาสตร์ ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ที่ก่อนหน้านี้ต้องใช้เวลาหลายปีในการทดลองลองผิดลองถูก (และของเสียเป็นตัน) สามารถทำได้ในเวลาเพียงเศษเสี้ยวของเวลา ตอนเด็กๆ พวกเราส่วนใหญ่จะเคยเล่นเป่ายิ้งฉุบ กรรไกร ซึ่งเป็นเกมที่หินบดกรรไกร กรรไกรตัดกระดาษ และกระดาษหุ้มหิน
คณิตศาสตร์แบบเดียวกับที่เราใช้อธิบายการเป่ายิ้งฉุบสามารถใช้เพื่อทำนายวัฏจักรของการครอบงำระหว่างสายพันธุ์สัตว์ในพื้นที่ที่อนุญาตให้อยู่ร่วมกันได้ ตัวอย่างเช่น มีกิ้งก่ามีรอยด่างอยู่สามสายพันธุ์ทางตะวันตกเฉียงใต้ของสหรัฐอเมริกา แต่ละพันธุ์มีข้อได้เปรียบเหนือพันธุ์อื่น ๆ และเสียเปรียบกับพันธุ์ที่สาม
กิ้งก่ามีรอยเปื้อนด้านข้างตัวผู้นั่งบนก้อนหินในแนวทแยงมุม
จิ้งจกที่มีรอยด่างด้านข้างแต่ละชนิดมีข้อดีและข้อเสียที่แตกต่างกันเมื่อเปรียบเทียบกับตัวอื่นๆ ชัตเตอร์
คณิตศาสตร์ยังเป็นแนวหน้าในการต่อสู้กับโควิด-19 หากคุณดูข่าว คุณอาจเคยได้ยินเกี่ยวกับ R0 ซึ่งเป็นแนวคิดทางคณิตศาสตร์ที่บ่งชี้ว่าจะเกิดโรคระบาดหรือไม่ เมื่อ R0 มากกว่า 1 จำนวนผู้ติดเชื้อจะเพิ่มขึ้น ด้วย R0 น้อยกว่า 1 การแพร่ระบาดจะตายในที่สุด
แนวคิดที่สำคัญนี้ในระบาดวิทยาโรคติดเชื้อเป็นผลมาจากพลัง
ของคณิตศาสตร์และสถิติในการตรวจจับรูปแบบในข้อมูลที่ละเอียดเกินกว่าจะสังเกตเห็นเป็นอย่างอื่น เป็นกุญแจสำคัญในการคาดการณ์และจัดการการแพร่กระจายของไวรัส COVID-19 สิ่งที่อาจไม่ค่อยเป็นที่รู้จักก็คือคณิตศาสตร์ยังถูกนำมาใช้เพื่อ:
ขณะนี้เรากำลังเข้าสู่ยุคใหม่ของชีววิทยา ซึ่งเราสามารถสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่ออธิบายเซลล์ชีวภาพแต่ละเซลล์อย่างครอบคลุมเพื่อทำนายชะตากรรมของมัน สิ่งนี้เรียกว่า “แบบจำลองเซลล์ทั้งหมด” ช่วยให้เราสามารถคำนวณชีวิตของเซลล์และช่วยให้เราเข้าใจว่าร่างกายมนุษย์ทำงานอย่างไร
นักเขียนคนหนึ่งของนิตยสาร The New Yorker เรียกภารกิจเพื่อทำความเข้าใจโลกภายในเซลล์ว่า “พรมแดนสุดท้าย” และแม้ว่าฟิลด์นี้จะยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่แอปพลิเคชันที่มีศักยภาพมีอยู่ทุกที่
ลองนึกภาพสักครู่หากเราสามารถสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของการทำงานภายในเซลล์ของเชื้อ Staphylococcus aureus (MRSA) ที่ดื้อต่อเมธิซิลลิน ซึ่งเป็นแบคทีเรียตัวร้ายที่ไม่ตอบสนองต่อยาปฏิชีวนะมาตรฐาน
ด้วยแบบจำลองเซลล์ทั้งเซลล์ของ MSRA เราสามารถใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ที่ได้จากการทดลองทางชีววิทยาเพื่อออกแบบวิธีการใหม่ในการป้องกันและรักษาการติดเชื้อแบคทีเรีย MRSA สิ่งนี้จะเพิ่มการป้องกันอีกชั้นหนึ่งในการต่อสู้กับ superbugs ที่ดื้อยา
ประโยชน์ของการสร้างแบบจำลองทั้งเซลล์ขยายไปถึงการรักษามะเร็งด้วย ตัวอย่างเช่น การบำบัดด้วยภูมิคุ้มกันมะเร็งอาศัยการใช้ระบบภูมิคุ้มกันของผู้ป่วยเองเพื่อต่อสู้กับมะเร็ง หากเรามีแบบจำลองเซลล์ที่สมบูรณ์ของเซลล์ภูมิคุ้มกัน เราก็สามารถปรับการตอบสนองการต่อต้านเนื้องอกที่เฉพาะเจาะจงเพื่อปรับปรุงการรักษามะเร็งได้ และทำได้โดยไม่ต้องมีการสำรวจผู้ป่วยที่รุกราน
น้ำสะอาด
นอกเหนือจากการดูแลสุขภาพแล้ว แบบจำลองเซลล์ทั้งหมดยังให้วิธีการจัดหาน้ำสะอาดเพื่อการเกษตรและการผลิตอาหารแก่เรา การบำบัดน้ำอย่างมีประสิทธิภาพทำให้ได้น้ำคุณภาพสูงโดยการกำจัดจุลินทรีย์ สารอินทรีย์ และมลพิษขนาดเล็ก
อย่างไรก็ตาม การสะสมตัวของสสารชีวภาพที่ถูกกำจัดออกจะทำให้ตัวกรองถูกบล็อกด้วยชั้นของสารชีวภาพหรือ “ฟิล์มชีวภาพ” ต้องนำฟิล์มชีวภาพออกเพื่อให้กระบวนการกรองทำงานได้อีกครั้ง ในโรงงานแยกเกลือออกจากน้ำ ประมาณหนึ่งในสี่ของต้นทุนการดำเนินการมาจากการกำจัดฟิล์มชีวภาพ ซึ่งเป็นปัญหาใหญ่
แบบจำลองทั้งเซลล์จะช่วยให้เราแยกแยะกลไกที่สนับสนุนการก่อตัวของฟิล์มชีวภาพได้ จากนั้น เราจะสามารถระบุเป้าหมายที่เหมาะสมในการยับยั้งการก่อตัวของฟิล์มชีวภาพตั้งแต่แรก หรือทำลายฟิล์มชีวภาพเมื่อพวกมันถูกสร้างขึ้น เพื่อฟื้นฟูความสมบูรณ์ของแหล่งจ่ายน้ำ
นี่เป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งในหลายๆ ความสามารถในการทำความเข้าใจ ทำนาย และควบคุมพฤติกรรมของเซลล์จะช่วยติดตามการค้นพบทางเทคโนโลยีชีวภาพและการดูแลสุขภาพอย่างรวดเร็ว ทำให้มั่นใจได้ว่าทุกคนจะมีอนาคตที่มีสุขภาพดี ปลอดภัย และมั่งคั่งยิ่งขึ้น
