Les mathématiques sont le langage de la science. Il surgit partout de la physique à l'ingénierie et à la chimie - nous aidant à comprendre les origines de l'univers et à construire des ponts qui ne s'effondreront pas dans le vent. De façon peut-être un peu plus surprenante, les mathématiques font de plus en plus partie intégrante de la biologie.

Pendant des centaines d'années, les mathématiques ont été utilisées, à bon escient, pour modéliser des systèmes physiques relativement simples. Newton loi universelle de la gravitation est un bel exemple. Des observations relativement simples ont conduit à une règle qui, avec une grande précision, décrit le mouvement des corps célestes à des milliards de kilomètres. Traditionnellement, la biologie a été considérée comme trop compliquée pour se soumettre à un tel traitement mathématique.

Les systèmes biologiques sont souvent classés comme "complexes". La complexité dans ce sens signifie qu'en raison de l'interaction compliquée de nombreux sous-composants, les systèmes biologiques peuvent présenter ce que nous appelons un comportement émergent - le système dans son ensemble présente des propriétés que les composants individuels agissant seuls ne peuvent pas. Cette biocomplexité a souvent été confondue avec vitalisme, l'idée fausse que les processus biologiques dépendent d'une force ou d'un principe distinct des lois de la physique et de la chimie. Par conséquent, il a été supposé que les systèmes biologiques complexes ne peuvent pas être traités par un traitement mathématique.

Il y avait quelques dissidents tôt. Informaticien renommé et briseur de code de la Seconde Guerre mondiale Alan Turing fut l'un des premiers à suggérer que les phénomènes biologiques pourraient être étudiés et compris mathématiquement. Dans 1952, il a proposé une paire de belles équations mathématiques qui fournissent une explication de la façon dont les modèles de pigmentation peuvent se former sur les pelages des animaux.

Non seulement son travail était beau, mais il était aussi contre-intuitif - le genre de travail que seul un esprit brillant comme celui de Turing aurait pu imaginer. Encore plus dommage, alors, qu'il était si mal traité en vertu des lois anti-homosexualité draconiennes de l'époque. Après un traitement hormonal «correctif», il s'est suicidé deux ans plus tard.

Un domaine émergent

Depuis lors, le domaine de biologie mathématique a explosé. Ces dernières années, des procédures expérimentales de plus en plus détaillées ont conduit à un afflux massif de données biologiques à la disposition des scientifiques. Ces données sont utilisées pour générer des hypothèses sur la complexité des systèmes biologiques précédemment abstrus. Afin de tester ces hypothèses, elles doivent être écrites sous la forme d'un modèle qui peut être interrogé pour déterminer s'il imite correctement les observations biologiques. Les mathématiques sont le langage naturel pour ce faire.

En outre, l'avènement et l'augmentation subséquente de la capacité de calcul au cours des dernières années 60 nous ont permis de suggérer puis d'interroger des modèles mathématiques complexes de systèmes biologiques. La prise de conscience que les systèmes biologiques peuvent être traités mathématiquement, couplée avec la capacité de calcul pour construire et étudier des modèles biologiques détaillés, a conduit à l'augmentation spectaculaire de la popularité de la biologie mathématique.

Les mathématiques sont devenues une arme essentielle dans l'arsenal scientifique, nous devons aborder certaines des questions les plus pressantes dans la science médicale, biologique et écologique dans le 21st siècle. En décrivant les systèmes biologiques de façon mathématique et en utilisant ensuite les modèles qui en résultent, nous pouvons obtenir des informations qui sont impossibles à accéder par des expériences et un raisonnement verbal. La biologie mathématique est extrêmement importante si nous voulons changer la biologie d'une science descriptive en une science prédictive - nous donnant le pouvoir, par exemple, d'éviter les pandémies ou de modifier les effets des maladies débilitantes.

Une nouvelle arme

Au cours des dernières années 50, par exemple, les biologistes mathématiques ont construit des représentations computationnelles de plus en plus complexes de la physiologie du cœur. Aujourd'hui, ces modèles très sophistiqués sont utilisés pour tenter de mieux comprendre le fonctionnement compliqué du cœur humain. Les simulations informatiques de la fonction cardiaque nous permettent de faire des prédictions sur la façon dont le cœur va interagir avec des médicaments candidats, conçus pour améliorer sa fonction, sans avoir à entreprendre des essais cliniques coûteux et potentiellement risqués.

Nous utilisons également la biologie mathématique pour étudier la maladie. Sur une échelle individuelle, les chercheurs ont élucidé les mécanismes par lesquels notre système immunitaire lutte contre les virus à travers immunologie mathématique et suggéré des interventions potentielles pour faire pencher la balance en notre faveur. À plus grande échelle, les biologistes mathématiques ont proposé des mécanismes qui peuvent être utilisés pour contrôler la propagation de épidémies mortelles comme le virus Ebolaet veiller à ce que les ressources limitées dédiées à cet objectif soient utilisées de la manière la plus efficace possible.

La biologie mathématique est même utilisée pour informer la politique. Des recherches ont été menées sur la pêche, par exemple, en utilisant la modélisation mathématique pour établir des quotas réalistes afin de garantir ne surpêchez pas nos mers et que nous protégeons certaines de nos espèces les plus importantes.

La compréhension accrue obtenue en adoptant une approche mathématique peut mener à une meilleure compréhension de la biologie à différentes échelles. À le Centre de biologie mathématique à Bathpar exemple, nous étudions un certain nombre de problèmes biologiques pressants. À une extrémité du spectre, nous essayons de développer des stratégies pour éviter effets dévastateurs des invasions de criquets comprenant jusqu'à un milliard d'individus. À l'autre extrémité, nous essayons d'élucider les mécanismes qui donnent naissance à développement de l'embryon.

Bien que la biologie mathématique ait traditionnellement appartenu aux mathématiciens appliqués, il est clair que les mathématiciens qui s'auto-classent comme purs ont un rôle à jouer dans la révolution de la biologie mathématique. La discipline pure de la topologie est utilisée pour comprendre le problème noueux de l'emballage d'ADN et la géométrie algébrique est utilisée pour sélectionner le modèle le plus approprié de réseaux d'interactions biochimiques.

Alors que le profil de la biologie mathématique continue d'augmenter, des scientifiques émergents et établis provenant de disciplines du spectre scientifique seront attirés pour aborder la riche gamme de problèmes importants et nouveaux que la biologie a à offrir.

L'idée révolutionnaire de Turing, bien que peu appréciée à son époque, démontrait qu'il n'était pas nécessaire de faire appel au vitalisme - le dieu dans la machine - pour comprendre les processus biologiques. Les lois chimiques et physiques codées en mathématiques, ou «biologie mathématique» comme nous l'appelons maintenant, pourraient très bien se passer.

A propos de l'auteur

Christian Yates, Maître de conférences en biologie mathématique, Université de Bath

Cet article a été publié initialement le The Conversation. Lis le article original.

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