Як математик допоміг біологам зробити важливе відкриття
Source:
Незважаючи на те, що математику часто називають фундаментальною наукою, вона так само часто не отримує достатньої поваги, коли представляють наукові відкриття. Але внесок математики і статистики вкрай важливий і перетворив цілі області досліджень — багато хто відкриття були б неможливі без них. Далі — розповідь математика від першої особи.
Як математик, я зробив внесок у наукові відкриття і представив вирішення проблем, які намагались вирішити біологи. Сім років тому я відвідав лекцію на тему біологічних досліджень, які проводилися в університеті Херио-Ват. У моїх колег була невирішена проблема, пов'язана з рухом мешкообразных структур, званих везикулами, які переміщують гормони і нейротрансмітери, такі як інсулін і серотонін, за клітин і тіла.
Їх проблема полягала в тому, що везикули, як відомо, слідують певним доріжках по скелету клітини, які ведуть до особливих молекул, які потім змушують везикул вивільнити свій вміст в клітку. Однак, коли самі біологи спробували знайти ці доріжки, тих не виявилося на очікуваних місцях.
Важливо розуміти, як ведуть себе (або не ведуть) везикули, тому що вони пов'язані з різними захворюваннями, від діабету до неврологічних розладів. Біологи не могли знайти спосіб розуміння цих везикул — але у мене було рішення в математичному інструментарії.
Математика краще біології?
Через два роки спільної роботи я сказав колегам: «Моя модель та комп'ютерні експерименти краще вашого мікроскопа!».
Під цим дуже гордим заявою я мав на увазі, що, використовуючи математику для моделювання переміщення молекул по клітці, ми можемо спрогнозувати і провести безліч експериментів на комп'ютері в менших масштабах і більш швидкому темпі, ніж під мікроскопом. Це дозволяє нам розкривати те, що не можуть дозволити ресурси біологів, і навіть вказати нам у напрямку цільових молекул для майбутнього лікування діабету і неврологічних розладів.
Математична модель дозволила нам зрозуміти, що рух везикул вимагає енергії — а математика моделює його на енергетичному ландшафті. Уявімо, що везикула — це велосипедист, що їде на велосипеді: ландшафт може мати рівні і нерівні ділянки, які вимагають більше енергії для їх подолання. Ми хотіли перевірити, чи дійсно везикули намагаються уникати цих пагорбів.
Після семи років спільної роботи з біологами ми з колегами довели, що наша гіпотеза вірна. Везикули дійсно йдуть з низькоенергетичним «долина», уникаючи молекул, які створюють енергетичні горби на енергетичному ландшафті, обирають найлегший шлях. І результат очікуваний для біологів: везикули дійсно виявляються в однієї кінцевої локації і знову і знову використовують одні і ті ж шляху. Різниця була лише в тому, як вони це роблять, і роблять вони це не просто слідуючи по клітинному скелету, як вважали біологи — вони вибирають найпростіший маршрут. Це відкриття продемонструвало силу математики та її можливості в інших науках.
Математичні моделі дозволяють вам збирати безліч гігабайт сирих даних у компактній формі, чого не можуть біологи з мікроскопами. Ви з легкістю можете вносити зміни в модель і бачити, як може змінюватися поведінка везикул під час захворювання, коли вони пошкоджені або мутували. Також це може показати, на які молекули орієнтуватися в майбутніх дослідженнях — і закласти основу для більш великого і ретельного моделювання складних біологічних процесів.
Змодельований енергетичний ландшафт
Інтеграція передовий мікроскопії з клітинної біології та математичним моделюванням можна застосувати до багатьох інших проблем в біомедицині та прискорити настання майбутніх відкриттів. Рух молекул і інших клітинних компонентів — лише один приклад того, на що здатна математика, але цим вона, звичайно, не обмежується.
Математику часто критикує суспільство за відсутність «реальних» застосувань, але вона весь час застосовується до багатьом реальним проблемам. Забруднення грунтових вод, фінансове та економічне прогнозування, висота вивержень вулканів, моделювання біологічних процесів і доставки ліків — лише кілька прикладів. Математика відіграє центральну роль у багатьох наукових досягненнях всього світу і заслуговує провідної ролі в більшість наукових публікацій.
Гебріел Лорд, професор математики в Університеті Херио-Ват
Більше:
Чи можна захиститися від ВІЛ на генному рівні
лютує Чума XX століття і в XXI столітті. СНІД вже давно визнається багатьма справжньою проблемою людства, яку треба якось вирішувати. Люди будують теорії, звідки він узявся і чому треба чи не треба переживати за його приводу, але одне ясно точно. З н...
Що не так з тестами на коронавірус?
Сьогодні багато демонізують Гейтса, звинувачуючи його в навмисному чипировании населення (от тільки як?) і заодно всіх смертних гріхах. Розповідаємо, чому американський мільярдер насправді молодець і зовсім не рептилоид Яким би тривожним це не здавал...
15 кращих цитат Альберта Ейнштейна про науку і життя
Альберт Ейнштейн був синонімом слова «Геній». Саме так, з великої літери. Не дарма кажуть, що талановита людина талановита у всьому. Геніальність теж можна назвати талантом, так як це унікальна особливість людини бути розумним, розважливим ...
Новини
Чим точніше годинник, тим більше стає розмитим час
Час — дивна штука. Ми звикли вважати годинник, але у Всесвіті немає якихось головних ходиков і циферблату, а значить ми можемо відчувати час по-різному, в залежності від того, як ми рухаємося або як на нас впливає гравітація. Фізи...
Людство на крок наблизилася до створення синтетичних дріжджів
Вчені ще на один, але досить помітний крок наблизилися до створення в лабораторних умовах дріжджів. Їм вдалося сформувати ще п'ять хромосом дріжджів. Дріжджі необхідні людству в тому числі і для виробництва хліба і хлібобулочних в...
Уточнення швидкості розширення Всесвіту може призвести до нової фізики
Це було на початку 1990-х років. Обсерваторія Карнегі в Пасадені, штат Каліфорнія, спорожніла на різдвяні канікули. Венді Фрідман, одна в бібліотеці, працювала над величезною і тернистою проблемою: швидкість розширення Всесвіту. К...
Росэлектроника створила систему освітлення на лазерах
Інженери холдингу «Росэлектроника» створили новітню систему освітлення, яка заснована на використанні лазерного випромінювання. Ці освітлювальні прилади здатні працювати в агресивних середовищах начебто атомних станцій і навіть пі...
Селекціонер із США вивів пітона з малюнком смайликів-емодзі на тілі
Як відомо, зміни в живій природі виникають постійно: мутації призводять до появи нових порід і навіть видів, а під впливом умов зовнішнього середовища живі організми можуть набувати нові властивості. Але іноді серед з'явилися особ...
Код операційної системи записали в молекулу ДНК
У зв'язку з розвитком технологій і зростанням обсягу переданих даних, фахівці шукають все нові способи зберігання інформації. І нещодавно група вчених з Колумбійського університету Нью-Йоркського Центру Геному продемонстрували нов...
Створена губка, здатна очистити океан від нафти і нафтопродуктів
і продукти її переробки на сьогоднішній день є основними океанів нашої планети. Практично всі серйозні випадки забруднення світового океану пов'язані саме з нафтою. Навіть якщо відкинути серйозні аварії танкерів і нафтових платфо...
Як були виявлені найдавніші скам'янілості в світі
3770 мільйонів років тому Земля була зовсім іншою. Рослин і тварин не було. Небо не було блакитним. Поверхня нагадувала голу кам'янисту пустку. І все ж саме в цей час, як ми думаємо, з'явилася перша життя. Глибоко в океані, біля г...
Чому високі люди помирають рано, а великі тварини — ні?
найвищий чоловік у Європі, 2,34-метровий колишній баскетболіст, актор Ніл Финглтон, грав ролі в «Грі престолів», «Людей Ікс» і «Месниках», помер у віці 36 років. Настільки рання смерть для людей високого зросту не є рідкістю. Робе...
Погодилися б на генну модифікацію собаки заради її здоров'я?
У собак більше генетичних захворювань, ніж у будь-яких інших видів на планеті — це вам будь-який біолог підтвердить. І не збреше: жодна інша тварина люди не виводили так цілеспрямовано і довго, щоб форма взяла гору над змістом — з...
Злиття людей і машин не зупинить повстання машин
Генеральний директор Tesla і засновник OpenAI Ілон Маск минулого тижня припустив, що людство може звести нанівець свій страх перед повстанням машин (тобто роботів) за рахунок злиття з цими самими машинами і перетворення в кіборгів...
Виявлені найдавніші на сьогоднішній день сліди життя на Землі
про Походження життя на планеті Земля є дуже важливою темою для наукового дослідження. Регулярні знахідки і відкриття постійно зрушують момент першого живого організму все далі і далі . Ось і на цей раз виявлені канадськими вченим...
Можна прожити, харчуючись тільки одним видом їжі?
Нам постійно твердять про переваги різноманітної дієти. Але якби вам довелося виживати тільки на одному виді їжі — який з них забезпечив би вам саму довге життя? Не хлібом єдиним живе людина — хоча б тому, що вже через місяць тако...
Деякі вчені категорично проти воскресіння вимерлих видів тварин
У минулому місяці все наукове співтовариство про бажання гарвардських вчених воскресити вимерлі види тварин. Джордж Черч з Гарвардського університету, який вивчає вимерлі види, заявив, що в найближчі роки збирається воскресити мам...
Всередині рослин виростили електричні ланцюги
Рослини живлять життя на Землі. Вони являють собою початковий джерело їжі, забезпечуючи енергією майже всі живі організми, і лежать в основі викопних видів палива, які живлять енергетичні потреби сучасного світу. Але спалювання да...
Створено гнучке волокно, що проводить імпульси до мозку і назад
Як повідомляє Medical Xpress, великій групі дослідників, включає інженерів, хіміків і нейробіологів, серед яких чимало випускників Массачусетського технологічного інституту (MIT), представили гнучке волокно нового типу, яке здатне...
Томські вчені створили мініатюрний потужний прискорювач частинок
Нещодавно ми писали про те, що на базі Томського політехнічного університету (ТПУ) створили , як зі стін все того ж навчального закладу прийшла не менш цікава новина. Фахівцям ТПУ вдалося розробити мініатюрний бетатрон, який вдвіч...
Якщо атоми здебільшого пусті, чому речі тверді на дотик і на вигляд?
Хімік Джон Дальтон запропонував теорію, що вся матерія і об'єкти складаються частинок — атомів, — і ця теорія досі прийнята науковим співтовариством, через двісті років. Кожен з цих атомів складається з неймовірно маленького ядра ...
За допомогою нейронної мережі вдалося змоделювати поведінку складної квантової системи
Моделювання складно влаштованих квантових систем на сьогоднішній день — вкрай непросте завдання. Справа в тому, що традиційні методи тут не підходять, так як із збільшенням складності системи кількість її станів зростає по е...
Який кінець чекає Сонячну систему?
треба Було 13,8 мільярда років космічної еволюції, щоб ми опинилися тут. Покоління зірок повинні були жити і померти, щоб створити важкі елементи; крихітні протогалактики повинні були злитися, щоб утворився Чумацький Шлях; хмари м...
Примітка (0)
Ця стаття не має коментарів, будьте першим!