＂数学生物学＂会是21世纪人类医学的秘密武器吗
出品|网易科学人栏目组
译者|孙文文
数学是科学的语言。无论是物理、工程或是化学中都少不了数学的影子，人们在数学的帮助下探究宇宙起源，建造足以抵抗飓风的桥梁。在未来，数学也将成为生物学的一部分。过往数百年中，数学被用来建立朴素物理系统，其中牛顿用万有引力定律描述自然界的法则。物理学家用源自日常观察的理论，无比准确地描述数十亿英里外的天体运动。尽管天上地下数学身影无处不在，但传统观念里，生物学被认为太过复杂，无法用数学处理。
生物系统给人最常见的印象便是其复杂性。这里的复杂指的是，在许多子系统的复杂相互作用下，整体的生物系统可以表现出单个子系统无法完成的所谓“突发行为”。这种生物复杂性（biocomplexity）常被称为“生命力”（vitalism）或“活力”，类似“灵魂”和中医文化中的“气”。冠以一番玄学解释之后，“活力论”认为生物过程不同于物理或化学，太过复杂而不适合用数学解决。
有一些先见者对此提出异议。著名计算机科学家、同时也是第二次世界大战幕后功勋阿兰·图灵（Alan Turing）是最早提出用数学手段解释生物现象的人之一。图灵在1952年提出一个漂亮的数学方程，试图描述动物皮毛上斑纹的数学特征。
他的洞见简洁优美又令人耳目一新，这种工作只能出自图灵这类天才的头脑。相比之下，图灵的人生经历令人惋惜。他不幸生活在同性恋受迫害的时代，由于不堪忍受“激素矫正”的羞辱，图灵在两年后选择自杀。
新兴领域
数学生物学在那之后迎来蓬勃发展。近年来，越来越多的实验产生海量的生物数据，人们根据这些数据建立描述生物系统复杂机制的假说。为了验证假说是否与生物学观察相符，假说必须以模型形式写下。而数学是再合适不过的工具。
另外，得益于过去六十年来计算机性能的增加，人们能够提出并验证愈加复杂的数学模型。综上，“数学+生物”观念的流行加上计算能力的辅助，数学生物学迅速普及开来。
数学现已成为我们解决21世纪医学、生物学和生态科学领域内最迫切问题必不可少的武器。使用数学手段描述生物系统，然后借助得出的模型，人们能够获得无法单靠实验或口头推理得出的见解。如果我们想让生物学从描述事实更进一步走向预测未来，进而避免瘟疫或改变慢性疾病给人带来的折磨，数学生物学至关重要。
新武器
在过往的50年中，数学生物学家建立了旨在描述心脏生理学的精细模型。现在，人们借助这些精致的模型更好地了解人类心脏的复杂功能。人们使用计算机心脏模型模拟心脏与特定药品的反应，而无需承担真人实验的昂贵成本及风险。
数学生物学也被用来帮助研究疾病。在个体层面，研究人员已经用数学免疫学手段阐明了个体免疫系统与病毒作战的机制，并提出潜在的干预措施以帮助个体抵抗疾病。在更广泛的规模上，数学生物学家提出了可用于控制埃博拉等传染病的病毒传播机制，确保以最有效的方式使用有限的医疗资源。
数学生物学甚至还参与制定政策。以渔业为例，使用数学模型来设定捕捞配额，避免特定物种被过度捕捞。
得益于数学手段带来的理解，我们在不同层面对生物学有了更好的认知。巴斯数学生物学中心正在研究一些紧迫的生物课题，其中既包括协助制定措施防止蝗灾，也包括有关胚胎发育机制的研究。
传统观念认为数学生物学是应用数学，不过显然，自认为是纯数学家的人也可参与到数学生物学的革命中来。纯粹的拓扑学被用来了解DNA包装的棘手问题，代数几何帮助人们选择描述生化相互作用网络的最佳模型。
随着数学生物学的不断发展，可以期待更多不同领域的科学家加入进来，解决生物学所提出的重大又新颖的问题。
图灵的革命性理念未在他生前得到欣赏，却让后世意识到无需向“生命力”这类玄学求索生命奥秘。在揭秘生物过程这件事上，数学编码的化学和物理规律——亦即我们所称的“数学生物学”——正是不二之选。
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