重要發現背後不可忽視的數學

雖然數學常被描述為基礎科學，但當出現新的科學發現之時並未給予其相應的讚譽。但事實上數學和統計是必不可少的，它們改變了整個研究領域，沒有數學許多發現就不可能產生。作為一名數學家，我(原文作者Gabriel Lord)畢生致力於科學發現，力爭解決生物學中尚未解決的問題。

一些常用數學公式

七年前，我參加了一個在赫瑞瓦特大學舉行的生物研究方面的報告。我的同事們有一個關於囊泡運動的問題(囊泡具有袋狀結構，能夠搬運激素和神經遞質，比如胰島素和血清素)。這個問題是彼時認為囊泡沿著細胞骨架的特定軌跡到達特殊的分子，然後將攜帶物質釋放到細胞中，但當生物學家試圖尋找這些軌跡時，他們發現這些軌跡並不在預期的位置上。由於囊泡與糖尿病和神經失調等疾病有關聯，需要理解其行為，因而生物學家們試圖解決該問題，但我用數學工具提出了自己的解決方案。

經過兩年的合作，我告訴我的同事們：「我的模型和計算實驗比你們的顯微鏡更好！」我這麼自信的宣告的意思是通過使用數學方法對分子在細胞內的運動建模，在計算機上多次運行小規模實驗，這樣比顯微鏡觀察來得更快。該方法可以幫助我們發現生物學家傳統方法不能發現的東西，甚至可能引導我們發現未來治療糖尿病和神經失調的靶分子。

該數學模型讓我們認識到囊泡的運動需要能量，並通過能量圖對此進行建模。將囊泡想像為人騎自行車——能量圖中有水平的部分，也有需要更多能量才能翻越的陡坡，所以我們需要測試是否囊泡實際上避免了這些陡坡。

能量圖模型

經過7年與生物學家的合作，我和我的同事證實我們的假設是正確的。囊泡的確沿著能量圖中的低谷行進，避免了引起能量圖中高能量波動的分子，也就是說選擇最容易的路線。總體結果與生物學家的發現相同——囊泡最終停留在相同的位置並且重複使用相似的路徑。其中的區別在於囊泡使用的路徑不同，並不是沿著生物學家們以前認為的細胞骨架，而是更容易的路徑。這證實了數學的力量以及數學是如何改變我們看待事物的方式。

數學模型讓我們能夠以一種壓縮的方式表達巨量的原始數據，這是生物學家用顯微鏡無法做到的。我們可以輕易地修正模型，以此顯示疾病發展過程中囊泡行為的變化。這也能揭示在未來的治療研究中應該對哪些分子進行重點研究，並為更大更詳細的複雜生物過程建模打下基礎。

尖端顯微鏡檢查、細胞生物學和數學建模的結合可以被用於生物醫學中的許多其他問題，加快未來的研究發現。這個故事只是作為數學無與倫比的力量的一個例子，但這絕不是數學的極限。

數學常被民眾批判為缺乏實際應用，但其實數學一直被用於解決許多實際問題。地下水污染，金融和經濟預測，火山噴發高度，生物過程建模及藥物輸送過程建模都只是數學起到巨大作用的一些例子。我很榮幸能與我的生物學同事們合作研究，也希望看到更多的數學家們嶄露頭角。數學在當今眾多科學突破中扮演了重要的角色，理應在未來的學術出版中大書特書。為數學家們喝彩吧——他們是眾多科學發現幕後的無名英雄。

[CliffBao via phys]

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