「數學生物學」會是21世紀人類醫學的秘密武器嗎？

出品|網易科學人欄目組

譯者|孫文文

數學是科學的語言。無論是物理、工程或是化學中都少不了數學的影子，人們在數學的幫助下探究宇宙起源，建造足以抵抗颶風的橋樑。在未來，數學也將成為生物學的一部分。過往數百年中，數學被用來建立樸素物理系統，其中牛頓用萬有引力定律描述自然界的法則。物理學家用源自日常觀察的理論，無比準確地描述數十億英里外的天體運動。儘管天上地下數學身影無處不在，但傳統觀念里，生物學被認為太過複雜，無法用數學處理。

生物系統給人最常見的印象便是其複雜性。這裡的複雜指的是，在許多子系統的複雜相互作用下，整體的生物系統可以表現出單個子系統無法完成的所謂「突發行為」。這種生物複雜性（biocomplexity）常被稱為「生命力」（vitalism）或「活力」，類似「靈魂」和中醫文化中的「氣」。冠以一番玄學解釋之後，「活力論」認為生物過程不同於物理或化學，太過複雜而不適合用數學解決。

有一些先見者對此提出異議。著名計算機科學家、同時也是第二次世界大戰幕後功勛阿蘭·圖靈（Alan Turing）是最早提出用數學手段解釋生物現象的人之一。圖靈在1952年提出一個漂亮的數學方程，試圖描述動物皮毛上斑紋的數學特徵。

他的洞見簡潔優美又令人耳目一新，這種工作只能出自圖靈這類天才的頭腦。相比之下，圖靈的人生經歷令人惋惜。他不幸生活在同性戀受迫害的時代，由於不堪忍受「激素矯正」的羞辱，圖靈在兩年後選擇自殺。

新興領域

數學生物學在那之後迎來蓬勃發展。近年來，越來越多的實驗產生海量的生物數據，人們根據這些數據建立描述生物系統複雜機制的假說。為了驗證假說是否與生物學觀察相符，假說必須以模型形式寫下。而數學是再合適不過的工具。

另外，得益於過去六十年來計算機性能的增加，人們能夠提出並驗證愈加複雜的數學模型。綜上，「數學+生物」觀念的流行加上計算能力的輔助，數學生物學迅速普及開來。

數學現已成為我們解決21世紀醫學、生物學和生態科學領域內最迫切問題必不可少的武器。使用數學手段描述生物系統，然後藉助得出的模型，人們能夠獲得無法單靠實驗或口頭推理得出的見解。如果我們想讓生物學從描述事實更進一步走向預測未來，進而避免瘟疫或改變慢性疾病給人帶來的折磨，數學生物學至關重要。

新武器

在過往的50年中，數學生物學家建立了旨在描述心臟生理學的精細模型。現在，人們藉助這些精緻的模型更好地了解人類心臟的複雜功能。人們使用計算機心臟模型模擬心臟與特定藥品的反應，而無需承擔真人實驗的昂貴成本及風險。

數學生物學也被用來幫助研究疾病。在個體層面，研究人員已經用數學免疫學手段闡明了個體免疫系統與病毒作戰的機制，並提出潛在的干預措施以幫助個體抵抗疾病。在更廣泛的規模上，數學生物學家提出了可用於控制埃博拉等傳染病的病毒傳播機制，確保以最有效的方式使用有限的醫療資源。

數學生物學甚至還參與制定政策。以漁業為例，使用數學模型來設定捕撈配額，避免特定物種被過度捕撈。

得益於數學手段帶來的理解，我們在不同層面對生物學有了更好的認知。巴斯數學生物學中心正在研究一些緊迫的生物課題，其中既包括協助制定措施防止蝗災，也包括有關胚胎髮育機制的研究。

傳統觀念認為數學生物學是應用數學，不過顯然，自認為是純數學家的人也可參與到數學生物學的革命中來。純粹的拓撲學被用來了解DNA包裝的棘手問題，代數幾何幫助人們選擇描述生化相互作用網路的最佳模型。

隨著數學生物學的不斷發展，可以期待更多不同領域的科學家加入進來，解決生物學所提出的重大又新穎的問題。

圖靈的革命性理念未在他生前得到欣賞，卻讓後世意識到無需向「生命力」這類玄學求索生命奧秘。在揭秘生物過程這件事上，數學編碼的化學和物理規律——亦即我們所稱的「數學生物學」——正是不二之選。

本文來源：網易科學人責任編輯：郭浩_NT5629

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