
【计】 mathematical biology
数学生物学是以数学工具和理论方法研究生命科学问题的交叉学科,其英文对应术语为"Mathematical Biology"或"Theoretical Biology"。该学科通过建立数学模型描述生物系统的动态规律,涵盖从分子层面的基因调控到生态系统演化的多层次研究。
核心方法论包含三个层面:
微分方程建模:运用常微分方程(ODE)和偏微分方程(PDE)描述种群动态、疾病传播等连续系统,如经典的Lotka-Volterra捕食模型: $$ frac{dx}{dt} = alpha x - beta xy frac{dy}{dt} = delta xy - gamma y $$ 该模型源自1926年Vito Volterra对亚得里亚海鱼类数量波动的研究。
随机过程分析:采用马尔可夫链、布朗运动等工具研究基因突变、细胞迁移等随机现象,例如Kimura提出的遗传漂变数学模型。
计算模拟技术:结合高性能计算进行蛋白质折叠预测、神经网络重构等复杂系统仿真,2023年AlphaFold算法在《自然》杂志发表的蛋白质结构预测成果即属此范畴。
学科应用已渗透现代生物医学多个领域:
国际权威研究机构包括美国国家数学与生物合成研究所(NIMBioS)和德国马克斯·普朗克复杂系统物理研究所,相关成果持续发表于《数学生物学通报》《理论生物学杂志》等核心期刊。
数学生物学是生物学与数学交叉形成的前沿学科,主要通过数学方法研究生物系统的结构、功能和演化规律,其核心特点与学科价值可归纳如下:
数学生物学属于生物学的新兴分支,通过建立数学模型、统计分析和理论推演,揭示生命现象背后的定量规律。例如,利用微分方程描述种群动态,用概率论分析基因遗传规律。
数学生物学推动了生物学从定性描述向定量预测的转变,尤其在人类基因组计划中,数学方法加速了基因序列分析和功能注释。同时,它也为药物研发、流行病防控提供了理论工具,例如通过SEIR模型预测传染病传播趋势。
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