Les mathématiques sont une arme scientifique importante pour répondre à certaines questions urgentes en sciences médicales, biologiques et écologiques.
Les mathématiques sont le langage de la science. Elle apparaît partout :en physique, en ingénierie, en chimie... Elle nous aide à comprendre l'origine de l'univers et à construire des ponts qui ne s'effondreront pas avec le vent. Nous utilisons les mathématiques depuis des centaines d'années. Nous avons déjà découvert des choses incroyables avec, comme la loi de gravité de Newton. Des observations relativement simples conduisent à une règle ou une loi qui décrit avec précision le mouvement des corps célestes à des milliards de kilomètres. C'est peut-être surprenant, mais les mathématiques font aussi partie intégrante de la biologie.
Au début, on pensait que les mathématiques n'avaient rien à voir avec la biologie parce que les systèmes biologiques sont complexes. Complexe dans le sens où les systèmes biologiques se comportent par l'interaction complexe de nombreux sous-composants. L'ensemble du système présente des propriétés que les composants individuels ne peuvent pas présenter seuls. Cette biocomplexité a souvent été confondue avec le vitalisme :l'idée fausse que les processus biologiques ne peuvent être expliqués uniquement par la physique et la chimie. On croyait que les systèmes biologiques complexes ne pouvaient pas être approximés mathématiquement.
Au début, cependant, certains pensaient le contraire. Alan Turing, informaticien et décrypteur bien connu de la Seconde Guerre mondiale, faisait partie de ces personnes. Il a suggéré que les phénomènes biologiques pourraient être étudiés et expliqués de manière mathématique. En 1952, il a proposé quelques équations mathématiques qui pourraient fournir une explication de la formation des motifs de pigmentation sur les fourrures d'animaux.
Son travail était non seulement intelligent, mais aussi contre-intuitif, le genre que seuls des esprits brillants comme celui de Turing pouvaient concevoir. D'autant plus regrettable qu'il ait été si mal traité par les lois draconiennes et anti-gays de l'époque. Deux ans après un traitement hormonal "correctif", il se suicide.
Depuis lors, la biologie mathématique est devenue de plus en plus populaire. De plus en plus détaillées, les procédures expérimentales ont entraîné un afflux massif de données biologiques ces dernières années. Les scientifiques utilisent ces données pour formuler des hypothèses sur la complexité de systèmes biologiques auparavant cryptés. Afin de tester ces hypothèses, elles doivent être écrites selon un modèle spécifique. On peut vérifier si les hypothèses correspondent aux observations biologiques réelles. Naturellement, le langage des mathématiques doit être utilisé.
L'avènement de la puissance de calcul, qui évolue toujours, nous permet de proposer et de tester des modèles mathématiques complexes de systèmes biologiques. La prise de conscience que les systèmes biologiques peuvent être approchés mathématiquement, ainsi que cette capacité mathématique, a conduit à la popularité croissante de la biologie mathématique.
Les mathématiques sont devenues une arme scientifique importante pour répondre à certaines questions pressantes des sciences médicales, biologiques et environnementales au 21e siècle. En décrivant mathématiquement les systèmes biologiques et en utilisant les modèles qui en résultent, nous pouvons obtenir des informations que nous ne pourrions pas obtenir uniquement par l'expérimentation et le raisonnement. La biologie mathématique est très importante pour faire de la biologie une science prédictive au lieu d'une science descriptive. Ainsi, nous pouvons, par exemple, prévenir des pandémies ou limiter les conséquences de maladies invalidantes.
Au cours des cinquante dernières années, les biologistes mathématiciens ont réalisé des représentations arithmétiques de plus en plus complexes de la physiologie du cœur. Aujourd'hui, ces modèles très sophistiqués sont utilisés pour mieux comprendre le fonctionnement complexe du cœur humain. Grâce aux simulations informatiques de la fonction cardiaque, nous pouvons prédire comment le cœur interagira avec les candidats-médicaments conçus pour améliorer la fonction. De cette façon, des études cliniques coûteuses et potentiellement risquées sont inutiles.
Nous utilisons également la biologie mathématique pour étudier la maladie. Grâce à l'immunologie mathématique, les chercheurs savent comment notre système immunitaire lutte contre les virus. En outre, les chercheurs ont quelques suggestions d'interventions qui peuvent aider à combattre la maladie. À plus grande échelle, les mathématiciens ont proposé des mécanismes qui pourraient contrôler la propagation d'épidémies mortelles, comme le virus Ebola. Ils savent désormais comment le faire aussi efficacement que possible.
La biologie mathématique entre également en jeu lorsqu'il s'agit de politique. Par exemple, des recherches ont été menées sur la pêche et des modèles mathématiques ont été utilisés pour calculer la quantité maximale que nous pouvons pêcher, afin de ne pas surpêcher les mers et de protéger certaines espèces importantes.
Avec une approche mathématique, nous pouvons mieux comprendre la biologie. Au Centre de biologie mathématique de Bath, par exemple, certains problèmes biologiques urgents sont à l'étude. Par exemple, des stratégies sont recherchées pour prévenir les effets drastiques des infestations de criquets pèlerins, qui peuvent mettre en danger jusqu'à un milliard de personnes. Ils essaient également de découvrir ce qui garantit exactement le développement correct et approprié d'un embryon.
Dans le passé, la biologie mathématique était le domaine des mathématiciens appliqués, mais les mathématiciens purs joueront également un rôle dans la révolution de la biologie mathématique. Par exemple, la branche pure de la topologie est utilisée pour comprendre le problème difficile de la composition de l'ADN et de la géométrie algébrique pour trouver le modèle le plus approprié des réseaux d'interactions biochimiques. Alors que la biologie mathématique devient de plus en plus importante, des scientifiques émergents et établis de divers domaines seront attirés pour s'attaquer au large éventail de problèmes biologiques importants et nouveaux.
L'idée révolutionnaire de Turing n'était pas appréciée à son époque. Mais finalement il a montré qu'il n'est pas nécessaire de faire appel au vitalisme - le dieu de la machine - pour comprendre les processus biologiques. Pour cela, nous pouvons simplement utiliser des lois chimiques et physiques, codées en mathématiques.
Traduction :Annelies Dotselaere
