Les mathématiques constituent un outil scientifique essentiel pour répondre à des questions urgentes en sciences médicales, biologiques et écologiques.
Les mathématiques sont le langage universel de la science. Elles imprègnent tous les domaines : physique, ingénierie, chimie... Elles nous aident à décrypter l'origine de l'univers et à concevoir des ponts résistants aux vents violents. Utilisées depuis des siècles, elles ont permis des découvertes majeures, comme la loi de la gravitation universelle de Newton. Des observations simples mènent ainsi à des lois précises décrivant le mouvement des corps célestes à des milliards de kilomètres. Moins connu, leur rôle est tout aussi crucial en biologie.
Autrefois, on considérait les mathématiques incompatibles avec la biologie, jugée trop complexe en raison des interactions intricées entre de nombreux sous-composants. Ces systèmes biologiques émergents présentent des propriétés impossibles à expliquer par les composants isolés, ce qui a parfois conduit à des idées vitalistes erronées : l'idée que les processus biologiques ne relèvent pas uniquement de la physique et de la chimie. On pensait alors impossible de les modéliser mathématiquement.
Cependant, des visionnaires comme Alan Turing, célèbre informaticien et décrypteur de la Seconde Guerre mondiale, en pensaient autrement. En 1952, il proposa des équations mathématiques expliquant la formation des motifs de pigmentation sur les fourrures animales.
Son travail, à la fois brillant et contre-intuitif, illustre le génie d'esprits exceptionnels. Tragiquement, Turing fut victime des lois homophobes de l'époque et se suicida deux ans après un traitement hormonal forcé.
Depuis, la biologie mathématique connaît un essor fulgurant. Les avancées expérimentales ont généré un flot massif de données biologiques. Les scientifiques formulent ainsi des hypothèses sur des systèmes autrefois insaisissables, les testent via des modèles mathématiques précis et les confrontent aux observations réelles.
La puissance de calcul croissante permet de simuler des modèles complexes de systèmes biologiques. Cette approche mathématique rend la biologie prédictive plutôt que purement descriptive, aidant à anticiper pandémies ou à atténuer les effets de maladies graves.
Au cours des 50 dernières années, les biologistes mathématiciens ont développé des modèles sophistiqués de la physiologie cardiaque. Ces simulations informatiques prédisent les interactions entre le cœur et de nouveaux médicaments, évitant ainsi des essais cliniques coûteux et risqués.
La biologie mathématique éclaire aussi la lutte contre les maladies. L'immunologie mathématique révèle comment notre système immunitaire combat les virus et suggère des interventions efficaces. À plus grande échelle, elle modélise la propagation d'épidémies comme Ebola pour optimiser les stratégies de contrôle.
Elle influence même les politiques publiques, comme dans la gestion durable de la pêche, où des modèles calculent les quotas maximaux pour éviter la surpêche.
Au Centre de biologie mathématique de Bath, par exemple, des équipes s'attaquent à des enjeux cruciaux : stratégies contre les invasions de criquets du désert menaçant un milliard de personnes, ou mécanismes assurant le développement embryonnaire normal.
Autrefois domaine des mathématiciens appliqués, la biologie mathématique attire désormais les mathématiciens purs. La topologie aide à décoder l'enchevêtrement de l'ADN, tandis que la géométrie algébrique modélise les réseaux biochimiques. De plus en plus de scientifiques interdisciplinaires rejoignent le champ pour résoudre ces défis majeurs.
L'idée révolutionnaire de Turing, ignorée à son époque, prouve que les processus biologiques s'expliquent par des lois physico-chimiques codées mathématiquement, sans recours au vitalisme.
Traduction : Annelies Dotselaere
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