Biomatematyka i nieśmiertelność

Biomatematyka i nieśmiertelność

Nick. Gorzki
"Nauka i życie" №7, 2018

Inne opowieści naukowe Nick. Gorki zobacz w "Nauka i życie" № 11, 2010, № 12, 2010, № 1, 2011, № 2, 2011, № 3, 2011, № 4, 2011, № 5, 2011, № 6, 2011, № 9, 2011, nr 11, 2011, nr 6, 2012, nr 7, 2012, nr 8, 2012, nr 9, 2012, nr 10, 2012, nr 12, 2012, nr 1, 2013, nr 11, 2013, nr 1, 2014, nr 2, 2014, nr 3, 2014, nr 7, 2014, nr 8, 2014, nr 10, 2014, nr 12, 2014, nr 1, 2015, nr 4, 2015, nr 5, 2015, nr 6, 2015, nr 7, 2015, nr 9, 2015, nr 1, 2016, nr 2, 2016, nr 3, 2016, nr 6, 2016, nr 8, 2016, nr 11, 2016, nr 2, 2017, nr. 4, 2017, nr 6, 2017, nr 7, 2017, nr 10, 2017, nr 12, 2017.

Szefem nowej książki jest Nick. Gorzkie "Nieodkryte światy", które ukazało się latem tego roku, wydawnictwo "Astrel" w St. Petersburgu.

Julien Lametri. Grawerowanie przez Achilles Ovres (początek XX wieku). Ilustracja: Wikimedia Commons / PD

Przez wiele lat w świecie naukowym istniała opinia, że ​​żyjących istot nie da się opisać metodami mechaniki, fizyki czy matematyki – są one zbyt złożone i mają nieprzewidywalne zachowanie. Jednym z pierwszych, którzy obalili to stwierdzenie, był francuski lekarz i filozof Julien Lametrie. W 1747 roku Lametri napisał książkę Man-Machine, która później stała się powszechnie znana. W nim naukowiec wyjaśnił swoje argumenty na rzecz tego, że narządy ludzkiego ciała podlegają prawom naukowym, a także innym mechanizmom. "Musimy więc odważnie stwierdzić, że człowiek jest maszyną …" – napisał Lametri. W tym samym czasie był dobrze poinformowanyjak bardzo żywy organizm różni się od prostego mechanizmu i zauważył: "Człowiek jest tak złożoną maszyną, że nie można jednoznacznie o nim powiedzieć …"

Podczas życia naukowca jego materialistyczne poglądy uważano za herezję. Jego książka została spalona przez Inkwizycję, a on sam musiał uciekać z Francji i ukrywać się w obcym kraju do końca życia. Niemniej jednak prace Lametri stały się zwiastunem początku fizyki i matematyki na pozornie odległej nauce z tych dyscyplin – biologii. Naukowcy odkryli podobieństwo włókien nerwowych do przewodów elektrycznych, zaczęli rozumieć biofizykę skurczu mięśni i mechaniczną wykonalność szkieletu.

Vito Volterra. Ilustracja: Consiglio Nazionale delle Ricerche

Więcej więcej. Matematyka stopniowo przeniknęła nie tylko w strukturę odrębnego organizmu, ale także w ich społeczności. Już w XX wieku, a dokładniej w 1931 r. Włoski matematyk i fizyk Vito Volterra opublikował w Paryżu książkę "Matematyczna teoria walki o byt". W przedmowie napisał, że "zakres tych badań obejmuje wszelkie przejawy walki między jednostkami danej społeczności, zysk niektórych jest wynikiem śmierci innych, a zysk i śmierć można oszacować liczbowo."Można je obliczyć za pomocą złożonych równań różniczkowych i integro-różniczkowych, zwanych równaniami Volterry, które są równaniami matematycznymi, w których występują zarówno różnice, jak i całki o nieznanych funkcjach.

Oto przykład. Gdy zbierasz jagody w dużym koszyku, prędkość zbierania zależy od ich liczby na łące, szybkości poruszania rąk i ruchu w polu. Wskaźnik jagód w koszyku można wyrazić za pomocą równania różniczkowego. A całkowita liczba jagód w koszyku jest opisana jako integralna część wskaźnika zbierania. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że gdy kosz gromadzi się w koszyku, ruch na łące zwalnia, gdy zmęczenie się kumuluje, a kosz staje się cięższy, okazuje się, że nawet tak prosta czynność jak zbieranie jagód opisana jest przez równanie różniczkowe integro.

Vito Volterra wykazał, że te równania opisują na przykład cykliczne wahania liczby drapieżników i roślinożerców. Są chwile, kiedy myśliwy ofiarowują dużo skórek króliczka, ale małe kłusie futra. I odwrotnie: obfitość pokarmu pomaga w szybkim wzroście liczby rysi, które zmniejszają liczbę zajęcy.W takich momentach myśliwi otrzymują dużo skór rysia, a zając jest wynajmowany mniej niż zwykle. A gdy z powodu głodu zmniejszy się ilość zwierząt rysia, zające znowu się rozmnażają. Matematyka okazała się być tak potężnym środkiem poznania natury, że potrafiła dokładnie opisać, za pomocą równań, walkę o istnienie tysięcy rysie czających się w drzewach czekających na zające, a setki tysięcy zające przedzierały się leśnymi ścieżkami unikając spotkań z rysiami. Podobne procesy występują w innych społecznościach biologicznych, na przykład wśród ryb drapieżnych i ryb żywiących się algami i planktonem.

Dumni lwy nie wiedzą, że ich związek z roślinożercami jest zgodny z matematyką. Zdjęcie: Natalia Domrina

Alfred Lotka. Zdjęcie: Wikimedia Commons / PD

W pierwszej połowie XX wieku amerykański matematyk, fizyk i demograf Alfred Lotka przeprowadził podobną analizę matematyczną fluktuacji liczby ludności ludzkiej i wniósł istotny wkład w rozwój równań opisujących taki układ, a następnie nazwanych równaniami Lotki-Volterry.

Nauka biomatematyki, która powstała w XX wieku, która rozważa zastosowanie metod matematycznych i algorytmów w biologii, może obejmować o wiele więcej obiektów niż Volterra, w tym przedmioty i zjawiska ludzkiego ciała.Jeśli biomatematyka może opisać wszystkie ważne procesy w ludzkim ciele, możemy nimi zarządzać.

W trzeciej książce z trylogii "Astrovityanka"* Proponuje się matematyczne rozwiązanie dla nieśmiertelności:

"Dla ciała Homo sapiens opracowano niezwykle złożony układ równań różniczkowo-integracyjno-tensorowych. Matematyczne rozwiązanie tego układu równań opisuje wszystkie procesy życiowe zachodzące w ciele człowieka. Uzyskanie tej "decyzji życia" było zadaniem o wyjątkowej złożoności, ale jeszcze bardziej szkodliwym problemem była "decyzja o nieśmiertelności". Dla niego konieczne było znalezienie i narzucenie pierwotnego układu równań – to znaczy samego organizmu – takich warunków, w których procesy życiowe u danej osoby nie byłyby ograniczone w czasie, na przykład podział komórek nie osłabłby po kilkudziesięciu latach w konwulsjach apoptozy, to będzie trwać w nieskończoność. "

Wykresy interakcji drapieżników i ofiar w modelu Lotka-Volterra. Rysunek: Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0

Oto przykład faktu, że procesy biologiczne, zarówno w chorym, jak i zdrowym organizmie, są zgodne z prawami fizyki i matematyki.Pasożyt malarii wspina się do wnętrza komórki krwi – erytrocyt, tam się rozmnaża, zużywa składniki odżywcze, a jednocześnie przygotowuje wyjście dla nowo narodzonego potomstwa. Kiedy przychodzi moment "narodzin", biorą udział procesy biomechaniczne, a erytrocyt, który zamienił się w okrągły worek, w którym tuzin pasożytów walczy, wywraca do góry nogami jak rękawiczka, wyrzucając je. Czynniki wywołujące malarię nie znają fizyki i matematyki, ale "wiedzą jak" kontrolować procesy fizyczne i mechaniczne. Ewolucja rozwinęła w nich specjalne zdolności, które są potrzebne, aby przeniknąć do stałej komórki i przygotować ją do wyrzucenia. Jest to bardzo trudny proces, biorąc pod uwagę właściwości elastyczne dwuwarstwowej błony komórkowej, napięcie powierzchniowe i wiele innych czynników. Możesz pokonać pasożyta malarii, jeśli dokładnie rozumiesz proces jego rozmnażania i zmieniasz właściwości erytrocytów, aby spełniał on swoje funkcje, a pasożyt nie może już ich dowodzić.

Komara malarii (Anopheles stephensi) – wektor ludzkich pasożytów z rodzaju plasmodia malarii. Zdjęcie: Jim Gathany / Wikimedia Commons / PD

Wirusy, które nie są żywymi organizmami, ale raczej złożone cząsteczki, okazują się doskonałymi "crackerami"."Wiedzą", jak przełamać trwałość komórki i przeniknąć do wnętrza w celu reprodukcji. Można im zapobiegać jedynie poprzez szczegółowe badanie mechanizmu przenikania wirusa do komórki …

Każda komórka ludzkiego ciała jest podobna do niezależnego miasta-twierdzy, ze skuteczną organizacją zaopatrzenia w surowce i usuwania odpadów. Ma centrum kontroli, mury fortecy, drogi. Miasto-komórka może się rozmnażać, zmniejszając o połowę i tworząc dwie pełnowartościowe komórki. Na rurowych autostradach tych miast, ładunki poruszają się we właściwym kierunku – złożone cząsteczki upakowane w sferyczne "avtomobilchiki", które wprawiane są w ruch nie przez silniki, ale przez osobliwe "nogi". Są naprzemiennie odpychane od powierzchni rury i popychają "małe samochody" do przodu.

Krater o średnicy ponad 50 km po drugiej stronie Księżyca, nazwany tak od imienia Vito Volterry. Zdjęcie: NASA / Wikimedia Commons / PD

Ogniwo jest pełne nanomaszyn – urządzeń mechanicznych tworzonych z pojedynczych cząsteczek. Aby przenieść nanomaszyny, można użyć silnika elektrycznego, który obraca wić, która jest obecna w wielu bakteriach, i zamienia je w mikroskopijne łodzie podwodne.W fortecy komórkowej znajduje się centralny zamek – rdzeń, w którym przechowywana jest biblioteka genetyczna, są stacje i stacje sortowania, w których rozładowywane są pojazdy wewnątrzkomórkowe, a ładunek jest wysyłany dokładniej w celu przewidzianym. Specjalne kolumny wspierają silne mury, które wpuszczają "swoje" do miasta, ale chronią je przed wrogami. Otoczenie wewnątrz komórki miejskiej różni się od otoczenia, jest tak dobrane, aby jego mieszkańcy czuli się komfortowo, żyjąc i pracując. W mieście jest kilka fabryk. Niektóre produkują energię zmagazynowaną w postaci specjalnych molekuł, inne produkują złożone białka niezbędne dla komórki.

Proces tworzenia cząsteczek, które są potrzebne, na przykład do wzrostu ściany komórkowej, jest bardzo złożony: różne organelle komórek łączą się, wymieniają informacje i łączą się w celu wytworzenia pożądanej cząsteczki, a następnie ponownie rozchodzą się. Oddzielne komórki łączy się w narządach.

W ludzkim ciele wszystko jest poukładane w najwyższym stopniu. Osoba to supermacha składająca się z wielu miast-komórek, w której znajdują się "strażnicy", chroniący go przed zewnętrznymi infekcjami i "fachowcy", którzy leczą otrzymane obrażenia.

Na obecnym etapie rozwoju nauki biologia opisuje życie komórki i organizmu jako całości, nie wiedząc w pełni, co się w niej dzieje, jak i dlaczego. Jednak poziom naszego zrozumienia stale rośnie dzięki sukcesom biomatematyki, biofizyki, biochemii i wielu innych nauk.

Julien Ofre de Lametri (1709-1751) – Francuski lekarz i filozof Oświecenia – sprytny myśliciel, który widział w osobie złożoną, ale poznawalną maszynę.

Vito Volterra (1860-1940) – Włoski matematyk i fizyk. Zastosował metody matematyczne do badań układów biologicznych, w szczególności systemu "drapieżnik – zdobycz".

Alfred James Lotka (1880-1949) – Amerykański matematyk i demograf. Współautorka modelu Lotka – Volterra w zakresie dynamiki populacji biologicznych.


* Nick. Gorzki. Astrovityanka. SPb.: Wydawnictwo AST, Astrel, 2008.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: