生物數(shù)學(xué)的分支內(nèi)容與應(yīng)用前景

　　生物數(shù)學(xué)是生物學(xué)以及數(shù)學(xué)的集合，是將數(shù)學(xué)知識(shí)充分應(yīng)用到生物學(xué)科當(dāng)中，下面是小編搜集整理的一篇探究生物數(shù)學(xué)發(fā)展與應(yīng)用前景，供大家閱讀參考。

　　引言

　　生物數(shù)學(xué)是生物學(xué)與數(shù)學(xué)之間的邊緣性學(xué)科，主要是通過(guò)利用數(shù)學(xué)的方式來(lái)研究分析以及解決生物學(xué)問(wèn)題，并對(duì)于生物相關(guān)的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行研究。 生物數(shù)學(xué)是生物學(xué)以及數(shù)學(xué)的集合，是將數(shù)學(xué)知識(shí)充分應(yīng)用到生物學(xué)科當(dāng)中，以便更好的發(fā)揮出生物與數(shù)學(xué)的作用。 數(shù)學(xué)已經(jīng)在生物學(xué)科中得到較廣泛的應(yīng)用，例如在生態(tài)、環(huán)境、人口、流行病學(xué)以及農(nóng)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域中均得到廣泛的應(yīng)用。雖然生物數(shù)學(xué)的起步比較晚，但是生物數(shù)學(xué)的應(yīng)用前景是廣闊的，并且其發(fā)展非常迅速。

　　1 生物數(shù)學(xué)的發(fā)展歷程

　　由于在生物科學(xué)中的生命研究中，通常會(huì)使用觀察法與實(shí)驗(yàn)法來(lái)研究分析生命體的性質(zhì)，然而這種觀察與實(shí)驗(yàn)需要大量的數(shù)據(jù)作為前提條件，如何通過(guò)這些數(shù)據(jù)來(lái)分析生命體的性質(zhì)是非常重要的。 隨著實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)的不斷增加， 數(shù)學(xué)在生物中的應(yīng)用作用逐漸突顯出來(lái)。

　　在早期，人們就將數(shù)學(xué)方法應(yīng)用到生命研究中來(lái)，其主要研究的是人口增長(zhǎng)問(wèn)題。其中動(dòng)力學(xué)方法在生命研究領(lǐng)域中的應(yīng)用是早期最成功的范例。 另外，在上世紀(jì)初，著名的意大利數(shù)學(xué)家 Volierra 在羅馬大學(xué)中的一次演講中， 以數(shù)學(xué)在生物與社會(huì)科學(xué)中的應(yīng)用嘗試的演講題目，為數(shù)學(xué)在生物科學(xué)中的`應(yīng)用提供前提，之后由英國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家Pearson創(chuàng)辦的《生物統(tǒng)計(jì)雜志》是生物數(shù)學(xué)發(fā)展的里程碑。 在 20 世紀(jì) 20 年代，由數(shù)學(xué)家福爾特拉以及生物學(xué)家迪安考鈉研究的捕食與被捕食關(guān)系模型，在理論上解釋了魚(yú)群的波動(dòng)現(xiàn)象，從而得出了實(shí)時(shí)捕食對(duì)被食者有利的結(jié)論，并且其也是生態(tài)學(xué)中的重要基礎(chǔ)理論。 其數(shù)學(xué)在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用不在是靜止的描述生命的現(xiàn)象，而是對(duì)其復(fù)雜過(guò)程以及規(guī)律進(jìn)行探索，通過(guò)數(shù)學(xué)工具建立各種各樣的數(shù)學(xué)模型，并將微分方程模型引入到生物領(lǐng)域中。 之后隨著電子產(chǎn)品的不斷問(wèn)世，使得生物數(shù)學(xué)的發(fā)展進(jìn)入到全新的時(shí)期，通過(guò)電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使得一些比較難的生物數(shù)學(xué)問(wèn)題求解得以實(shí)現(xiàn)， 并在電子科學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)上，生物數(shù)學(xué)出現(xiàn)較多的分支科學(xué)，例如，數(shù)量分析學(xué)科、生物信息學(xué)科以及生物控制學(xué)科等。 隨著電子產(chǎn)品的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用，生物數(shù)學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)大，尤其是在信息時(shí)代中，計(jì)算機(jī)技術(shù)與生物數(shù)學(xué)的有機(jī)結(jié)合，使得生物數(shù)學(xué)信息處理更加簡(jiǎn)便、快捷、高效[1].

　　2 生物數(shù)學(xué)的分支內(nèi)容

　　其一，根據(jù)不同的數(shù)學(xué)方法來(lái)分類(lèi)，可以將生物數(shù)學(xué)分為生物統(tǒng)計(jì)、生物控制、生物動(dòng)力系統(tǒng)等幾個(gè)方面的分支學(xué)科。其中生物統(tǒng)計(jì)還可以分為統(tǒng)計(jì)醫(yī)藥學(xué)、人口統(tǒng)計(jì)學(xué)以及統(tǒng)計(jì)生態(tài)學(xué)等幾個(gè)方面。 而生物動(dòng)力系統(tǒng)還可以分為傳染病動(dòng)力學(xué)、種群動(dòng)力學(xué)、人口動(dòng)力學(xué)、細(xì)胞動(dòng)力學(xué)以及分子動(dòng)力學(xué)等幾個(gè)方面。

　　其二，根據(jù)生命科學(xué)研究中子學(xué)科的不同特點(diǎn)來(lái)分類(lèi)，可以將生物數(shù)學(xué)分為數(shù)量遺傳、生理、生物經(jīng)濟(jì)學(xué);數(shù)學(xué)生態(tài);數(shù)理醫(yī)藥;神經(jīng)科學(xué)的數(shù)學(xué)模型以及傳染病、分子、細(xì)胞、人口動(dòng)力學(xué)等幾個(gè)分支。 在其中的數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)中還包括統(tǒng)計(jì)生態(tài)學(xué)、種群生態(tài)學(xué)以及系統(tǒng)生態(tài)學(xué)幾個(gè)方面的內(nèi)容。上述各類(lèi)分支學(xué)科是相互聯(lián)系，相互交錯(cuò)、相互包含的關(guān)系，在生物數(shù)學(xué)中發(fā)揮著重要的作用[2].

　　3 生物數(shù)學(xué)的發(fā)展與應(yīng)用前景

　　3.1 生物控制論的應(yīng)用與發(fā)展前景

　　近年來(lái)，隨著生物學(xué)科研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)生物現(xiàn)象的發(fā)生以及生物現(xiàn)象的優(yōu)化控制不存在連續(xù)性，無(wú)法簡(jiǎn)單的使用微分方程或者差分方程來(lái)表達(dá)。例如，在藥物動(dòng)力學(xué)中，藥物在人體中的吸收、代謝以及排泄等是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，可以使用藥物動(dòng)力學(xué)的模型來(lái)表達(dá)，但是在口服藥物以及靜脈注射過(guò)程中，則需要使用脈沖微分方程模型來(lái)表達(dá)。另外，在漁業(yè)養(yǎng)殖、森林管理、植保研究、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域中，均可以使用脈沖微分方程來(lái)表達(dá)，以便促進(jìn)各個(gè)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展。其中脈沖微分方程的理論以及研究方法等在生命科學(xué)大多數(shù)研究領(lǐng)域中得到較好的應(yīng)用，有的甚至在生化制品加工優(yōu)化中得到較好的應(yīng)用，由此可以看出生物數(shù)學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展前景是非常廣闊的[3].

　　3.2 數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展前景

　　3.2.1 分子生態(tài)學(xué)分子生態(tài)學(xué)是數(shù)學(xué)方法以及生物學(xué)相互交叉而產(chǎn)生的一種新型模型生長(zhǎng)點(diǎn)，在分子生物學(xué)、生態(tài)學(xué)以及種群生物學(xué)等層面發(fā)生的形狀、基因以及行為等轉(zhuǎn)換變化的情況均需要使用包含空間變量的數(shù)學(xué)模型來(lái)研究，并且其也是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)之一。 其使用的主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：其一，通過(guò)數(shù)學(xué)模型可以建設(shè)重復(fù)的微小生物分化模型過(guò)程。其主要分化內(nèi)容是對(duì)生物信號(hào)的傳遞、表達(dá)、擴(kuò)散以及響應(yīng)的一種研究。其二，針對(duì)不同時(shí)空下的種群需要使用分子技術(shù)進(jìn)行標(biāo)記。

　　同時(shí)， 需要根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析來(lái)研究不同時(shí)空中種群之間的生物學(xué)關(guān)系，以便為判定宏觀生態(tài)過(guò)程提供有利的科學(xué)依據(jù)。 其三，在分子層面空間結(jié)構(gòu)方面需要使用數(shù)學(xué)模型來(lái)構(gòu)建，以便更好的獲得生物單元的形態(tài)與功能相關(guān)方面的知識(shí)與內(nèi)容[4].

　　3.2.2 種群生態(tài)學(xué)種群生態(tài)學(xué)在生態(tài)學(xué)中是其發(fā)展的主要?jiǎng)恿Γ瑢⒎N群的生長(zhǎng)放置在與現(xiàn)實(shí)環(huán)境更貼近的條件下，其研究的熱點(diǎn)問(wèn)題主要是種群內(nèi)外的噪聲干擾、群眾內(nèi)個(gè)體行為以及異質(zhì)環(huán)境對(duì)種群動(dòng)態(tài)的影響研究。 通過(guò)對(duì)上述三個(gè)方面的研究進(jìn)行結(jié)合， 可以建立成具體的生物學(xué)模型，其中驗(yàn)證模型的標(biāo)準(zhǔn)之一就是其是否產(chǎn)生與現(xiàn)實(shí)生活生態(tài)過(guò)程中相同的特性結(jié)果。 另外，基于個(gè)體發(fā)展的模型已經(jīng)深入的進(jìn)入到空間異質(zhì)、 隨機(jī)環(huán)境以及個(gè)體行為差異對(duì)種群動(dòng)態(tài)特征的作用研究領(lǐng)域中，其應(yīng)用的領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)大[5].

　　3.3 傳染病動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展前景

　　其傳染病動(dòng)力學(xué)在近幾十年中得到較快的發(fā)展，大多數(shù)數(shù)學(xué)模型在分析各種各樣的傳染病問(wèn)題中得到較好的應(yīng)用。這些數(shù)學(xué)模型通常比較適合應(yīng)用于各種傳染病的一般規(guī)律性研究。 同時(shí)，也有一部分?jǐn)?shù)學(xué)模型適合應(yīng)用于麻疹、肺結(jié)核以及艾滋病等具體病名的研究中。 這些數(shù)學(xué)模型主要會(huì)涉及到以及接觸到不同的感染方式， 例如垂直傳播、接觸傳播以及蟲(chóng)媒傳播等。同時(shí)，該數(shù)學(xué)模型還會(huì)考慮到疾病的潛伏期、以及對(duì)病人的隔離等方面的內(nèi)容，因此，在傳染病的研究領(lǐng)域其應(yīng)用比較廣闊，并將會(huì)得到更加深入的發(fā)展。

　　4 總結(jié)

　　在當(dāng)今社會(huì)快速發(fā)展的過(guò)程中，生物數(shù)學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域中均得到較廣泛的應(yīng)用，其在應(yīng)用的過(guò)程中將會(huì)得到不斷的完善與優(yōu)化，并能夠在更多的領(lǐng)域中得到更好的應(yīng)用。另外，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，在生物數(shù)學(xué)中信息技術(shù)與其相互融合，可以有效的提高生物數(shù)學(xué)的應(yīng)用作用，生物數(shù)學(xué)的發(fā)展必然會(huì)更加成熟。

　　【參考文獻(xiàn)】

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