以下文章經允許轉載自The Conversation，這是一個涵蓋最新研究的線上出版物。
數學是科學的語言。它無處不在，從物理學到工程學和化學——幫助我們理解宇宙的起源，建造不會在風中倒塌的橋樑。也許有點出人意料的是，數學在生物學中也越來越不可或缺。
支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
幾百年來，數學已被廣泛用於模擬相對簡單的物理系統。牛頓的萬有引力定律就是一個很好的例子。相對簡單的觀察得出了一條規則，可以非常準確地描述數十億英里外天體的運動。傳統上，生物學被認為太複雜，無法接受這種數學處理。
生物系統通常被歸類為“複雜”。這裡的複雜性意味著，由於許多子元件的複雜相互作用，生物系統會表現出我們稱之為湧現行為的現象——整個系統表現出的特性是單個元件單獨作用時無法實現的。這種生物複雜性常常被誤認為是活力論，即生物過程依賴於不同於物理和化學定律的力量或原則的誤解。因此，人們認為複雜的生物系統不適合進行數學處理。
早期也有一些反對者。著名的計算機科學家和二戰密碼破譯者艾倫·圖靈是最早提出可以透過數學方法研究和理解生物現象的人之一。1952年，他提出了一對優美的數學方程，解釋了動物皮毛上色素模式是如何形成的。
他的工作不僅優美，而且違反直覺——只有像圖靈這樣傑出的人才能夢想出這種工作。更令人遺憾的是，他在當時嚴苛的反同性戀法律下受到了如此不公正的待遇。在接受了一段“矯正性”激素治療後，他僅在兩年後就自殺了。
一個新興領域
從那時起，數學生物學領域得到了爆炸式發展。近年來，越來越詳細的實驗程式導致科學家可以獲得大量的生物資料。這些資料被用來生成關於先前難以理解的生物系統複雜性的假設。為了檢驗這些假設，必須以模型的形式寫下來，然後對其進行調查，以確定其是否正確地模仿了生物學觀察。數學是執行此操作的自然語言。
此外，過去60年中計算能力的出現和隨後的提高，使我們能夠提出並研究生物系統的複雜數學模型。生物系統可以進行數學處理的認識，以及構建和研究詳細生物模型的計算能力，導致了數學生物學的普及程度急劇增加。
數學已經成為我們擁有的科學武器庫中至關重要的武器，可以解決21世紀醫學、生物學和生態科學中最緊迫的一些問題。透過用數學方法描述生物系統，然後使用由此產生的模型，我們可以獲得僅透過實驗和口頭推理無法獲得的見解。如果我們想將生物學從描述性學科轉變為預測性學科——例如，賦予我們阻止大流行病或改變使人衰弱的疾病的影響的能力，那麼數學生物學就非常重要。
一種新的武器
例如，在過去的50年中，數學生物學家建立了越來越複雜的關於心臟生理學的計算表示。今天，這些高度複雜的模型被用來更好地理解人類心臟的複雜功能。心臟功能的計算機模擬使我們能夠預測心臟將如何與旨在改善其功能的候選藥物相互作用，而無需進行昂貴且可能存在風險的臨床試驗。
我們也使用數學生物學來研究疾病。在個體層面，研究人員透過數學免疫學闡明瞭我們免疫系統與病毒對抗的機制，並提出了潛在的干預措施，以使天平向我們有利的方向傾斜。在更廣泛的層面上，數學生物學家提出了可用於控制像埃博拉這樣的致命流行病傳播，並確保將為此目的投入的有限資源以最有效的方式使用的機制。
數學生物學甚至被用來為政策提供資訊。例如，已經有人對漁業進行了研究，使用數學建模來設定實際配額，以確保我們不會過度捕撈我們的海洋，並保護我們一些最重要的物種。
透過採取數學方法獲得的理解力的提高可以更好地理解不同尺度的生物學。例如，在巴斯的數學生物學中心，我們研究了許多緊迫的生物學問題。在一個極端，我們嘗試開發策略，以避免由多達十億個個體組成的毀滅性蝗災的影響。在另一個極端，我們試圖闡明導致胚胎正確發育的機制。
儘管數學生物學傳統上是應用數學家的領域，但很明顯，自我歸類為純數學的數學家在數學生物學革命中也發揮著作用。拓撲學的純粹學科被用來理解DNA包裝的棘手問題，而代數幾何被用來選擇生物化學相互作用網路的最合適的模型。
隨著數學生物學的地位不斷提高，來自整個科學領域的新興和成熟的科學家將被吸引來解決生物學必須提供的豐富且重要的創新問題。
圖靈的革命性思想雖然在他那個時代沒有得到充分的賞識，但表明沒有必要求助於活力論——機器中的上帝——來理解生物過程。用數學編碼的化學和物理定律，或者我們現在所說的“數學生物學”，就可以很好地做到這一點。
本文最初發表在The Conversation。閱讀原文。