生物學(xué)的世界包含了豐富的模式。仔細(xì)觀察就不難發(fā)現(xiàn)，模式無處不在。

一朵花的花瓣數(shù)量通常對應(yīng)著斐波那契數(shù)列中的一個數(shù)字，而哺乳動物的椎骨數(shù)量也很有規(guī)律，比如長頸鹿、人類和短尾矮袋鼠都有 7 節(jié)頸椎。甚至許多病毒也遵循著模式，在它們的外殼上表現(xiàn)出了對稱性。

自然的花朵中藏著斐波那契數(shù)列的秘密。（圖／BlueRidgeKitties, Flickr, CC BY-NC-SA）

而數(shù)學(xué)的核心就是研究模式的科學(xué)。自然中的一些模式可能非常微妙，因此，如果不用數(shù)學(xué)來正式描述并理解它們，我們可能就會完全忽略。而如今，數(shù)學(xué)模型已經(jīng)成為物理學(xué)、工程學(xué)和氣候科學(xué)的核心。

長期以來，生物學(xué)研究在很大程度上沒有先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型，但這種情況正在逐漸改變。數(shù)學(xué)生物學(xué)是一個不斷發(fā)展的領(lǐng)域，它有望徹底顛覆微生物學(xué)、生物技術(shù)、進(jìn)化生物學(xué)和醫(yī)療保健。

有了數(shù)學(xué)的輔助，以往需要多年試錯實驗（和大量浪費）的科學(xué)突破，也許可以在更短的時間里實現(xiàn)。

以下正是在數(shù)學(xué)生物學(xué)方面取得的一些最新進(jìn)展。

病毒和自然世界

小時候，我們大多數(shù)人都玩過 " 石頭剪刀布 " 的游戲。事實上，我們用來描述石頭剪子布的數(shù)學(xué)方法，也可以用來預(yù)測一個地區(qū)中動物物種之間讓它們共存的優(yōu)勢循環(huán)。

例如，在美國西南部有三個品種的側(cè)斑鬣蜥，每個品種相對于另一個品種具有一定生存優(yōu)勢，而相對于第三個品種則具有劣勢。這就好比石頭可以贏剪刀卻會輸給布，帶來了一種生態(tài)中的平衡。

側(cè)斑鬣蜥。（圖／Kerry Matz, Flickr, CC BY-NC-SA）

數(shù)學(xué)也一直是我們對抗 COVID-19 的前沿陣地。

如果你關(guān)注新聞，可能聽說過 R0，這是一個表明流行病傳播性質(zhì)的數(shù)學(xué)概念。傳染性流行病學(xué)中的這一關(guān)鍵概念是數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)力量的結(jié)果，它可以檢測到數(shù)據(jù)中的模式。簡單來說，當(dāng) R0 大于 1 時，感染的數(shù)量會上升。當(dāng) R0 小于 1 時，流行病則將最終消亡。這一直是預(yù)測和控制流行病傳播的關(guān)鍵。

也許鮮為人知的是，數(shù)學(xué)生物學(xué)也正被用來：

· 設(shè)計殺死癌細(xì)胞的病毒，例如通過組合療法來治療卵巢癌；

· 設(shè)計干預(yù)措施，來幫助消除瘧疾；

· 確定抗菌素耐藥性的原因；

· 為發(fā)展中國家和干旱地區(qū)帶去清潔的飲用水；

· 揭開活細(xì)胞的內(nèi)部運作。

全細(xì)胞模型

在諸多數(shù)學(xué)應(yīng)用中，其中一項格外引人注目。

在這個生物學(xué)的新時代，研究人員可以建立數(shù)學(xué)模型，全面地描述單個生物細(xì)胞，從而預(yù)測它的命運。這被稱為 "全細(xì)胞模型"，它讓我們能計算出一個細(xì)胞的生命周期，并幫助我們理解生物的工作原理。

一位作家將對細(xì)胞內(nèi)部世界的探索稱為 "最終邊界"（final frontier）。盡管這一領(lǐng)域仍處于起步階段，但它的潛在應(yīng)用其實無處不在。

想象一個場景。耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）是一種能抵御標(biāo)準(zhǔn)抗生素的超級細(xì)菌。如果我們建立一個 MRSA 的細(xì)胞內(nèi)部工作的復(fù)制數(shù)學(xué)模型，就可以在生物實驗的基礎(chǔ)上，使用計算機(jī)模擬來設(shè)計預(yù)防和治療 MRSA 細(xì)菌感染的新方法。這將為我們與抗藥性超級細(xì)菌的斗爭增加另一層防御。

MRSA。（圖／National Institute of Allergy and Infectious Diseases, National Institutes of Health, CC BY-NC）

全細(xì)胞建模的益處也延伸到了癌癥治療。例如，癌癥免疫療法依賴于借助病人自身的免疫系統(tǒng)來對抗癌癥。如果我們有一個完整的免疫細(xì)胞模型，就可以針對特定的抗腫瘤反應(yīng)進(jìn)行微調(diào)，改善抗癌療法，并且不需要對病人進(jìn)行任何侵入性探查。

醫(yī)療保健之外的應(yīng)用

除了醫(yī)療保健，全細(xì)胞模型還為我們提供了農(nóng)業(yè)和食品生產(chǎn)中的清潔用水的方法。

有效的水處理通過去除微生物、有機(jī)物質(zhì)和微污染物而產(chǎn)生高質(zhì)量的水。然而，被去除的生物物質(zhì)的堆積不可避免地會導(dǎo)致過濾器被一層生物物質(zhì)，或者叫 "生物膜" 所堵塞。生物膜一旦形成，只有被清除后，過濾過程才能再次工作。在海水淡化廠，大約四分之一的運行成本歸因于生物膜的清除，這成了一個大問題。

全細(xì)胞模型讓科學(xué)家能夠剖析生物膜形成的基礎(chǔ)機(jī)制，隨后，就能確定合適的目標(biāo)，首先抑制生物膜的形成，或在生物膜形成后加以破壞，恢復(fù)供水系統(tǒng)的完整性。

這只是諸多例子中的寥寥幾個。科學(xué)家相信，理解、預(yù)測并控制細(xì)胞的行為，將快速推動生物技術(shù)和醫(yī)療保健方面的發(fā)現(xiàn)，確保為每個人提供一個更健康、更安全和更繁榮的未來。