Biomathematik und Unsterblichkeit

Biomathematik und Unsterblichkeit

Nick. Bitter
"Wissenschaft und Leben" №7, 2018

Andere wissenschaftliche Geschichten Nick. Gorki siehe in "Wissenschaft und Leben" № 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.

Der Leiter des neuen Buches ist Nick. Bittere "Undiscovered Worlds", die im Sommer dieses Jahres im Verlag "Astrel" in St. Petersburg erscheint.

Julien Lametri. Stich von Achilles Ovres (frühes 20. Jahrhundert). Illustration: Wikimedia Commons / PD

Über viele Jahre in der wissenschaftlichen Welt gab es die Meinung, dass Lebewesen nicht durch Methoden der Mechanik, Physik oder Mathematik beschrieben werden können – sie sind zu komplex und haben unvorhersehbares Verhalten. Einer der ersten, der diese Aussage widerlegte, war der französische Arzt und Philosoph Julien Lametrie. Im Jahre 1747 schrieb Lametri das Buch Man-Machine, das später allgemein bekannt wurde. Darin argumentierte der Wissenschaftler seine Argumente zugunsten der Tatsache, dass die Organe des menschlichen Körpers wissenschaftlichen Gesetzen sowie anderen Mechanismen unterliegen. "So, wir müssen eine kühne Schlussfolgerung machen, dass der Mensch eine Maschine ist …" – schrieb Lametri. Zur gleichen Zeit war er sich dessen sehr bewusstwie sehr sich ein lebender Organismus von einem einfachen Mechanismus unterscheidet und bemerkte: "Der Mensch ist so eine komplexe Maschine, dass es völlig unmöglich ist, eine klare Vorstellung davon zu haben …"

Während des Lebens eines Wissenschaftlers wurden seine materialistischen Ansichten als Häresie betrachtet. Sein Buch wurde von der Inquisition verbrannt, und er selbst war gezwungen, aus Frankreich zu fliehen und sich bis zum Ende seines Lebens in einem fremden Land zu verstecken. Dennoch wurden die Arbeiten von Lametri Vorboten für den Beginn von Physik und Mathematik auf einer scheinbar weit von diesen Disziplinen entfernten Wissenschafts – Biologie. Forscher fanden Ähnlichkeit der Nervenfasern mit elektrischen Drähten, begannen, die Biophysik der Muskelkontraktion und die mechanische Machbarkeit der Skelettstruktur zu verstehen.

Vito Volterra. Abbildung: Consiglio Nazionale delle Ricerche

Weiter mehr. Die Mathematik drang nicht nur allmählich in die Struktur eines einzelnen Organismus ein, sondern auch in ihre Gemeinschaften. Bereits im zwanzigsten Jahrhundert, genauer gesagt 1931, veröffentlichte der italienische Mathematiker und Physiker Vito Volterra in Paris das Buch "The Mathematical Theory of the Struggle for Existence". Im Vorwort schrieb er, dass "der Umfang dieser Studien alle Manifestationen des Kampfes zwischen Individuen einer bestimmten Gemeinschaft einschließt; der Gewinn einiger ist auf den Tod anderer zurückzuführen, und der Gewinn und der Tod können numerisch geschätzt werden."Sie können mit Hilfe komplexer Differenzial- und Integrodifferentialgleichungen berechnet werden, die als Volterra-Gleichungen bezeichnet werden. Dabei handelt es sich um mathematische Gleichungen, in denen sowohl Differentiale als auch Integrale unbekannter Funktionen vorhanden sind.

Hier ist ein Beispiel. Wenn Sie Beeren in einem großen Korb pflücken, hängt die Geschwindigkeit der Sammlung von ihrer Anzahl auf der Wiese, von der Geschwindigkeit der Bewegung der Hände und der Bewegung auf dem Feld ab. Die Rate der Beeren im Korb kann durch eine Differentialgleichung ausgedrückt werden. Und die Gesamtzahl der Beeren in dem Korb wird durch das Zeitintegral der Abholrate beschrieben. Wenn wir berücksichtigen, dass, wenn sich der Korb im Korb ansammelt, die Bewegung über die Wiese sich verlangsamt, da sich die Ermüdung anhäuft und der Korb schwerer wird, stellt sich heraus, dass selbst eine so einfache Tätigkeit wie das Beerenpflücken durch eine Integro-Differentialgleichung beschrieben wird.

Vito Volterra zeigte, dass diese Gleichungen zum Beispiel zyklische Fluktuationen in der Anzahl der Räuber und Pflanzenfresser beschreiben. Es gibt Zeiten, in denen Jäger eine Menge Häschenfelle spenden, aber wenig Trabfell. Und umgekehrt: Die Fülle an Nahrung hilft dem schnellen Wachstum der Luchse, die die Anzahl der Hasen reduzieren.In solchen Zeiten bekommen die Jäger eine Menge Luchsfelle und Hasen werden weniger als üblich gemietet. Und wenn das Vieh des Luchs aufgrund der Hungersnot reduziert wird, vermehren sich die Hasen wieder. Die Mathematik erwies sich als so mächtiges Mittel, die Natur zu kennen, dass sie in der Lage war, den Kampf um die Existenz tausender Luchse, die auf Hasen lauerten, und Hunderttausende von Hasen, die Waldwege passierten und Begegnungen mit Luchsen vermieden, zu beschreiben. Ähnliche Prozesse treten in anderen biologischen Gemeinschaften auf, beispielsweise bei Raubfischen und Fischen, die sich von Algen und Plankton ernähren.

Stolze Löwen wissen nicht, dass ihre Beziehung zu Pflanzenfressern der Mathematik gehorcht. Foto von Natalia Domrina

Alfred Lotka. Foto: Wikimedia Commons / PD

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts führte der amerikanische Mathematiker, Physiker und Demograph Alfred Lotka eine ähnliche mathematische Analyse der Fluktuationen in der Anzahl der menschlichen Bevölkerung durch und leistete einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von Gleichungen, die ein solches System beschreiben und später Lotka-Volterra-Gleichungen genannt wurden.

Die im 20. Jahrhundert entstandene Wissenschaft der Biomathematik, die die Anwendung mathematischer Methoden und Algorithmen in der Biologie berücksichtigt, kann viel mehr Objekte umfassen als Volterra, einschließlich Objekte und Phänomene des menschlichen Körpers.Wenn die Biomathematik alle wichtigen Prozesse im menschlichen Körper beschreiben kann, können wir sie verwalten.

Im dritten Buch der Trilogie "Astrovityanka"* Eine mathematische Lösung für die Unsterblichkeit wird vorgeschlagen:

"Für den Körper Homo sapiens ein unglaublich komplexes System von Differential-Integral-Tensor-Gruppen-Gleichungen wurde zusammengestellt. Die mathematische Lösung dieses Gleichungssystems beschrieb alle Lebensprozesse im menschlichen Körper. Diese "Entscheidung des Lebens" zu erreichen, war eine Aufgabe von außerordentlicher Komplexität, aber ein noch schädlicheres Problem war die "Entscheidung der Unsterblichkeit". Für ihn war es notwendig, das ursprüngliche Gleichungssystem, das heißt den Organismus selbst, zu finden und zu erzwingen, unter denen Lebensprozesse in einer Person nicht zeitlich begrenzt wären, z. B. würde die Zellteilung nach mehreren Jahrzehnten in Krämpfen der Apoptose nicht verschwinden. es würde endlos weitergehen. "

Graphen der Interaktion von Räubern und Beutetieren im Lotka-Volterra-Modell. Abbildung: Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0

Hier ist ein Beispiel dafür, dass biologische Prozesse sowohl in einem kranken als auch in einem gesunden Organismus den Gesetzen der Physik und Mathematik gehorchen.Der Malariaparasit klettert in die Blutzelle – die Erythrozyten, vermehrt sich dort, verzehrt die Nährstoffe und bereitet gleichzeitig den Weg für den neugeborenen Nachwuchs. Wenn der Moment der Geburt kommt, kommen biomechanische Prozesse ins Spiel, und der Erythrozyt, der sich in eine runde Tasche verwandelt hat, in der ein Dutzend Parasiten kämpfen, dreht sich wie ein Handschuh um und wirft sie hinaus. Die Erreger der Malaria kennen weder Physik noch Mathematik, aber sie "wissen" wie man physikalische und mechanische Prozesse steuert. Die Evolution hat in ihnen spezielle Fähigkeiten entwickelt, die benötigt werden, um in eine feste Zelle einzudringen und sie für die Eversion vorzubereiten. Und dies ist ein sehr schwieriger Prozess, der die elastischen Eigenschaften der zweischichtigen Zellmembran, die Oberflächenspannung und viele andere Faktoren berücksichtigt. Sie können den Malariaparasiten besiegen, wenn Sie den Fortpflanzungsprozess im Detail verstehen und die Eigenschaften des Erythrozyten so verändern, dass er seine Funktionen erfüllt und der Parasit sie nicht länger beherrschen kann.

Malariamücke (Anopheles stephensi) – Vektor der menschlichen Parasiten von Malaria plasmodia. Foto: Jim Gathany / Wikimedia Commons / PD

Viren, die nicht einmal lebende Organismen sind, sondern komplexe Moleküle, erweisen sich als hervorragende "Cracker".Sie "wissen", wie sie die Haltbarkeit der Zelle brechen und zur Reproduktion ins Innere eindringen können. Sie können nur verhindert werden, indem der Mechanismus der Viruspenetration in die Zelle im Detail untersucht wird …

Jede Zelle des menschlichen Körpers ähnelt einer unabhängigen Festungsstadt mit einer effektiven Organisation der Ressourcenversorgung und Abfallentsorgung. Es hat ein Kontrollzentrum, Festungsmauern, Straßen. Eine Stadtzelle kann sich reproduzieren, indem sie zwei vollwertige Zellen halbiert und formt. Auf den Röhrenautobahnen dieser Städte bewegen sich die Lasten in die richtige Richtung – komplexe Moleküle, verpackt in sphärische "Avtomobilchiki", die nicht von Motoren, sondern von eigenartigen "Beinen" in Bewegung versetzt werden. Sie werden abwechselnd von der Oberfläche der Röhre abgestoßen und schieben die "kleinen Autos" vorwärts.

Ein Krater mit einem Durchmesser von mehr als 50 km auf der anderen Seite des Mondes, benannt nach Vito Volterra. Foto: NASA / Wikimedia Commons / PD

Die Zelle ist voller Nanomaschinen – mechanische Geräte, die aus einzelnen Molekülen hergestellt werden. Zum Bewegen der Nanomaschinen kann ein Elektromotor verwendet werden, der das Flagellum, das in vielen Bakterien vorhanden ist, rotiert und in mikroskopische Unterseeboote umwandelt.In der Zellenfestung befindet sich ein zentrales Schloss – der Kern, in dem die genetische Bibliothek aufbewahrt wird, es gibt Stationen und Sortierstationen, wo intrazelluläre Fahrzeuge entladen werden, und die Fracht wird streng für ihren beabsichtigten Zweck weitergeschickt. Spezielle Säulen tragen starke Mauern, die "ihre" in die Stadt lassen, aber vor Feinden schützen. Die Umgebung innerhalb der Stadtzelle unterscheidet sich von der Außenwelt, sie ist so gewählt, dass sich ihre Bewohner wohlfühlen und leben können. In der Stadt gibt es mehrere Fabriken. Einige produzieren Energie in Form von speziellen Molekülen, andere produzieren die für die Zelle notwendigen komplexen Proteine.

Der Prozess der Erzeugung von Molekülen, die zum Beispiel für das Zellwandwachstum benötigt werden, ist sehr komplex: Die verschiedenen Organellen der Zellen kommen zusammen, tauschen Informationen aus und verbinden sich, um das gewünschte Molekül zu erzeugen, und divergieren dann wieder. Getrennte Zellen werden in Organen kombiniert.

Im menschlichen Körper ist alles im höchsten Grade zweckmäßig angeordnet. Eine Person ist eine Supermaschine, die aus einer Vielzahl von Zellenstädten besteht, wo es "Wachen" gibt, die ihn vor äußeren Infektionen schützen, und "Reparateure", die den erlittenen Schaden heilen.

Auf dem gegenwärtigen Entwicklungsstand der Wissenschaft beschreibt die Biologie das Leben der Zelle und des Organismus als Ganzes, ohne genau zu wissen, was in ihm geschieht, wie oder warum. Aber das Niveau unseres Verständnisses wächst stetig aufgrund der Erfolge der Biomathematik, Biophysik, Biochemie und einer Reihe anderer Wissenschaften.

Julien Ofre de Lametri (1709-1751) – Französischer Arzt und Philosoph der Aufklärung – ein kluger Denker, der in einer Person eine komplexe, aber erkennbare Maschine sah.

Vito Volterra (1860-1940) – Italienischer Mathematiker und Physiker. Anwendung der Methoden der Mathematik auf das Studium biologischer Systeme, insbesondere des Systems "Räuber – Beute".

Alfred James Lotka (1880-1949) – Amerikanischer Mathematiker und Demograph. Co-Autor des Modells Lotka – Volterra auf dem Gebiet der Dynamik von biologischen Populationen.


* Nick. Bitter. Astrovityanka. SPb.: Verlag AST, Astrel, 2008.


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