Grafteori hjælper biologer med at studere homeostase

Sunde menneskekroppe er gode til at regulere:Vores temperaturer forbliver omkring 98,6 grader Fahrenheit, uanset hvor varm eller kold temperaturen er omkring os. Sukkerniveauet i vores blod forbliver nogenlunde konstant, selv når vi drikker et glas juice. Vi holder den rigtige mængde calcium i vores knogler og ude af resten af ​​vores kroppe.

Vi kunne ikke overleve uden den regulering, kaldet homeostase. Og når systemerne går i stykker, resultaterne kan forårsage sygdom eller, Sommetider, død.

I præsentationer på American Association for the Advancement of Sciences årlige møde, forskere hævdede, at matematik kan hjælpe med at forklare og forudsige disse sammenbrud, potentielt tilbyde nye måder at behandle systemerne på for at forhindre eller rette dem, når tingene går galt. Mødet blev afholdt stort set tidligere i år på grund af COVID-19-pandemien.

Homeostase "er et biologisk fænomen og biologiske systemer ville ikke fungere uden det, " sagde Marty Golubitsky, en af ​​oplægsholderne og en fremtrædende professor i natur- og matematiske videnskaber ved Ohio State University. "Og hvis du havde detaljeret, nøjagtige matematiske modeller, du kunne numerisk udforske disse systemer, finde steder, hvor denne kontrol virkelig sker, og så kunne du vurdere, hvordan tingene går galt, og hvordan du måske kan rette op på det."

Forskere har godt styr på de biologiske årsager til, at den regulering sker:Visse systemer i vores kroppe skal forblive konstante for at kunne fungere og holde vores kroppe i live. Matematikken bag det, selvom, er mindre sikker.

Men at forstå homeostase – herunder at forudsige ændringer i den og beregne måder at holde kroppen reguleret på trods nedbrud i kroppens systemer, der styrer disse regler – kunne være en måde at yde målrettet medicinsk behandling til mennesker, der har brug for det, sagde Janet Best, medforfatter til noget af forskningen bag præsentationerne og professor i matematik ved Ohio State.

"Dette er en del af præcisionsmedicin, " sagde bedste, som også er meddirektør for Ohio State's Mathematical Biosciences Institute. "Folk er forskellige, og du har brug for en model, der kan fungere på forskellige mennesker. Og vi tror, ​​det er det, vi har udviklet her«.

Forskere ved MBI og ved andre institutioner, der studerer, hvordan matematik og biologi krydser hinanden, har bygget modeller til at forklare, hvordan kroppen opretholder homeostase i en række forskellige systemer. I hjertet af disse modeller er en graf, et matematisk begreb, der søger at forklare, hvordan objekter relaterer til hinanden. (Hvis du tog algebra eller geometri i gymnasiet, du har sandsynligvis lært nogle af det grundlæggende i grafteori.)

Golubitsky og Best sagde, at grafteori kan hjælpe med at forklare og forudsige ændringer i homeostase i kroppen. Den forklaring, de siger, kunne være nyttigt for biologer og andre, der leder efter måder at gribe ind, når homeostase bryder sammen. Denne nedbrydning forårsager en række problemer - for meget glukose i en persons blod, for eksempel, eller ikke nok calcium i deres knogler.

AAAS-præsentationerne fokuserede både på en graf, der modellerer, hvordan kroppen regulerer dopaminniveauer gennem homeostase, og hvordan grafteori hjælper med at identificere egenskaber ved grafer, der kan hjælpe med at forudsige homeostase. Golubitsky og Best beskrev, hvordan dopamin og de enzymer, der nedbryder det, kan repræsenteres som en matematisk formel forbundet med en graf.

De viste, at ved at beregne ændringer i noderne, det kan være muligt at beregne eller forudsige ændringer i dopaminniveauer. Denne tilgang kunne udvides til andre systemer, Golubitsky sagde, selvom fremtidig undersøgelse er nødvendig for at vide det med sikkerhed. Den undersøgelse er allerede i gang, han sagde.

"Homeostase er et vigtigt nok område i biologien til, at hvis matematik kan bidrage med noget, det er en succes, " han sagde.