Зачем нужна математика в биологии и какие профессии появились на стыке этих наук

В конце 20-го века появилась новая междисциплинарная наука — синергетика, изучающая системы и структуры. Эта наука показала, что процессы, происходящие в самых разных системах, похожи и могут быть описаны схожим образом.

Что значит математическая биология

О том, что такое биология, знают все. Эта наука изучает живую природу во всем ее многообразии и процессы, которые происходят в живых организмах. Знание биологии необходимо не только биологам, но и экологам, агрономам, медикам и представителям других профессий, так или иначе связанных с живыми организмами и материалами.

Однако методы, которые на протяжении долгого времени использовались в этой науке, носили, в основном, описательный и экспериментальный характер.

Математика — это фундаментальная наука, и многие известные ученые, в том числе, знаменитый универсальный ученый Ломоносов, придавали именно математике огромное значение, справедливо полагая, что применение ее методов находится в любой науке.

В отличие от биологии, объекты изучения которой конкретны, математика — наука абстрактная. Она описывает отношения объектов, о которых мы не знаем ничего, кроме некоторых их свойств. К примеру, складывая две единицы математически, мы не знаем, люди это, деревья или яблоки, в то время как для биологии эти отличия принципиальны.

В этом и гениальность математики: она описывает, что произойдет в том или ином случае, не учитывая конкретные объекты. Ее прогнозы универсальны. Вот почему математическим расчетам находится место практически в любой другой науке.

Математические методы начали применяться в биологии очень давно. Вначале их использование было тесно связано с обработкой результатов наблюдений, ведь необходимо было подсчитать объекты исследований, их размеры, время протекания процессов и многое другое. Необходима была математика для каталогизации, классификации, ведения статистики.

Но этим применение математики в биологии не ограничилось.

Наука должна не только описывать процессы, но и объяснять, почему они происходят, а также делать прогнозы. Биологию часто критиковали за то, что она не объясняет причины явлений, а биологические процессы слабо поддаются предсказаниям. На этом основании некоторые критики даже считали, что биология — не наука.

Именно эта задача была поставлена перед математической биологией.

Для чего математика нужна в биологии

Для современной науки недостаточно просто располагать совокупностью множества собранных данных. Наука должна объяснять, почему явления происходят так, а не иначе, и что произойдет, если условия изменятся каким-либо образом. Биология сама по себе — это больше совокупность наблюдений и сделанные из этих наблюдений выводы; ей не хватает аналитической составляющей.

Основные математические методы, применяемые в биологии

Как математика работает в связке с биологией?

Объекты, которые изучает биология, предельно конкретны, обладают многими деталями, важными для ученого. Когда мы говорим «озеро» или «лес», мы представляем довольно конкретные системы с множеством определенных деталей. Для биолога ель бесконечно далека по своим свойствам от березы или баобаба. В математике же ничего этого нет, объекты характеризуются крайне скупо; это всего лишь числа.

Прежде чем использовать математику в биологии, необходимо конкретные объекты упростить до состояния просто чисел.

Здесь возникают определенные сложности, потому что классический биолог вообще не склонен к упрощениям. Суть его работы — изучение мельчайших деталей. Например, при изучении процессов фотосинтеза математик легко отбросит толщину листа растения, как незначительную величину, приняв ее за ноль, и будет работать лишь с площадью поверхности листа, а для биолога эта толщина важна, ведь она у разных растений различна, а иголки хвойных вообще имеют почти одинаковые значения толщины и ширины листа. Но для решения математических задач нужно уметь выделять значимое и отбрасывать незначимое, как в математике.

Например, биология отмечает, что скорость роста деревьев неравномерна. На основании этого утверждения точные прогнозы невозможны. Мы знаем, что скорость роста постепенно замедляется, но как именно и какой она будет в каждый конкретный момент времени, мы не знаем. Без математики мы не можем спрогнозировать размеры дерева через год или десять лет. А математика изучает эти процессы и записывает их на математическом языке, в данном случае, в виде дифференциального уравнения, которое отражает закон сохранения энергии. Имея такую модель, мы сможем рассчитать скорость роста дерева и его размеры в любой интересующий нас момент времени.

Первые исследования, посвященные математическим моделям в биологии, относятся к началу 20-го века и связаны с именем ученого А.Д. Лотке. Уже в 40-е годы прошлого века математические модели широко применялись в микробиологии; они позволили описать закономерности роста популяций одноклеточных организмов. Впоследствии математика применялась в генетике и генной инженерии.

Оказалось, без математики в биологии никуда.

Такие прорывы в науке не могут не влиять на появление новых профессий.

В каких направлениях с биологией без математики точно никуда

Биология в сочетании с математикой — это мощный союз. Сегодня, благодаря математике и информатике, современные биологи и медики могут решать проблемы, которые раньше считались неразрешимыми. Возникают новые профессии, связанные с применением математики в биологии. Эти профессии находятся на стыке наук, они новые и наукоемкие, требующие творческого подхода, а значит, именно такие, за которыми будущее.

Наиболее перспективные профессии с математической биологией:

• биоинформатик,
• биоинженер,
• биоматематик,
• генный инженер.

Про эти профессии точно можно сказать, что они востребованы, перспективны и хорошо оплачиваются. Подходят ли они лично вам? Этот вопрос только предстоит выяснить, потому что такие прогнозы делаются не «на глазок», а с использованием математических моделей.

Обратитесь за консультацией по карьерному ориентированию. Она поможет выявить ваши сильные стороны и подобрать профессию в соответствии с ними.

Где лучше учиться на профессии, связанные с биологией и математикой

Если вы выбрали такую новую и наукоемкую специальность, лучший вариант учебного заведения для вас — это немецкий вуз. Давайте рассмотрим, почему это так:

• Вузы СНГ, хотя многие из них являются авторитетными и дают качественное академическое образование, отличаются двумя особенностями — инертностью в плане нововведений и упором на теоретическую работу в ущерб практике. Для тех, кто выбирает новые специальности, это может стать проблемой. Сложно будет найти вуз, в котором вообще такое направление есть. В результате там, где подобные специальности преподают, бывает очень высокий конкурс, и, как правило, это престижные вузы в крупных городах и столицах.
• Поступить на бюджет в престижный вуз в СНГ — задача не из простых. Необходимо сдать ЕГЭ на баллы, близкие к максимальным, и это все равно ничего не гарантирует.
• Платная учеба в престижных вузах и проживание в столицах по карману не всем.
• Немецкие вузы ориентированы на практику и постоянно вводят новые направления. Их отличительная особенность — так называемые фокусные, то есть достаточно узкие специальности, многие из которых в российских университетах даже не представлены.
• Почти 500 вузов на такую относительно небольшую страну, как Германия (для сравнения, в России их около 1000) приводит к тому, что есть достаточно учебных заведений, в которых конкурс не зашкаливает.
• Образование в немецких вузах бесплатное; и это правило распространяется и на студентов из-за рубежа.
• Особенно стоит обратить внимание на условия поступления, которые для абитуриентов из СНГ просто сказочные. Не нужны баллы ЕГЭ, нужен только аттестат с высоким средним баллом. Для расчета среднего балла аттестата используются формулы, разные в различных вузах. Все их знать не нужно, достаточно сделать примерные расчеты, например, по Баварской формуле. Полученные результаты позволят примерно предположить, в какие вузы имеет смысл подавать документы.
• Можно подавать документы в неограниченное количество вузов. Таким образом, вероятность поступления существенно увеличивается.
• Для представителей наукоемких профессий важен тот фактор, что немецкие вузы великолепно финансируются государством, поэтому у них есть свои лаборатории, исследовательские центы и клиники, а студенты ведут собственные исследовательские проекты. Такая подготовка позволяет выращивать компетентных востребованных специалистов.
• В Германии студенты могут получать стипендии. Для этого придется обратиться в стипендиальный фонд и презентовать себя, как человека, заслуживающего финансовую поддержку на время обучения. Но, если такая стипендия будет назначена, она позволит компенсировать основные бытовые расходы. Это может быть важно для талантливой молодежи из небогатых семей. В СНГ, к сожалению, сейчас часто забывают о том, что талант человека не прямо пропорционален толщине кошелька его родителей.
• Учебный процесс в немецких высших ученых заведениях строится с учетом принципов академической свободы. Жесткого расписания как такового нет. Есть блоки, и студент набирает такую нагрузку, которая ему посильна. В результате обучение может немного растянуться по срокам, зато при желании можно успевать подрабатывать на полставки.
• После окончания учебы в немецком университете молодой специалист имеет возможность устроиться на работу в Германии. Для этого учебная виза продлевается на 1,5 года.