Gezonde menselijke lichamen zijn goed in het reguleren:onze temperaturen blijven rond de 98,6 graden Fahrenheit, hoe warm of koud de temperatuur om ons heen ook is. De suikerspiegels in ons bloed blijven redelijk constant, zelfs als we een glas sap drinken. We houden de juiste hoeveelheid calcium in onze botten en uit de rest van ons lichaam.

We zouden niet kunnen overleven zonder die regelgeving, homeostase genoemd. En als de systemen kapot gaan, de resultaten kunnen ziekte veroorzaken of, soms, dood.

In presentaties op de jaarlijkse bijeenkomst van de American Association for the Advancement of Science, onderzoekers voerden aan dat wiskunde kan helpen bij het verklaren en voorspellen van die storingen, mogelijk nieuwe manieren bieden om de systemen te behandelen om ze te voorkomen of op te lossen wanneer er iets misgaat. De bijeenkomst vond vrijwel eerder dit jaar plaats vanwege de COVID-19-pandemie.

Homeostase "is een biologisch fenomeen en biologische systemen zouden niet werken zonder, " zei Marty Golubitsky, een van de presentatoren en een vooraanstaand hoogleraar natuur- en wiskundige wetenschappen aan de Ohio State University. "En als je had gedetailleerd, nauwkeurige wiskundige modellen, je zou die systemen numeriek kunnen onderzoeken, vind plaatsen waar deze controle echt plaatsvindt, en dan zou je kunnen inschatten hoe het mis gaat en hoe je het eventueel zou kunnen corrigeren."

Wetenschappers hebben een goede greep op de biologische redenen waarom die regulatie plaatsvindt:bepaalde systemen in ons lichaam moeten constant blijven om te kunnen functioneren en ons lichaam in leven te houden. De wiskunde erachter, Hoewel, is minder zeker.

Maar het begrijpen van homeostase - inclusief het voorspellen van veranderingen erin en het berekenen van manieren om het lichaam gereguleerd te houden ondanks storingen in de lichaamssystemen die deze voorschriften beheren - zou een manier kunnen zijn om gerichte medische zorg te bieden aan mensen die het nodig hebben. zei Janet Best, co-auteur van een deel van het onderzoek achter de presentaties en professor in de wiskunde aan de Ohio State.

"Dit maakt deel uit van precisiegeneeskunde, " zei Beste, die ook mededirecteur is van het Mathematical Biosciences Institute van Ohio State. "Mensen zijn anders, en je hebt een model nodig dat op verschillende mensen kan werken. En we denken dat we dat hier hebben ontwikkeld."

Onderzoekers van het MBI en andere instellingen die bestuderen hoe wiskunde en biologie elkaar kruisen, hebben modellen gebouwd om uit te leggen hoe het lichaam de homeostase in verschillende systemen handhaaft. De kern van die modellen is een grafiek, een wiskundig concept dat probeert uit te leggen hoe objecten zich tot elkaar verhouden. (Als je algebra of meetkunde hebt gevolgd op de middelbare school, je hebt waarschijnlijk enkele basisprincipes van de grafentheorie geleerd.)

Golubitsky en Best zeiden dat de grafentheorie veranderingen in de homeostase in het lichaam kan helpen verklaren en voorspellen. die uitleg, ze zeggen, kan nuttig zijn voor biologen en anderen die zoeken naar manieren om in te grijpen wanneer de homeostase uitvalt. Die afbraak veroorzaakt een aantal problemen:te veel glucose in iemands bloed, bijvoorbeeld, of niet genoeg calcium in hun botten.

De AAAS-presentaties concentreerden zich zowel op een grafiek die modelleert hoe het lichaam dopamine-niveaus reguleert door middel van homeostase, en hoe grafentheorie helpt bij het identificeren van eigenschappen van grafieken die kunnen helpen bij het voorspellen van homeostase. Golubitsky en Best beschreven hoe dopamine en de enzymen die het afbreken kunnen worden weergegeven als een wiskundige formule die is gekoppeld aan een grafiek.

Dat lieten ze zien, door veranderingen in de knooppunten te berekenen, het zou mogelijk kunnen zijn om veranderingen in het dopaminegehalte te berekenen of te voorspellen. Die aanpak zou kunnen worden uitgebreid naar andere systemen, Golubitsky zei:hoewel toekomstig onderzoek nodig is om het zeker te weten. Dat onderzoek loopt al, hij zei.

"Homeostase is een belangrijk genoeg gebied in de biologie dat als wiskunde iets kan bijdragen, het is een succes, " hij zei.