数学は科学の言語です。物理学から工学、化学まで、あらゆる分野に登場し、宇宙の起源を理解したり、風で崩れない橋を造ったりする助けとなっています。少し意外かもしれませんが、数学は生物学にもますます不可欠なものとなっています。
何百年もの間、数学は比較的単純な物理系のモデル化に大きな効果を発揮してきました。ニュートンの万有引力の法則はその好例です。比較的単純な観測から導かれた法則は、何十億マイルも離れた天体の運動をきわめて正確に記述します。従来、生物学はこうした数学的な扱いには複雑すぎると考えられてきました。
生物系はしばしば「複雑」と分類されます。ここでいう複雑さとは、多くの下位構成要素が複雑に相互作用するために、生物系が創発的な振る舞いを示すことを意味します。つまり、個々の構成要素が単独では持たない性質を、系全体として示すのです。この生物複雑性はしばしば生気論と混同されてきました。生気論とは、生物の過程が物理学や化学の法則とは異なる力や原理に依存しているという誤った考えです。その結果、複雑な生物系は数学的に扱えないと考えられてきました。
早くから異を唱える人々もいました。有名なコンピューター科学者で、第二次世界大戦中に暗号を解読したアラン・チューリングは、生物現象を数学的に研究し理解できると最初に提唱した人物の一人でした。1952年、彼は動物の体表に色素の模様がどのように形成されるのかを説明する美しい数学の方程式を2つ提案しました。
彼の研究は美しいだけでなく、直感に反するものでもありました。チューリングのような優れた知性だけが思いつくような研究です。さらに残念なのは、当時の過酷な反同性愛法のもとで、彼がひどい扱いを受けたことです。「矯正」を目的としたホルモン治療を受けた後、彼はわずか2年後に自ら命を絶ちました。
発展する研究分野
それ以来、数理生物学という分野は急速に発展しました。近年、実験手法がますます詳細になり、科学者が利用できる生物学的データが大幅に増加しています。このデータは、これまで難解だった生物系の複雑さについて仮説を立てるために使われています。仮説を検証するには、観察された生物学的現象を正しく再現しているか調べられるモデルとして記述しなければなりません。そのための自然な言語が数学です。
さらに、過去60年間に計算能力が登場し、その後向上したことで、生物系の複雑な数学モデルを提案し、検証できるようになりました。生物系を数学的に扱えるという認識と、詳細な生物モデルを構築して調べる計算能力が相まって、数理生物学の人気は飛躍的に高まりました。
数学は、21世紀の医学、生物学、生態学における喫緊の課題に取り組むための、科学の武器庫に欠かせない武器となっています。生物系を数学的に記述し、そこから得られたモデルを使うことで、実験や言葉による推論だけでは得られない知見を得られます。生物学を記述的な科学から予測可能な科学へと変えるには、数理生物学がきわめて重要です。たとえば、パンデミックを防いだり、生活を損なう病気の影響を変えたりする力をもたらします。
新たな武器
たとえば過去50年間、数理生物学者は心臓の生理機能を表す、ますます複雑な計算モデルを構築してきました。現在、こうした高度なモデルは、人間の心臓の複雑な働きをより深く理解するために活用されています。心機能のコンピューターシミュレーションを使えば、高額でリスクを伴う可能性のある臨床試験を行わずに、心機能の改善を目的とする候補薬が心臓とどのように相互作用するかを予測できます。
数理生物学は病気の研究にも使われています。個人レベルでは、研究者たちは数理免疫学を通じて、免疫系がウイルスと闘う仕組みを解明し、私たちに有利な方向へ状況を変える介入策を提案してきました。より大きな規模では、数理生物学者がエボラのような致命的な感染症の拡大を抑え、この目的に充てられる限られた資源を最も効率的に活用する仕組みを提案しています。
数理生物学は政策立案にも活用されています。たとえば漁業について、現実的な漁獲枠を設定するための数学的モデリングが研究されており、海で乱獲をしないようにするとともに、特に重要な種を守ることを目指しています。
数学的なアプローチから得られる理解の深まりは、さまざまなスケールで生物学への理解を向上させます。たとえば、バース大学数理生物学センターでは、喫緊の生物学的課題をいくつも研究しています。対象の一方の端では、最大10億匹からなるバッタの大発生がもたらす壊滅的な影響を防ぐ戦略の開発を試みています。もう一方の端では、胚が正しく発生する仕組みの解明を試みています。
数理生物学は従来、応用数学者の領域でしたが、自らを純粋数学者と位置づける数学者も、数理生物学の革新に貢献できることは明らかです。純粋数学の一分野である位相幾何学は、DNAの詰め込み方という難問の理解に使われており、代数幾何学は、生化学的相互作用ネットワークを表す最適なモデルの選択に活用されています。
数理生物学への関心が高まり続けるなか、科学の幅広い分野で活躍する新進・ベテランの科学者たちが、生物学がもたらす重要で新しい多様な課題に取り組むようになるでしょう。
チューリングの革新的な着想は、当時十分に評価されなかったものの、生物の過程を理解するために生気論、つまり機械の中に宿る神を持ち出す必要がないことを示しました。数学で表現される化学法則と物理法則、すなわち現在「数理生物学」と呼ばれるものだけで十分なのです。
