Die Kunst der mathematischen Modellierung

Diese ScienceLives Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Nicht alles, was wir wollen in der Biologie wissen kann direkt gemessen werden, da dabei zu teuer oder einfach unmöglich. In einigen Fällen können biologische "Wegweiser", genannt Biomarker, um Informationen zu folgern Wissenschaftler freuen. Ärzte, können z. B. das Vorhandensein bestimmter Moleküle im Blut oder Gewebe zu diagnostizieren oder Krankheit Vorhersagen. Die Proteine, sogenannte Antikörper sind Beispiele von Biomarkern, die mögliche Infektion anzeigt.

Chris Remien, ein postdoctoral Fellow am National Institute for Mathematical und biologische Synthese, Mathematik, verwendet um besser zu verstehen, wie sich die biologischen Marker beziehen sich auf die Ernährung der Tiere und wie sie Nährstoffe und Giftstoffe verstoffwechseln. Die Tiere Futter und Wasser verbrauchen lassen chemische Signaturen (Biomarker) in ihren Geweben; jedoch ändert Stoffwechsel manchmal diese Signaturen. Remien entwickelt mathematische Modelle zu verstehen, wie der Stoffwechsel der Biomarker verändern kann.

Remien Modelle helfen auch Ärzte schätzen Sie das Ausmaß der Leberschädigung nach Überdosierung von Paracetamol (der Wirkstoff in einigen Schmerz-Medikamente), das zur Bestimmung der Überlebensrate der Patienten entscheidend.

Erfahren Sie mehr über Remiens Forschung hier. Im folgenden beantwortet er unsere 10 Fragen.

Name: Chris Remien
Alter: 30
Institution: Nationales Institut für mathematische und biologische Synthese
Heimatstadt: Ishpeming, Michigan
Fachrichtung: Mathematische Biologie

Was inspirierte Sie zu dieser Fachrichtung zu wählen?

Ich habe immer genossen, Probleme zu lösen, das ist, was zog mich zunächst zur Mathematik. Im Laufe der Zeit wurde ich mehr Probleme, verwurzelt in der realen Welt, in der Daten erstellt. Biologie stellt vielleicht die größten und aufregendsten Fragen der realen Welt, im Zusammenhang mit Leben. Die Komplexität des Lebens bedeutet, dass Intuition allein reicht oft nicht aus und Mathematik und Simulation können manchmal zu Hilfe kommen. Es ist eine aufregende Zeit, eine quantitative Person biologische Fragen.

Was ist der beste Ratschlag, den Sie jemals bekommen?

Vertrauen Sie Ihrem Darm. Ein großer Teil der Kunst des Modellierens ist einfach herauszufinden, was genau zu Modell, was für die Fragestellung wichtig ist. Für die besten Probleme haben Sie ein tiefes Gefühl, das weitere Informationen durch Modellierung, aufgedeckt werden können, auch wenn Sie noch nicht sehen, genau wie es getan werden sollte.

Was war Ihre erste wissenschaftliche Experiment als ein Kind?

Ich verbrachte viel Zeit als Kind, führte mich zu Fragen, warum Dinge waren wie sie draußen spielen. Warum diese Bäume wachsen hier, und andere wachsen an anderer Stelle? Wir würden Kaulquappen fangen, steckte sie in unserem Hinterhof-Teich und beobachten sie in Frösche verwandeln. Verbringen Zeit im freien führte zu einer Faszination mit der natürlichen Welt, die bis heute andauert.

Was ist Ihre Lieblingsbeschäftigung darum, ein Wissenschaftler oder Forscher?

Ich liebe es wie Mathematik ermöglicht uns zu sehen, die unsichtbar. Wenn wir klug genug sind, können mathematische Modelle verwendet werden, zur Informationsgewinnung auf Dinge, die nicht direkt messbar sind, das ist sehr spannend. Ich habe das Glück, mit einer Reihe von Menschen, von Ökologen, Ärztinnen und Ärzte, sehr unterschiedliche Fragen zu arbeiten. Mathematik hebt Ähnlichkeiten zwischen ihnen.

Was ist das wichtigste Merkmal eines Wissenschaftlers muss nachweisen, um eine effektive Wissenschaftler zu sein?

Kreativität. Die interessantesten Fragen erfordern völlig neuartige Ansätze. Die kreativsten Menschen sind in der Regel ein Feld in neue und spannende Richtungen fahren.

Was sind die gesellschaftlichen Vorteile Ihrer Forschung?

Forschung auf stabile Isotopenverhältnisse hat bereits eine Reihe von interessante Ergebnisse gesehen. In einem Fall, die stabile Isotopenverhältnisse des Haares führten zur Identifizierung eines Mordopfers durch die Bestimmung ihrer Reisen-Geschichte zu verstehen. Es stellt sich heraus, dass stabile Isotopenverhältnisse von Sauerstoff und Wasserstoff im Wasser mit Geographie auf kontinentaler Ebene variieren und so weil die stabile Isotopenverhältnisse im Trinkwasser ins Haar eingearbeitet bekommen, eine Aufzeichnung der Geschichte erschließt sich durch die Betrachtung der Isotopenzusammensetzung der Kopfhaare.

Ein weiteres Beispiel für die Nützlichkeit der stabile Isotopenverhältnisse finden in den Tropen, wo Gehölze und Gräser, die verschiedene Arten von Photosynthese verwenden, sehr unterschiedliche Kohlenstoffisotopenverhältnisse haben. Wir haben stabile Isotope verwendet, um afrikanischen Elefanten Ernährung im Laufe der Zeit zu quantifizieren, im Zusammenhang mit Niederschlag-Geschichte, die nützliche Informationen für die Erhaltung der Elefanten ist. In der Regel nach Regenfällen, Gräser werden häufiger und einen größeren Teil des Elefanten Ernährung dar. Mit Kohlenstoff-Isotope in Haar, sieht man genau wie viel Rasen sind diese Tiere essen und wie sich ihre Ernährung mit Änderungen im Niederschlag verändert.

Ebenso haben wir Kohlenstoff-Isotope in fossilen Böden eingesetzt, um den Bruchteil der holzigen Abdeckung Websites, die tragen Hominini Fossilien, ein Problem zu bestimmen, die Auswirkungen auf die Geschichte unserer Spezies hat. Weil Gehölze und Gräser sehr unterschiedliche Kohlenstoffisotopenverhältnisse haben, gibt es eine starke Beziehung zwischen Kohlenstoffisotopenverhältnisse des Bodens und Bruchteil der holzigen Abdeckung.

In anderen Forschungseinrichtungen haben meine Arbeit auf Paracetamol Überdosis hoffentlich einen direkten Einfluss in wie Ärzte Paracetamol Überdosis Patienten anzeigen. Unsere Bemühungen Modellierung bieten Einblick in die Natur der Dynamik einer Überdosierung und hoffentlich werden besser beraten Ärzte bestimmen, ob ein Patient eine Lebertransplantation zum Überleben benötigen.

Wer hat den größten Einfluss auf Ihr Denken als Forscherin hatte?

Ich bin meiner Graduiertenschule Mentoren Fred Adler und Thure Cerling, wer mich die Kunst der kreativen Problemlösung lehrte stark verpflichtet.

Was ist mit Ihrem Bereich oder als Wissenschaftler tun Sie denken würde zunächst überraschen?

Ich denke, dass es nicht oft geschätzt wird, dass die mathematischer Modellierung ist eine Kunst. Ein gutes Modell ist prädiktive und nützlich, sondern bietet auch Einblicke in die zugrunde liegenden Prozesse.

Wenn du nur eine Sache Rettung aus Ihrem brennenden Büro könntest, was wäre das?

Mein treuer Macbook und eine volle Tasse Kaffee.

Welche Musik spielen Sie in den meisten Fällen in Ihrem Büro oder im Auto?

Alles von Modest Mouse, Johnny Cash, Klassik, abhängig von der Stimmung des Tages.

Anmerkung der Redaktion: Die Forscher in den ScienceLives Artikeln dargestellt wurden unterstützt durch die National Science Foundation , die Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik beauftragt. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Finden Sie das Archiv ScienceLives.