试论数学模型在生物学研究中的作用

苏晓梅

摘 要：模型的概念在科学研究中越来越受到重视，在生物学的研究当中，“数学模型”也产生了巨大的作用。模型的其中一种是数学模型，在日常生物学研究中，充分利用数学模型资源，增强对数学模型的理解，培养用数学模型的思维来解决实在的生物学问题的能力。在生物学研究中，有时需要对一些现象做量化总结，为了更直接的说明一些因素和效应间的关系，往往要借助“数学模型”。

关键词：数学模型；生物；作用

中图分类号：G718.5 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）15-368-01

我们通常采用量化的方式来处理一些生命现象，从而表明多种变量之间的关系和依存关系，它的意义在于可以很好的揭示生物现象的本质。因此要在生物学的研究中建立一些数学模型。

一、生物学中的数学模型概述

生物学和数学是两门比较古老的学科，一个是研究数量关系与空间关系的，一个是研究生命的学科，看似并无交集，这种情况直到十九世纪被改变了，到今天为止，在生物研究中运用数学方法已经是非常常见的研究手法了。数学是一门学科更是一种工具，可以应用到各种方面的研究当中，在生物学的研究当中大体上有两方面的功能。一是利用数学中的统计学和概率学等内容来设计实验，处理实验的结果。二是提供数学模型，对研究对象有更本质的描述。本文从第二方面着手详细讨论数学模型在生物研究中的作用。在生物学研究当中应用数学模型，就是用一种算法来描述生物学的系统或者过程。一种数学模型的好坏，是否合适实验，是要经过相应的实验来检验的。

二、生物学中数学模型的作用

数学模型不仅仅在实际操作中有用，而且可以上升到理论指导的高度，前提是经过实践的考验和改善。一个可以应用到实际当中的数学模型往往是对实验的归纳总结，因此，数学模型在科研领域的作用是不可小觑的。数学模型就是像显微镜一样的工具，帮助我们研究生命体，发现事物的发展规律，再通过推理的数学模型，进而更好的研究生命现象。

1、有助于生物科学的实践研究

生物学中的数学模型主要是用来说明现象，解决问题和推动生物研究事业向前发展的工具。从自然现象中抽离出数学问题，再把问题简单化，抽象成为数学问题，即模式化。采取数学建模的方式可以解决实际问题，如果当时的研究资料不充足，数学建模可以适当弥补，为实验提供新思想。比如，遗传学家孟德尔就是在数学模型的基础上研究出了染色体的学说，他的数学模型是从遗传现象中抽离出来的。

2、有助于生物科学的数学化

当代生命科学的大趋势即数学化，确定数据、建立模型对我们研究实验对象功能和状态有很大帮助。在科学日渐成熟发达的今天，数学已然成为一种必不可少的工具。在生物学的研究工作中，如数量遗传学与数量生态学等学科的诞生。生物数学模型是数学模型应用到生物科学中的一种极为重要的表现形式。对客观的现象进行数学化的模型描述是探索生命研究的一项重要形式，生物学研究只有找到了能够反映它的数学化模型才可以进行系统的、严密的探究阶段，为制定正确的使用措施和步骤做依据。这方面有很多成功的例子，如，光合作用反应的方程式、乙醚发酵和乳酸发酵的方程式等。

3、预测、监控功能

生物数学模型具有预测功能和控制功能两种功能。对于各种生命现象研究和实验过程都有预测和控制的作用，生物数学模型可以发现系统中的动态规律以一种最为精准的形式，从而预测在不同的实验条件下系统会如何发展。数学模型可以十分精准的描述事物的关系，继而根据已知状态推算出将来的状态。如此，对事物的发展的描述和预测就成为了可能。

比如：用数学模型来研究PH值对酶作用的影响，我们建立一个曲线的模型，通过控制PH值来控制胃蛋白酶和胰蛋白酶处于什么状态。在该曲线中可以明确直观的看出，在PH值不同的条件下，即使是同一种酶，相应的反应速度也是不同的。

三、生物学中数学模型的意义

模型就是简化了的原型，所以，模型与原型相似却又不同于原型，是抽象了的原型，从某种程度来说，模型这样抽象的事物更有意义。为了对事物有更为深入和本质的精确描写，我们对概念式的类比不能仅仅停在表面上，于是数学模型应运而生。通常生物学的理论知识是用“语言”来描述的，生物学中的现象复杂且理论的发展较晚，但是数学模型的应用对于以上生物学研究的不足提供了一种有效的工具。事物都是不断发展变化的，数学模型也不例外，要不断的发展改善，以适应最新的实验情况。经过验证数学模型在实验过程中有不可估量的作用，如果研究一个地区的生态环境，建立一个适合、严谨的数学模型，那么对于这一地区的捕捞量、捕捞时间等一系列生态问题都有一个比较明确的答案。那么接下来制定符合实际的生态方案就唾手可得。生命现象是复杂且多变的，没有一种模型可以一劳永逸，不断更新知识对人脑也是有意义的。一种数学模型可以经过变形运用到新的领域，解决新的问题，创造出新的概念及工具。对于不断完善学科发展有十分深远的意义。

把数学模型运用到现实的生物学研究中，我国还处在发展阶段，目前来看，相关研究资料还是比较少，但数学模型在工作中的作用是有目共睹的，在生物学研究中贡献也没有什么疑问。因此，我们要大力发展数学模型，不断深入研究，要能准确的运用数学模型来解释、制定、控制实验，对生物学问题有更深入、更高效率的探究。为更好的发展我国生物学研究开辟道路，把生物科技作为一个蓬勃发展的事业做大做强。

参考文献：

[1] 吴婷婷.基于DLA模型模拟植物生长系统的设计与实现[J].长江大学学报（自然科学版）理工卷，2009（02）.

[2] 许 奕.社会科学中的数学应用研究[D].山西大学，2010.

[3] 徐志勇，周 瑞，赵美艳.教学文化的结构要素及其对学业成绩的影响效应研究[J].教师教育研究，2013（01）.