Matematika života – odkrývání tajemství bytí

„Matematika jsou dveře a klíč k vědě. Věci na tomto světě nelze poznat bez znalosti matematiky“, řekl už ve 13. století slavný anglický filosof a vědec Roger Bacon. A měl pravdu – bez významného přispění moderní matematiky není v 21. století možný ani rozvoj biologických věd. Potřeby prudce se rozvíjejících věd o živých organismech tak daly vznik nové mezioborové disciplíně nazývané matematická biologie.

Mezi známé vynikající žijící popularizátory matematiky a biologických věd, jakými jsou J. D. Barrow, M. Livio, S. Singh, P. de Kruif, J. Diamond či u nás P. Vopěnka, F. Koukolík, C. Höschl a řada dalších, patří také emeritní profesor univerzity ve Warwicku, autor více než 140 odborných článků a řady knih, člen britské Královské společnosti, Ian Stewart. Překlady jeho publikací, z nichž některé se staly světovými bestsellery, se vydávají i u nás, a to především zásluhou nakladatelství Dokořán. Výčet z anglického originálu do češtiny přeložených knih tentokráte rozšířilo Nakladatelství Academia, když ve své populární edici GALILEO (sv. 58) vydalo jeho další dílo z roku 2011 „Matematika života: odkrývání tajemství bytí“ (Praha 2014, 1. vydání, 387 s., překlad originálu "Mathematics of life" Jiří a Marie Rákosníkovi, ISBN 978-80-200-2360-5).

Šestá revoluce v biologii

Od počátku 17. století se matematika stala hlavní hnací silou bouřlivého rozvoje fyzikálních věd a do dneška je od fyziky (stejně jako od astronomie, chemie, technických a příbuzných oborů) naprosto neoddělitelná. Ještě docela nedávno však v rozvoji věd biologických hrála daleko menší roli. Matematika pro ně byla v nejlepším případě „sluhou“. Používala se k rutinním výpočtům a hlavně pro statistiku. Biologové by se většinou bez ní klidně obešli. Původně se zabývali rostlinami, hmyzem a zvířaty, poté se obrátila jejich pozornost na buňky. Dnes se převážně věnují složitým molekulám, např. DNA, a mikroskopické struktuře živých tvorů. Ke změně způsobu myšlení, jakým současní vědci uvažují o živé přírodě, vedlo podle profesora Stewarta šest revolucí v biologii: vynález mikroskopu, systematická klasifikace živých tvorů na Zemi, teorie evoluce, objev genu a objev struktury DNA... A šestá – matematika – právě nastává.

Teorie chaosu, biomechanika i sítě

Současné objevy v biologii totiž odhalily velké množství důležitých otázek, na které nejspíše nebude možné odpovědět bez významného přispění matematiky. Škála matematických oborů, jejichž užití se předpokládá, je hodně široká: pravděpodobnost, dynamika, teorie chaosu, symetrie, sítě, mechanika, pružnost a dokonce teorie uzlů. Potřeby biologie podnítily vznik zcela specifické oblasti hraničního výzkumu matematiky zaměřené na procesy živé přírody.

O čem je „Matematika života: odkrývání tajemství bytí“

Většina probíraných témat z celkového počtu devatenácti se v první třetině knihy týká biologie: Matematika a biologie, Malí a ještě menší tvorové, Dlouhý seznam života, Fibonacci v říši rostlin, Vznik druhů, V klášterní zahradě (Mendelova teorie), Molekula života, Kniha života, Věčně zelený je strom života. Velmi brzy se však na scéně objeví matematika a jde po stopách otázek z geometrie rostlin od doby královny Viktorie (vlastně od starověkého řeckého matematika Eukleida) do dnešního dne, aby ilustrovala, jak biologie podněcuje nové myšlenky v matematice (Virus ze čtvrté dimenze, Skrytá kabeláž, Uzly a sklady, Skvrny a pruhy). Jakmile připravíme biologické pozadí, matematika vstupuje do centra dění; od atomových rozměrů budeme postupovat zpět k úrovni, ve které se cítíme nejlépe, protože odpovídá našemu životu. Ke světu stromů, trávy, zvířat, hmyzu... a lidí (Ještěrčí hry, Příležitosti v sítích, Paradox planktonu, Co je život? Je tam někdo? Šestá revoluce).

Matematika je už dávno královnou věd

Pokud se na závěr ohlédneme za autorovým vyprávěním o tom, jak biologie začala objímat matematiku, jedno brzy vynikne: začalo to dávno před tím, než si toho kdokoli všiml. Namísto izolovaných vědců posedlých svým vlastním úzkým zaměřením, dnešní vědecké obory stále častěji potřebují týmy lidí s rozdílnými zájmy, které se vzájemně doplňují. A jestli něco z příběhu o matematické biologii vyplývá, pak je to poznání, že navzájem propojené komunity mohou dosáhnout věcí, které by byly pro jednotlivce zcela nemožné. Biologie bude jedním z ohromných prostorů působnosti pro matematiku dvacátého prvního století.

Mějme kulovou krávu

Celý text je nejen poučný, ale také zábavný. Pro vysvětlení, že matematika hraje dosud mnohem menší roli v rozvoji biologických věd v porovnání s bádáním fyzikálním, uvádí autor příběh o sedlákovi, který zaměstnal matematiky, aby mu pomohli zvýšit dojivost. Když mu předali vypracovanou studii, otevřel ji, ale přečetl si pouze úvodní větu: „Mějme kulovou krávu.“ Učenci přišli o práci. Tato historka je nejen zábavná, ale ukazuje také na nepochopení matematických modelů, které nemusí být přesným obrazem reality, aby se daly použít. Ve skutečnosti se dají použít lépe, jsou-li méně realistické, ale stále ještě umožňují proniknout do podstaty věci. Model, který je tak složitý jako proces nebo věc, kterou představuje, bude nejspíše složitý na to, aby mohl být užitečný. S jednodušším modelem se lépe pracuje. Kulová kráva je určitě nepoužitelná, pokud nám jde o narození telete, může však představovat užitečné přiblížení, když počítáme třeba souvislost dojivosti a tělesné hmotnosti.