수리생물학 분야에서는 KAIST 수리과학과 김재경교수님이 전문가이신것 같아서 글을 찾아보았습니다.
이 글은 See Future: Vol. 13 WINTER 2016_ KAIST Research Center for the Strategy에 실린 글입니다.
수리생물학에 관심있는 학생들은 읽어보면 '수리생물학자'가 무엇을 연구하는지에 대해 잘 알 수 있습니다.
See Future: Vol. 13 WINTER 2016_ KAIST Research Center for the StrategySee Future: Vol. 13 WINTER 2016_ KAIST Research Center for the StrategySee Future: Vol. 13 WINTER 2016_ KAIST Research Center for the StrategySee Future: Vol. 13 WINTER 2016_ KAIST Research Center for the Strategy
미분은 수학에서 중요한 개념으로 알려져 있습니다. 생물학에서 미분은 다양한 용도로 활용됩니다. 예를 들어 어떤 생물의 성장 속도를 구하거나, 효소와 물질의 반응 속도 변화, 생물 집단의 생태계에서의 변화 등을 관찰할 때 미분이 사용됩니다. 전공이 깊어질수록 어려운 미분법을 사용하게 되지만, 고등학교 수준의 미분만으로도 충분히 이해할 수 있다고 생각합니다. 미분학은 생물학 연구에서 더욱 심화된 이해를 요구하는 분야에서도 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 식물의 광합성 속도나 동물의 대사율 변화 같은 생물학적 과정을 정량적으로 분석할 때 미분을 활용합니다. 이러한 과정을 통해 생물학자들은 생물체의 내부 작용을 더욱 세밀하게 이해할 수 있으며, 특정 환경 변화가 생물체에 미치는 영향을 예측할 수 있게 됩니다. 이는 생태학적 연구나 종의 보존 전략 수립에 근거 자료를 제공하는 데에도 중요한 역할을 합니다.
2. 대수학
고등학교에서는 행렬과 벡터를 배우는 대수학을 공부합니다. 대수학 개념 자체보다는 통계 기법에 간단한 행렬과 벡터 계산을 활용하는데 사용됩니다. 생물학에서는 관찰한 데이터를 숫자로 얻게 됩니다. 예를 들어, 다섯 지역에서 외래 물고기인 배스를 조사한 경우, 봄과 가을에 조사를 하고 그 결과를 표로 나타낼 수 있습니다. 이러한 표를 행렬로 표현하고 행렬 계산 방법을 잘 숙달하면 데이터 분석이 수월해집니다. 전공을 심화학습하면 더 복잡한 대수학적인 개념을 적용하기도 합니다. 대수학은 생물학 데이터의 복잡한 분석에 필수적입니다. 특히 유전학에서는 대량의 유전 정보를 처리하고 분석할 때 행렬과 벡터의 활용이 매우 중요합니다. 이를 통해 유전자 간의 상호작용이나 유전자 변이의 패턴을 파악할 수 있으며, 질병의 원인이 되는 유전자를 찾아내는 데에도 기여합니다. 또한, 생태계 내에서 종간의 상호작용을 이해하거나, 생태계 변화에 따른 종의 반응을 예측하는 데에도 대수학적 방법이 적용됩니다.
3. 수열
수열은 유전학이나 행동학과 같은 분야에서 활용됩니다. 수열은 반복되는 숫자의 규칙을 찾고 다음에 나올 숫자를 예측하는 방법입니다. 생물학에서는 생물의 특징이나 수치화할 수 있는 모든 데이터에 수열을 활용할 수 있습니다. 이런 데이터 중에서는 반복성이 나타나는 경우가 많습니다. 수열을 활용하여 이러한 규칙을 찾아내는 작업을 많이 합니다. 생물학에서 수열의 활용은 유전학적 연구에서 더욱 두드러집니다. 예를 들어, DNA의 염기 서열 분석을 통해 특정 유전자의 존재 유무나 변이를 찾아내는 과정에서 수열의 개념이 적용됩니다. 또한, 생물의 행동 패턴이나 집단 내에서의 사회적 상호작용을 분석할 때도 수열을 통해 패턴을 찾아내고 예측하는 데에 활용됩니다. 이러한 방식으로 수열은 생물학적 현상을 이해하고 예측하는 데에 강력한 도구로 사용됩니다.
4. 1차, 2차, 3차, n차방정식
방정식은 생물 현상을 예측할 때 많이 활용됩니다. 주로 통계학과 함께 사용되지만, 수리생물학에서는 생물 현상을 방정식으로 표현하기도 합니다. 예를 들어, 까치의 계절별 변화를 알고 싶을 때, 까치가 먹는 먹이나 온도 등의 환경 자료를 수집하고 이를 이용하여 까치의 변화를 방정식으로 나타낼 수 있습니다. 예를 들어, 포식자와 피식자 간의 관계를 수학적 모델로 표현하여 생태계 내에서의 개체수 변화를 예측할 수 있습니다. 이러한 모델링은 생태계 관리나 보존 전략 수립에 중요한 정보를 제공합니다. 또한, 질병의 확산 속도나 백신의 효과를 예측하는 데에도 방정식이 활용됩니다. 이처럼 방정식을 통한 모델링은 생물학적 현상을 이해하고 관리하는 데에 필수적인 도구입니다.
5. 확률과 통계
확률과 통계는 생물학과 밀접한 관련이 있습니다. 실험을 기반으로 한 연구는 항상 통계적 분석이 필요하기 때문입니다. 예를 들어, 강낭콩이 싹을 트는 환경을 실험한다고 가정해봅시다. 실험군과 대조군에서 강낭콩의 싹 길이를 측정하고, 평균을 계산하여 길이의 차이를 통계적으로 평가할 수 있습니다. 이렇게 실험 결과를 통계적으로 분석하여 결론을 도출하는 것이 중요합니다.
예를 들어, 유전학 연구에서 특정 유전자의 발현 빈도를 통계적으로 분석하고, 유전자의 표현과 질병 발생 간의 상관 관계를 확인할 수 있습니다. 또한, 생물종의 분포와 생태계 내에서의 상호작용을 조사할 때도 확률과 통계적인 방법을 활용합니다. 이를 통해 생물학자들은 표본 데이터를 바탕으로 모집단의 특성을 추론하고, 관측값들 사이의 상관 관계를 파악할 수 있습니다.
수학이 생물학에 매우 중요한 역할을 한다는 사실은 다양한 생물학의 분야에서 볼 수 있습니다.
각각의 분야마다 수학을 활용하는 방식이 조금씩 다르지만, 여러 분야에서 공통적으로 사용되는 수학적 개념들이 있습니다. 예를 들어, 담수생물학에서는 유체의 흐름을 이해하기 위해 유체역학이 필요하며, 이는 특정 수학적 지식을 필요로 합니다. 기후생물학에서는 기후 변화와 생물 사이의 관계를 연구하기 위해 대기과학 지식이 중요하며, 이 역시 특정 수학적 이해를 요구합니다. 생물학을 공부하는데 있어서 수학뿐만 아니라 물리학과 화학 지식도 중요합니다. 생물 현상은 대부분 물리학의 법칙을 따르며, 생물이 물질로 구성되어 있기 때문에 물리학을 이해하는 것은 생물학적 현상을 이해하는 데 큰 도움이 됩니다. 화학은 생물 실험에서 사용되는 물질이나 생명체 내부에서 일어나는 화학 반응, 그리고 생물과 환경 간의 화학적 상호작용을 이해하는 데 필수적입니다. 이러한 지식은 생물학 전공을 결정한 후에 더 깊게 공부하게 될 것입니다.
현재는 중고등학교에서 배우는 수학, 물리학, 화학에 집중하며 기초를 다지는 것이 좋습니다. 수학이 어렵다고 느끼시는 것은 아마도 수학의 필요성을 충분히 이해하지 못했기 때문일 수 있습니다. 생물학에서 수학이 어떻게 활용되는지 알게 되면, 수학에 대한 관심과 흥미가 생길 수 있습니다.
결국, 생물학을 잘하기 위해서는 수학적 지식이 중요하며, 수학을 잘하는 것이 생물학을 더 쉽게 만들어줍니다. 수학이 어렵다고 해서 생물학자가 될 수 없는 것은 아니지만, 성공적인 생물학자 대부분은 수학, 물리학, 화학을 잘 이해하고 있습니다.
