Les corps humains sains sont bons pour réguler :nos températures restent autour de 98,6 degrés Fahrenheit, peu importe à quel point la température autour de nous est chaude ou froide. Le taux de sucre dans notre sang reste assez constant, même quand on descend un verre de jus. Nous gardons la bonne quantité de calcium dans nos os et hors du reste de notre corps.

Nous ne pourrions pas survivre sans ce règlement, appelé homéostasie. Et quand les systèmes tombent en panne, les résultats peuvent causer des maladies ou, parfois, décès.

Dans des présentations à la réunion annuelle de l'American Association for the Advancement of Science, les chercheurs ont fait valoir que les mathématiques peuvent aider à expliquer et à prédire ces pannes, offrant potentiellement de nouvelles façons de traiter les systèmes pour les prévenir ou les réparer lorsque les choses tournent mal. La réunion a eu lieu pratiquement plus tôt cette année en raison de la pandémie de COVID-19.

L'homéostasie "est un phénomène biologique et les systèmes biologiques ne fonctionneraient pas sans elle, " a déclaré Marty Golubitsky, l'un des présentateurs et un éminent professeur de sciences naturelles et mathématiques à l'Ohio State University. "Et si vous aviez détaillé, modèles mathématiques précis, vous pourriez explorer numériquement ces systèmes, trouver des endroits où ce contrôle se produit réellement, et ensuite vous pourriez estimer comment les choses tournent mal et comment vous pourriez être en mesure de les corriger. »

Les scientifiques ont une bonne idée des raisons biologiques pour lesquelles cette régulation se produit :certains systèmes de notre corps doivent rester constants pour fonctionner et maintenir notre corps en vie. Les maths derrière ça, bien que, est moins certain.

Mais comprendre l'homéostasie, y compris la prédiction de ses changements et le calcul des moyens de maintenir le corps régulé malgré les pannes des systèmes corporels qui gèrent ces régulations, pourrait être un moyen de fournir des soins médicaux ciblés aux personnes qui en ont besoin, a dit Janet Best, co-auteur de certaines des recherches derrière les présentations et professeur de mathématiques à l'Ohio State.

"Cela fait partie de la médecine de précision, " a dit Best, qui est également co-directeur du Mathematical Biosciences Institute de l'Ohio State. « Les gens sont différents, et vous avez besoin d'un modèle qui peut fonctionner sur différentes personnes. Et nous pensons que c'est ce que nous avons développé ici."

Des chercheurs du MBI et d'autres institutions qui étudient l'intersection des mathématiques et de la biologie ont construit des modèles pour expliquer comment le corps maintient l'homéostasie dans une variété de systèmes. Au cœur de ces modèles se trouve un graphique, un concept mathématique qui cherche à expliquer comment les objets se rapportent les uns aux autres. (Si vous avez suivi des cours d'algèbre ou de géométrie au lycée, vous avez probablement appris certaines des bases de la théorie des graphes.)

Golubitsky et Best ont déclaré que la théorie des graphes peut aider à expliquer et à prédire les changements de l'homéostasie dans le corps. Cette explication, ils disent, pourrait être utile pour les biologistes et autres personnes cherchant des moyens d'intervenir lorsque l'homéostasie se détériore. Cette panne cause un certain nombre de problèmes :trop de glucose dans le sang d'une personne, par exemple, ou pas assez de calcium dans leurs os.

Les présentations de l'AAAS se sont concentrées à la fois sur un graphique qui modélise la façon dont le corps régule les niveaux de dopamine par le biais de l'homéostasie et sur la façon dont la théorie des graphes aide à identifier les propriétés des graphiques qui peuvent aider à prédire l'homéostasie. Golubitsky et Best ont décrit comment la dopamine et les enzymes qui la décomposent peuvent être représentées sous la forme d'une formule mathématique associée à un graphique.

Ils ont montré que, en calculant les changements dans les nœuds, il pourrait être possible de calculer ou de prédire les changements dans les niveaux de dopamine. Cette approche pourrait être étendue à d'autres systèmes, Golubitsky a dit, bien qu'une étude future soit nécessaire pour en être sûr. Cette étude est déjà en cours, il a dit.

« L'homéostasie est un domaine suffisamment important de la biologie pour que, si les mathématiques peuvent apporter quelque chose, c'est une réussite, " il a dit.