理论上的人口生物学是一个你可能从未听说过的领域，但它所解决的问题是自然科学、社会科学、医学和公共卫生领域中常见的课题。将生物学和数学结合起来，它被用来解决代代相传的基因和社区文化的传承，捕食者和猎物之间的关系，人口之间的疾病流动，以及——最近——我们对全球大流行的反应。
理论人口生物学是一个涉及人口统计学、生态学、进化论、流行病学和遗传学的研究领域。这个领域的学者的数学模型可以有广泛的应用——有时在他们第一次开发的几十年后。(图片来源:Getty Images)
“当我读到这个消息关于流行病学模型描述新型冠状病毒的传播和对其潜在的轨迹预测,我在后台看到多年的抽象数学模型,使人们有可能产生最直接的,技术含量很高的工作,现在正在发生,”诺亚罗森博格说,群体遗传学的斯坦福大学教授和社会和生物学教授在斯坦福大学人文科学学院,他专门研究数学、进化生物学和遗传学。
例如，目前关于COVID-19大流行应对的模型可追溯到20世纪20年代开展的理论工作。理论家们并不总是考虑特定的疾病，而是建立了抽象的流行病学模型，从中提炼出易感人群、受感染人群和康复人群之间的基本关系。近一百年后，同样的框架正在为冠状病毒定制，这意味着增加亚群——比如无症状或住院的人——和疾病特定的细节，关于这些人群和亚群在传播和恢复率方面的确切关系。
“你会在新闻中听到人们说，‘好吧，我们必须让R0(读作r – 0)降下来，’但他们可能不知道这个数字背后的数学原理，”伯内特大学(Burnet C.)和人文科学学院(School of Humanities and Sciences)教授米尔德里德·芬利·沃尔福德(Mildred Finley Wohlford)教授马库斯·费尔德曼(Marcus Feldman)说。“但是现在R0，这个来自数学流行病学的概念，是一个大问题。令人惊讶的是，这些概念是如何在这样的时刻流行起来的。”
与此同时，这些学者看到了冠状病毒大流行应对凸显了他们研究领域的力量，他们也认识到了《理论人口生物学》杂志的50周年纪念，罗森伯格目前担任该杂志主编。1970年，斯坦福大学数学家萨缪尔·卡林和费尔德曼共同创办了《华尔街日报》。费尔德曼是卡林的学生，担任《华尔街日报》总编辑长达41年之久。在此期间，理论种群生物学的声望和影响力随着遗传学、计算和数据科学的进步而不断提高。
生物学和数学
罗森伯格将理论人口生物学研究描述为“在数学模型中复制世界的特征”。理论家深入多维的自然系统，梳理出关键的参与者和关系，并预测系统变化的后果。由此产生的数学模型在很大程度上反映了生物学的内部运作，有时还为未来的实验、调查和行动创造了体系结构。
随着大数据和功能强大的计算机的兴起，统计学和计算机科学等其他定量科学与数学一起对人口生物学做出了贡献。然而，不同于这些通常从数据和算法开始的其他领域，理论种群生物学关注于数学假设和它们的结果，计算出生物现象如何相互关联的逻辑结构。在大数据时代，它的观点有时似乎违反直觉，但它是理解生物系统如何工作的关键。
“在大多数生物系统中，我们有大量的信息，处理和组织所有的数据可能依赖于非常深入的数学结果。这就是这个领域存在的原因，”斯坦福大学人口研究系主任、弗吉尼亚·莫里森教授、生物学教授什里帕德·图尔贾普尔卡(Shripad Tuljapurkar)说。
例如，有一种关于合作的理论，可以描述人与癌细胞之间发生的过程。建立在人类种群(或其他提取DNA或RNA样本的生物)之间关系推断基础上的数学模型，允许研究人员对这些关系是如何形成的做出假设。费尔德曼建议研究生卡莉达·丹顿研究从众心理，从众心理是指个体如何接受文化特征的一种偏见，这是一种影响人类的现象，但也存在于果蝇、鱼类和鸟类中。
丹顿说:“一直以来，人们问我我的工作在‘现实世界的应用’方面有什么令人兴奋的地方，我自己也不知道。”“研究这么广泛的东西真的很有趣，这个理论可以应用到生物学的许多不同领域，但你不一定知道它将如何应用。”
这一领域的工作往往有着悠久的历史。例如，在20世纪80年代，图尔贾普尔卡开发了预测遥远未来人口规模的公式，条件是年增长率的差异。在过去的二十年中，这些公式已成为有用的人口生存能力分析在保护生物学，和人口预测退休和社会保障计划。20世纪70年代，斯坦福大学的Luigi Luca cavallii – sforza和Feldman为文化进化的子领域奠定了基础——早在他们的理论为互联网上信息传播的迫切研究提供信息之前，就启发了“模因”(文化版本的基因)的最初定义。
思维方式
由于不知道他们的理论最终会引向何方，理论种群生物学家依赖于他们感知生物学中广泛模式的能力，并将它们转换成可访问的模型，这有望带来更深刻的见解。
图尔贾普尔卡说:“决定学习什么就像走进一个有很多问题迎风而过的小溪，你发现了一个你认为你可以以某种方式做出贡献的地方。”“有时候一个问题会让你着迷，有时候你会发现一个现象很明显是一个统计问题，你只需要弄清楚它就行了。”
发展这种理论思维的学者有大量的学科可以选择，在理论和应用科学，健康或环境政策，和经济学。
“作为一名学生，你所做的工作为你提供了思想的萌芽和正确的技术，使你能够在问题出现时解决问题。”追求一个具体的问题，然后就变成了一个问题，什么问题让你激动，你想花时间做什么。”费尔德曼说。“这是非常私人的。”
尽管这个领域有着悠久的历史，广泛的影响和不断增长的人气，它仍然相对不为人知。“It’s几乎就像这个领域是出了名的晦涩难懂，即使是在生物学领域，”罗森伯格说。“我们杂志的一位评论家用贝多芬的一个广为流传的轶事很好地解释了这一点:当一位小提琴家批评贝多芬的一些弦乐四重奏时，他的反驳是，‘哦，它们不是给你的，而是给以后的人的!这一领域的一些科学也有这样的味道。但随着大流行，我们现在可以看到，我们生活在晚年。”
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