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“미국 통계학 박사 2명 중 1명,
수학 박사 6명 중 1명, 의생명과학 연구”
수학, 21세기 과학혁명의 최전선에서 생명을 만나다!

★ KAIST 뇌과학자 정재승 교수 추천 ★
★ 서울대 수학교육과 권오남 교수 추천 ★
★ 삼성서울병원 신경과 주은연 교수 추천 ★

병원으로 출근하는 수학자,
KAIST 김재경 교수가 전하는 수학의 진짜 ‘쓸모’

19세기에는 물리학에서, 20세기에는 화학에서 활약하던 수학이 21세기에 들어서는 생명과학에서 과학혁명을 선도하고 있다. 미국에서는 이미 통계학 박사 2명 중 1명, 수학 박사 6명 중 1명이 의생명과학 연구로 학위를 받고 있고, 이러한 흐름에 동참하기 위해 미국 국립과학재단에서도 최근 미국 동부, 중부, 서부, 남부 각각에 수리생물학 연구소를 설립했다. 그러나 의학과 생명과학에 수학을 접목하는 수리생물학의 가파른 성장이 무색하게도, 오늘날 수학이 생명 현상을 이해하는 데 실제로 어떻게 쓰이고 있는지를 소개하는 책은 사실상 없었으며, 수학이나 생물학을 좋아하는 학생이나 독자조차 대부분 수리생물학이 무엇인지 전혀 알지 못하는 실정이다. 수리생물학의 최전선에서 수리 모델을 이용해 생명 현상을 탐구하는 KAIST 수리과학과 교수이자 수학자인 저자는 이 책에서 생체 리듬, 신약 개발, 수면 패턴, 팬데믹 등에 관한 다양한 문제에 수학이 실제로 어떻게 활용되고 있는지를 친절하게 설명한다. 또한 수학교육을 전공한 교육자로서, 의학이나 생명과학, 수학에 관심 있는 학생들에게 이 시대가 요구하는 역량과 자질이 무엇인지, 수학의 진정한 쓸모와 아름다움이 무엇인지 자신의 경험을 통해 생생하게 보여준다.

들어가며

1장 미래를 예측하는 미적분학

의생명과학과 수학의 아름다운 만남
10분 만에 이해하는 미분과 적분
미적분의 진짜 쓸모

2장 컴퓨터를 위한 생명 현상 번역기, 수학

아무도 맞히지 못한 문제
수학으로 번역한 세포 증식
수학으로 번역한 세포 감염
인간의 직관 vs. 컴퓨터의 예측

3장 우리 몸속의 신비로운 세계, 생체 시계

노벨상 연구에 대한 의구심
우리 몸속의 시간, 일주기 리듬
노벨상 수상자들이 밝힌 생체 시계의 작동 원리
수학이 드러낸 생체 시계의 또 다른 얼굴
노벨상 수상자들이 풀지 못했던 60년의 난제
생체 시계는 세포 내 교통 체증을 어떻게 해결할까?

4장 병원으로 출근하는 수학자

생활고로 시작한 생애 첫 연구
시차에 적응하지 못하는 이유?
1조 원짜리 신약을 개발한 수학
항암제 효과가 투약 시간에 따라 달라진다면
피카소의 〈황소〉가 남긴 아이디어

5장 수학이 발견한 최적의 수면 패턴

아산에 없는 아산병원
많이 자면 덜 졸릴까?
같은 시간을 자도 덜 졸린 이유
시험 시간의 컨디션을 예측하고 조절하기
9개의 질문으로 진단하는 수면 질환

6장 팬데믹과 사회적 거리 두기의 수학

예상치 못한 뜨거운 관심
코로나19 종식 연구의 시작
수학이 보여준 코로나19의 역설적인 미래
사회적 거리 두기는 필요했던 것일까?

7장 100년의 오류를 바로잡은 K-수식

생명과학에서 가장 유명한 식
100년간 쓰인 식이 틀렸다고?
FDA 수식의 오류를 해결한 2차 방정식 ‘근의 공식’
융합 연구자의 두 가지 자질

나가며
부록
미적분학에 한 걸음 더 가까이
복잡한 것을 단순하게 만드는 방법
주
그림 출처

같은 시간을 자더라도 덜 졸린 이유?
시험 시간에 최상의 컨디션을 유지하는 법?
투약 시간에 따라 항암제 효과가 달라지는 원인?
코로나19 사망자를 최소화하는 사회적 거리 두기 전략?

수면부터 생체 리듬, 팬데믹, 신약 개발까지,
생명을 해독하는 수리생물학의 세계

기호로 이루어진 수식이 어떻게 의학과 생명과학의 문제 해결에 도움을 줄 수 있는 것일까? 이는 수학이 복잡한 생명 현상을 컴퓨터가 이해하기 쉽도록 묘사해 주는 ‘언어’이기 때문인데, 이 책에서는 그중에서도 ‘미래를 예측하는 도구’로서 가장 널리 쓰이는 미적분학을 중점적으로 소개한다. 먼저 1장에서는 고등학교에서 배우는 관점과는 다른 방식으로 미적분학의 진정한 ‘쓸모’에 집중하며 미적분학의 핵심을 되짚는다. 2장에서는 세포의 증식과 감염이라는 실제 생물학적 현상을 1장에서 배운 미적분학을 통해 미분방정식으로 번역하는 방법을 자세하게 소개하고, 컴퓨터가 어떻게 미분방정식을 바탕으로 인간의 직관을 넘어서는 예측을 내놓는지 이야기한다.

3장부터 7장까지는, 생명 현상을 미분방정식으로 번역하고 컴퓨터로 미래를 예측하는 이러한 방법이 어떻게 생체 리듬, 신약 개발, 수면 패턴, 팬데믹 등에 관한 현대 의생명과학의 문제들을 해결해 왔는지를 보여준다. 특히, 수학의 쓸모를 톡톡히 체감할 수 있도록 저자가 직접 연구한 문제들 중에서도 독자들이 충분히 이해할 수 있으면서도 우리의 일상이나 건강과 밀접한 문제들을 다룬다. 구체적으로 3장에서는 우리 몸의 일주기 리듬을 관장하는 생체 시계의 비밀을 풀어낸 연구들을 소개하고, 이러한 연구가 어떻게 수리생물학 분야에서 가장 오랫동안 풀리지 않아 ‘최대 난제’로 불리게 된 온도 보상 메커니즘을 설명했는지를 이야기한다. 4장에서는 글로벌 제약회사인 화이자(Pfizer)와 공동으로 신약을 개발한 사례, 서울대학교병원 고영일 교수와 함께 항암제의 투약 시간에 따라 여성 환자의 사망률이 12배 이상 차이가 난다는 것을 밝힌 연구를 바탕으로, 수리생물학이 어떻게 신약 개발과 암 치료에 기여하는지를 소개한다.

5장에서는 교대 근무자들의 주간 졸림증에 관한 연구에서 수학이 어떻게 같은 시간을 자더라도 덜 졸린 이유와 특정 시간대에 높은 각성도를 유지하는 방법을 밝혀냈는지를 설명하고, 이러한 발견이 어떻게 몇 개의 질문만으로 수면 질환을 진단하는 인공지능 알고리즘의 개발로 이어졌는지를 이야기한다. 6장에서는 감염과 면역에 관한 수리 모델을 바탕으로 사회적 거리 두기를 언제 강화하거나 해제하는 것이 중증 환자 및 사망자를 최소화하는 전략인지를 밝히며 새로운 팬데믹에 대비한다. 마지막으로 7장에서는 약물들의 효과를 예측하기 위해 100여 년간 권고되고 사용된 미카엘리스-멘텐식이 지닌 엄청난 오류를 중학교 수준의 수학으로 수리생물학이 바로잡은 사례를 소개하며 수리생물학의 범용성을 강조한다.