Współczesne trendy naukowe to duże i szerokie przedsięwzięcie, w ramach którego tysiące laboratoriów na całym świecie bada własną wysoce wyspecjalizowaną dziedzinę ze znacznie większej całości. Jest to logiczne skrzyżowanie dziedzictwa naukowego i wieków postępu technologicznego, aby lepiej zrozumieć otaczający nas świat.
Szczególną uwagę należy zwrócić na coraz bardziej specyficzne dyscypliny, od obliczeń neuronowych siatkówki po fizykę plazmy kosmicznej. Jakie obszary naukowe istnieją i które są najbardziej istotne?
Inżynieria biomedyczna i biofizyka
To może wydawać się dziwne, ale niektóre problemy w medycynie można rozwiązać tylko za pomocą technologii. Inżynieria biomedyczna to nowa dyscyplina obejmująca dziedziny tak różnorodne, jak inżynieria białek, systemy pomiarowe i obrazowanie optyczne w wysokiej rozdzielczości atomów i całych organizmów. To pragnienieintegracja wiedzy fizycznej z naukami przyrodniczymi - postęp w zdrowiu człowieka.
Aktualne obszary badawcze
Obejmuje obszary badań, takie jak:
- Biofotonika - opracowanie metod wizualizacji komórek i tkanek za pomocą fluorescencji. Do badania cząsteczek biologicznych stosuje się metody optyczne.
- Obrazowanie układu krążenia - opracowywanie metod wykrywania i ilościowej oceny chorób układu krążenia.
- Złożone systemy biologiczne - opracowywanie nowych narzędzi i modeli matematycznych do zrozumienia złożonych systemów biologicznych.
- Montaż makromolekularny. Badanie makrocząsteczek, w tym montaż kompleksów wieloskładnikowych i maszyn molekularnych.
- Diagnostyka immunochemiczna - tworzenie nowych technologii identyfikacji chorób, takich jak „badania laboratoryjne”.
- Nieinwazyjne obrazowanie optyczne - Rozwój metod diagnostycznych w czasie rzeczywistym do oceny i monitorowania tkanek i narządów.
Ostatnie osiągnięcia obejmują opracowanie kilku narzędzi do obrazowania optycznego o wysokiej rozdzielczości, zaprojektowanych do badania mikroskopijnych i makroskopowych światów komórek i organizmów.
Biologia komórkowa
Kolejną ważną i stale rozwijającą się dziedziną naukową jest biologia komórki. Wszystkie żywe istoty składają się z jednostek strukturalnych i funkcjonalnych. Tak więc komórkowaNiedobór odgrywa kluczową rolę w wielu chorobach, od raka spowodowanego nieprawidłowym wzrostem komórek po zaburzenia neurodegeneracyjne wynikające ze śmierci tkanki nerwowej. Istnieje sześć kluczowych obszarów obejmujących wiele systemów biologicznych:
- Apoptoza. W każdym zdrowym organizmie komórki umierają w dokładnie regulowanym procesie zaprogramowanej śmierci komórki, znanym jako apoptoza. Jest to wspólne dla wielu systemów biologicznych, które mają fundamentalne znaczenie dla neuronauki, immunologii, starzenia się i rozwoju oraz patologii, takich jak rak, choroby autoimmunologiczne i zwyrodnieniowe.
- Cykl komórkowy - Funkcjonujące mini struktury nadal rosną i dzielą się w starannie kontrolowany sposób przez całe nasze życie. Zdarzenia molekularne i komórkowe, które regulują ten cykl, mają kluczowe znaczenie dla wielu chorób, w których normalna regulacja wzrostu jest zaburzona.
- Glikobiologia. Glikany to biologicznie ważna klasa węglowodanów. Białka wiążące glikan (lektyny) wiążą się ze specyficznymi glikanami strukturalnymi i odgrywają kluczową rolę w rozpoznawaniu komórek, ruchliwości i powrocie do określonych tkanek, sygnalizacji, różnicowaniu, adhezji komórek, patogenezie drobnoustrojów i rozpoznawaniu immunologicznym.
- Mitochondria. Znane jako bloki budulcowe „domu energetycznego”, mitochondria dostarczają komórkom energii, które muszą wykorzystać do przetrwania, zapobiegając chorobom od cukrzycy po chorobę Parkinsona.
- Mobilność - mikroskopijna komórka nerwowa, która wywodzi się z mózgu i rozciąga swoje procesy do podstawy rdzenia kręgowego, musi przemieszczać cząsteczki na duże odległości w porównaniu do swojej wielkości. Naukowcy stosują różne metody i podejścia do badania, w jaki sposób poruszają się komórki oraz ich wewnętrzne cząsteczki i organelle.
- Transport białek. Białka powstają w jądrze, a następnie muszą być odpowiednio przechowywane, aby mogły spełniać swoje role komórkowe. Tak więc transport białka ma kluczowe znaczenie dla wszystkich systemów komórkowych, a jego dysfunkcja jest związana z chorobami, od mukowiscydozy po chorobę Alzheimera.
Komórkowa podstawa życia
Komórkowe podstawy życia mogą wydawać się oczywiste we współczesnej epoce biologii, ale do czasu wynalezienia pierwszych mikroskopów na początku XIX wieku mogło to być tylko kwestią spekulacji. Rozmiar typowej komórki ludzkiej jest około pięć razy mniejszy niż wszystko, co możemy zobaczyć gołym okiem. Dlatego postęp w naszym zrozumieniu wewnętrznego działania jednostek strukturalnych, w tym patofizjologii komórkowej, idzie w parze z postępem w technologiach tej dziedziny nauki, dostępnych do ich obrazowania i badania.
Biologia chromosomów
Przy obecnym ekscytacji w dziedzinie genomiki łatwo zapomnieć, że geny to tylko krótkie odcinki DNA i część znacznie większych struktur zwanych chromosomami. Te ostatnie składają się ze skomplikowanych chromatyny nici DNA owiniętych wokół białek zwanych histonami iobecnie wiadomo, że odgrywają równie ważną rolę w określaniu, jak organizmy rozwijają się, funkcjonują i pozostają zdrowe.
Epigenetyka, dosłownie „ponad genetyką”, to nauka badająca zmiany środowiskowe w genomie poza tymi, które mogą wystąpić na poziomie naszego DNA. Te fluktuacje aktywności genów obejmują modyfikacje otaczających je elementów, takich jak białka histonowe, lub modyfikacje elementów transkrypcyjnych, które kontrolują ekspresję genów. W przeciwieństwie do zmian DNA, fluktuacje epigenetyczne są zwykle specyficzne dla pokolenia.
Innymi słowy, zmiany epigenetyczne zwykle nie są przekazywane z rodzica na dziecko. Ta stosunkowo nowa linia badań zmieniła nasze rozumienie zarówno normalnego rozwoju, jak i choroby, a teraz wpływa na postęp w leczeniu następnej generacji. Badane są różne obszary, w tym:
- Otyłość. Od dawna podejrzewano, że zmiany epigenetyczne w naszym genomie odgrywają rolę w złożonych chorobach człowieka, takich jak odkładanie się tłuszczu. Nowym kierunkiem naukowym jest badanie, w jaki sposób czynniki środowiskowe mogą wpływać na rozwój choroby.
- Badania kliniczne i opracowywanie leków. Badana jest rola epigenetycznych terapii przeciwnowotworowych w różnych nowotworach, w nadziei, że mogą one celować i „przeprogramować” nieprawidłowe komórki, zamiast zabijać zarówno rakowe, jak i normalne elementy budulcowe, jak w standardowej chemioterapii.
- Opieka zdrowotna. Dieta i narażenie na chemikalia na wszystkich etapach rozwoju mogą powodować zmiany epigenetyczne, które mogą włączać lub wyłączać niektóre geny. Naukowcy badają, w jaki sposób te elementy negatywnie wpływają na ogólną populację.
- Nauka behawioralna. Zmiany epigenetyczne są związane z wieloma chorobami, w tym z uzależnieniem od narkotyków i alkoholu. Zrozumienie, w jaki sposób czynniki środowiskowe zmieniają genom, może rzucić światło na nowe możliwości leczenia zaburzeń psychicznych.
Biologia kwantowa
Fizycy wiedzieli o takich efektach kwantowych od ponad stu lat, kiedy cząstki przeczą naszym zmysłom, znikają z jednego miejsca i pojawiają się ponownie w innym lub znajdują się w dwóch miejscach jednocześnie. Ale tych efektów nie przypisuje się tajnym eksperymentom laboratoryjnym. Ponieważ naukowcy coraz częściej podejrzewają, że mechanika kwantowa może mieć zastosowanie również do procesów biologicznych.
Być może najlepszym przykładem jest fotosynteza, cudownie wydajny system, w którym rośliny (i niektóre bakterie) budują potrzebne im cząsteczki, wykorzystując energię ze światła słonecznego. Okazuje się, że proces ten może faktycznie polegać na zjawisku „superpozycji”, w którym małe pakiety energii eksplorują wszystkie możliwe ścieżki, a następnie osadzają się na najbardziej wydajnej. Możliwe jest również, że ptasia nawigacja, mutacje DNA (poprzez tunelowanie kwantowe), a nawet nasz zmysł węchu zależą od efektów kwantowych.
Chociaż jest to obszar wysoce spekulacyjny i kontrowersyjny, ci, którzypraktycy czekają na dzień, w którym informacje uzyskane z badań mogą doprowadzić do powstania nowych leków i systemów biomimetycznych (biometria to kolejna wschodząca dziedzina nauki, w której systemy i struktury biologiczne są wykorzystywane do tworzenia nowych materiałów i maszyn).
Nauki społeczne i behawioralne
Poza poziomem molekularnym i komórkowym zrozumienie, w jaki sposób czynniki behawioralne i społeczne wpływają na choroby i zdrowie, ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia, leczenia i zapobiegania chorobom. Badania w takich naukach to duża, wieloaspektowa dziedzina, obejmująca szeroki zakres dyscyplin i podejść.
Koncepcja programu analizy wewnątrzzawodowej łączy nauki biomedyczne, behawioralne i społeczne w celu wspólnej pracy nad rozwiązywaniem złożonych i pilnych problemów zdrowotnych. Nacisk kładziony jest na rozwój obszarów naukowych, które badają procesy behawioralne, dziedziny biopsychologiczne i stosowane za pomocą następujących metod:
- Badania nad wpływem choroby lub kondycji fizycznej na zachowanie i funkcjonowanie społeczne.
- Identyfikacja i zrozumienie czynników behawioralnych związanych z początkiem i przebiegiem choroby.
- Badanie wyników leczenia.
- Promocja zdrowia i badania dotyczące profilaktyki chorób.
- Analiza instytucjonalnego i organizacyjnego wpływu na zdrowie.
Egzometreorologia
Exometeorolodzy lubiąEgzooceanografowie i egzogeolodzy są zainteresowani badaniem naturalnych procesów zachodzących na planetach innych niż Ziemia. Teraz, gdy astronomowie mogą przyjrzeć się bliżej wewnętrznemu działaniu pobliskich obiektów, coraz częściej są w stanie śledzić wzorce atmosferyczne i pogodowe. Jowisz i Saturn, z ich niewiarygodnie dużymi systemami potencjału, są głównymi kandydatami do badań.
Na przykład na Marsie regularnie występują burze piaskowe. W tym naukowym i technicznym kierunku egzometeorolodzy badają nawet planety poza naszym Układem Słonecznym. Co ciekawe, mogą w końcu znaleźć oznaki życia pozaziemskiego na egzoplanecie, wykrywając sygnatury organiczne w atmosferach lub podwyższony poziom dwutlenku węgla - możliwe oznaki cywilizacji epoki przemysłowej.
Nutrigenomika
Nutrigenomika, znana również jako genomika żywności, to priorytetowa dziedzina nauki. Jest to badanie złożonej zależności między żywnością a reakcją DNA. Rzeczywiście, żywność ma ogromny wpływ na zdrowie człowieka – i zaczyna się dosłownie na poziomie molekularnym. Naukowcy pracujący w tej dziedzinie starają się zrozumieć rolę zmienności genetycznej, reakcji żywieniowej i sposobu, w jaki składniki odżywcze wpływają na nasze struktury.
Nutrigenomika działa w obie strony - nasze geny wpływają na nasze preferencje żywieniowe i odwrotnie. Kluczowym celem tego obszaru działalności naukowej jest tworzenie spersonalizowanego żywienia – porównanie czegoco jemy, z naszymi unikalnymi konstytucjami genetycznymi.
Ekonomia poznawcza
W ekonomii zwykle nie chodzi o głęboką wiedzę, ale może się to zmienić w miarę integracji tej dziedziny z tradycyjnymi dyscyplinami badawczymi. Nie mylić z ekonomią behawioralną (badanie naszego sposobu robienia rzeczy – tego, co robimy – w kontekście podejmowania decyzji ekonomicznych), ekonomia poznawcza dotyczy tego, jak myślimy. Lee Caldwell, który bloguje o tym obszarze, definiuje go następująco:
Ekonomia poznawcza (lub finanse)… patrzy na to, co tak naprawdę dzieje się w umyśle osoby, kiedy dokonuje tego wyboru. Jaka jest wewnętrzna struktura podejmowania decyzji, w jaki sposób informacja wchodzi do świadomości i jak jest przetwarzana, a następnie, ostatecznie, jak wszystkie te procesy są wyrażane w naszym zachowaniu?”
W inny sposób ekonomia poznawcza to fizyka, której ekonomia behawioralna to inżynieria. W tym celu naukowcy pracujący w tej dziedzinie rozpoczynają analizę na niższym poziomie i tworzą podstawowe mikrowzorce ludzkiego podejmowania decyzji w celu opracowania modelu zachowań gospodarczych na dużą skalę. Aby im w tym pomóc, ekonomiści kognitywni przyglądają się pokrewnym dziedzinom dyscypliny i ekonomii obliczeniowej, a także głównym kierunkom badań naukowych i technologicznych w zakresie racjonalności i teorii decyzji.
