Οι σύγχρονες επιστημονικές τάσεις είναι μια μεγάλη και ευρεία προσπάθεια, στην οποία χιλιάδες εργαστήρια σε όλο τον κόσμο μελετούν το δικό τους εξαιρετικά εξειδικευμένο πεδίο από ένα πολύ μεγαλύτερο σύνολο. Είναι μια λογική διασταύρωση επιστημονικής κληρονομιάς και τεχνολογικών προόδων αιώνων για την προώθηση της κατανόησης του κόσμου γύρω μας.
Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί σε όλο και πιο συγκεκριμένους κλάδους, από τον νευρωνικό υπολογισμό του αμφιβληστροειδούς έως τη φυσική του διαστημικού πλάσματος. Ποιοι επιστημονικοί τομείς υπάρχουν και ποιοι είναι οι πιο σχετικοί;
Βιοϊατρική Μηχανική και Βιοφυσική
Μπορεί να φαίνεται περίεργο, αλλά ορισμένα προβλήματα στην ιατρική μπορούν να λυθούν μόνο με τη βοήθεια της τεχνολογίας. Η βιοϊατρική μηχανική είναι ένας αναδυόμενος κλάδος που καλύπτει τομείς τόσο διαφορετικούς όπως η μηχανική πρωτεϊνών, τα συστήματα μέτρησης και η οπτική απεικόνιση υψηλής ανάλυσης ατόμων και ολόκληρων οργανισμών. Αυτή η επιθυμία γιαενοποίηση της φυσικής γνώσης με τις βιοεπιστήμες - πρόοδος στην ανθρώπινη υγεία.
Τρέχοντες τομείς έρευνας
Περιλαμβάνει τομείς έρευνας όπως:
- Biophotonics - ανάπτυξη μεθόδων οπτικοποίησης κυττάρων και ιστών με φθορισμό. Χρησιμοποιούνται οπτικές μέθοδοι για τη μελέτη βιολογικών μορίων.
- Καρδιαγγειακή απεικόνιση - ανάπτυξη μεθόδων για την ανίχνευση και τον ποσοτικό προσδιορισμό καρδιαγγειακών παθήσεων.
- Σύνθετα βιολογικά συστήματα - ανάπτυξη νέων εργαλείων και μαθηματικών μοντέλων για την κατανόηση πολύπλοκων βιολογικών συστημάτων.
- Μακρομοριακό συγκρότημα. Η μελέτη μακρομορίων, συμπεριλαμβανομένης της συναρμολόγησης συμπλεγμάτων πολλαπλών συστατικών και μοριακών μηχανών.
- Ανοσοχημική διάγνωση - η δημιουργία νέων τεχνολογιών για τον εντοπισμό ασθενειών, όπως "εργαστηριακές μελέτες".
- Μη Επεμβατική Οπτική Απεικόνιση - Ανάπτυξη διαγνωστικών μεθόδων σε πραγματικό χρόνο για την αξιολόγηση και την παρακολούθηση ιστών και οργάνων.
Οι πρόσφατες εξελίξεις περιλαμβάνουν την ανάπτυξη αρκετών εργαλείων οπτικής απεικόνισης υψηλής ανάλυσης που έχουν σχεδιαστεί για να εξερευνούν τον μικροσκοπικό και μακροσκοπικό κόσμο των κυττάρων και των οργανισμών.
Κυτταρική Βιολογία
Ένας άλλος σημαντικός και συνεχώς αναπτυσσόμενος επιστημονικός τομέας είναι η κυτταρική βιολογία. Όλα τα έμβια όντα αποτελούνται από δομικές και λειτουργικές μονάδες. Έτσι, κυψελοειδέςΗ ανεπάρκεια παίζει κρίσιμο ρόλο σε πολλές ασθένειες, από τον καρκίνο που προκαλείται από ανώμαλη κυτταρική ανάπτυξη έως νευροεκφυλιστικές διαταραχές που προκύπτουν από το θάνατο του νευρικού ιστού. Υπάρχουν έξι βασικοί τομείς που καλύπτουν πολλαπλά βιολογικά συστήματα:
- Απόπτωση. Σε κάθε υγιή οργανισμό, τα κύτταρα πεθαίνουν μέσω μιας προσεκτικά ρυθμισμένης διαδικασίας προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου που είναι γνωστή ως απόπτωση. Είναι κοινό σε πολλά βιολογικά συστήματα που είναι θεμελιώδη για τη νευροεπιστήμη, την ανοσολογία, τη γήρανση και την ανάπτυξη και παθολογίες όπως ο καρκίνος, τα αυτοάνοσα και εκφυλιστικά νοσήματα.
- Ο Κυτταρικός Κύκλος - Οι λειτουργικές μίνι δομές συνεχίζουν να αναπτύσσονται και να διαιρούνται με προσεκτικά ελεγχόμενο τρόπο σε όλη μας τη ζωή. Τα μοριακά και κυτταρικά συμβάντα που ρυθμίζουν αυτόν τον κύκλο είναι κρίσιμα για πολλές ασθένειες στις οποίες διαταράσσεται η φυσιολογική ρύθμιση της ανάπτυξης.
- Γλυκοβιολογία. Οι γλυκάνες είναι μια βιολογικά σημαντική κατηγορία υδατανθράκων. Οι πρωτεΐνες που δεσμεύουν τη γλυκάνη (λεκτίνες) συνδέονται με συγκεκριμένες δομικές γλυκάνες και διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην κυτταρική αναγνώριση, κινητικότητα και επιστροφή σε συγκεκριμένους ιστούς, σηματοδότηση, διαφοροποίηση, κυτταρική προσκόλληση, μικροβιακή παθογένεση και ανοσολογική αναγνώριση.
- Μιτοχόνδρια. Γνωστά ως οι δομικοί λίθοι του «ηλεκτρικού σπιτιού», τα μιτοχόνδρια παρέχουν την ενέργεια που πρέπει να χρησιμοποιήσουν τα κύτταρα για να επιβιώσουν, αποφεύγοντας ασθένειες από διαβήτη έως Πάρκινσον.
- Κινητότητα - Ένα μικροσκοπικό νευρικό κύτταρο που προέρχεται από τον εγκέφαλο και επεκτείνει τις διαδικασίες του στη βάση του νωτιαίου μυελού πρέπει να μετακινεί μόρια σε τεράστιες αποστάσεις σε σύγκριση με το μέγεθός του. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν μια ποικιλία μεθόδων και προσεγγίσεων για να μελετήσουν πώς κινούνται τα κύτταρα και τα εσωτερικά τους μόρια και οργανίδια.
- Μεταφορά πρωτεϊνών. Οι πρωτεΐνες παράγονται στον πυρήνα και στη συνέχεια πρέπει να στεγαστούν κατάλληλα για να εκπληρώσουν τον κυτταρικό τους ρόλο. Έτσι, η μεταφορά πρωτεϊνών είναι κεντρική σε όλα τα κυτταρικά συστήματα και η δυσλειτουργία της σχετίζεται με ασθένειες που κυμαίνονται από την κυστική ίνωση έως τη νόσο του Αλτσχάιμερ.
Η κυτταρική βάση της ζωής
Η κυτταρική βάση της ζωής μπορεί να φαίνεται προφανής στη σύγχρονη εποχή της βιολογίας, αλλά μέχρι την ανάπτυξη των πρώτων μικροσκοπίων στις αρχές του δέκατου ένατου αιώνα, αυτό θα μπορούσε να είναι μόνο θέμα εικασίας. Το μέγεθος ενός τυπικού ανθρώπινου κυττάρου είναι περίπου πέντε φορές μικρότερο από οτιδήποτε μπορούμε να δούμε με γυμνό μάτι. Επομένως, η πρόοδος στην κατανόηση των εσωτερικών λειτουργιών των δομικών μονάδων, συμπεριλαμβανομένης της κυτταρικής παθοφυσιολογίας, συμβαδίζει με τις προόδους στις τεχνολογίες αυτού του επιστημονικού πεδίου, που είναι διαθέσιμες για απεικόνιση και μελέτη τους.
Βιολογία των χρωμοσωμάτων
Με τον τρέχοντα ενθουσιασμό γύρω από το πεδίο της γονιδιωματικής, είναι εύκολο να ξεχάσουμε ότι τα γονίδια είναι απλώς μικρά τμήματα DNA και μέρος πολύ μεγαλύτερων δομών που ονομάζονται χρωμοσώματα. Τα τελευταία αποτελούνται από πολύπλοκους με χρωματίνη κλώνους DNA που τυλίγονται γύρω από πρωτεΐνες που ονομάζονται ιστόνες καιείναι πλέον γνωστό ότι παίζουν εξίσου σημαντικό ρόλο στον καθορισμό του τρόπου με τον οποίο οι οργανισμοί αναπτύσσονται, λειτουργούν και παραμένουν υγιείς.
Επιγενετική, κυριολεκτικά «πάνω από τη γενετική», είναι η επιστήμη που μελετά τις περιβαλλοντικές αλλαγές στο γονιδίωμα πέρα από αυτές που μπορούν να συμβούν στο επίπεδο του DNA μας. Αυτές οι διακυμάνσεις στη γονιδιακή δραστηριότητα περιλαμβάνουν τροποποιήσεις σε στοιχεία που τις περιβάλλουν, όπως πρωτεΐνες ιστόνης, ή τροποποιήσεις σε μεταγραφικά στοιχεία που ελέγχουν την έκφραση των γονιδίων. Σε αντίθεση με τις αλλαγές του DNA, οι επιγενετικές διακυμάνσεις είναι συνήθως συγκεκριμένες για τη γενιά.
Με άλλα λόγια, οι επιγενετικές αλλαγές συνήθως δεν μεταβιβάζονται από τον γονέα στο παιδί. Αυτή η σχετικά νέα γραμμή έρευνας έχει αλλάξει την κατανόησή μας τόσο για την φυσιολογική ανάπτυξη όσο και για τις ασθένειες και επηρεάζει πλέον την πρόοδο της επόμενης γενιάς θεραπειών. Μια ποικιλία τομέων μελετώνται, όπως:
- Παχυσαρκία. Οι επιγενετικές αλλαγές στο γονιδίωμά μας υποπτευόμαστε από καιρό ότι παίζουν ρόλο σε περίπλοκες ανθρώπινες ασθένειες όπως η εναπόθεση λίπους. Μια νέα επιστημονική κατεύθυνση διερευνά πώς οι περιβαλλοντικοί παράγοντες μπορούν να επηρεάσουν την ανάπτυξη της νόσου.
- Κλινικές δοκιμές και ανάπτυξη φαρμάκων. Ο ρόλος των επιγενετικών θεραπειών καρκίνου σε διάφορους όγκους διερευνάται, με την ελπίδα ότι μπορούν να στοχεύσουν και να "επαναπρογραμματίσουν" μη φυσιολογικά κύτταρα αντί να σκοτώσουν τόσο καρκινικά όσο και φυσιολογικά δομικά στοιχεία όπως στην τυπική χημειοθεραπεία.
- Υγεία. Η διατροφή και η έκθεση σε χημικές ουσίες σε όλα τα στάδια ανάπτυξης μπορεί να προκαλέσουν επιγενετικές αλλαγές που μπορούν να ενεργοποιήσουν ή να απενεργοποιήσουν ορισμένα γονίδια. Οι επιστήμονες διερευνούν πώς αυτά τα στοιχεία επηρεάζουν αρνητικά τον γενικό πληθυσμό.
- Επιστήμη της συμπεριφοράς. Οι επιγενετικές αλλαγές σχετίζονται με πολλές ασθένειες, συμπεριλαμβανομένου του εθισμού στα ναρκωτικά και το αλκοόλ. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι περιβαλλοντικοί παράγοντες αλλάζουν το γονιδίωμα θα μπορούσε να ρίξει φως σε νέους δρόμους για τη θεραπεία ψυχολογικών διαταραχών.
Κβαντική Βιολογία
Οι φυσικοί γνωρίζουν για τέτοια κβαντικά αποτελέσματα για περισσότερα από εκατό χρόνια, όταν τα σωματίδια αψηφούν τις αισθήσεις μας, εξαφανίζονται από ένα μέρος και επανεμφανίζονται σε άλλο ή βρίσκονται σε δύο μέρη ταυτόχρονα. Αλλά αυτά τα αποτελέσματα δεν αποδίδονται σε κρυφά εργαστηριακά πειράματα. Καθώς οι επιστήμονες υποψιάζονται ολοένα και περισσότερο ότι η κβαντική μηχανική μπορεί να ισχύει και για βιολογικές διεργασίες.
Ίσως το καλύτερο παράδειγμα είναι η φωτοσύνθεση, ένα εξαιρετικά αποτελεσματικό σύστημα όπου τα φυτά (και ορισμένα βακτήρια) δημιουργούν τα μόρια που χρειάζονται χρησιμοποιώντας ενέργεια από το ηλιακό φως. Αποδεικνύεται ότι αυτή η διαδικασία μπορεί στην πραγματικότητα να βασίζεται στο φαινόμενο της «υπερθέσεως», όπου μικρά πακέτα ενέργειας εξερευνούν όλα τα πιθανά μονοπάτια και στη συνέχεια εγκαθίστανται στο πιο αποτελεσματικό. Είναι επίσης πιθανό η πλοήγηση των πτηνών, οι μεταλλάξεις του DNA (μέσω κβαντικής σήραγγας) και ακόμη και η όσφρησή μας να βασίζονται σε κβαντικά αποτελέσματα.
Αν και πρόκειται για μια άκρως εικαστική και αμφιλεγόμενη περιοχή, όσοιοι επαγγελματίες περιμένουν την ημέρα που οι πληροφορίες που αποκτώνται από την έρευνα μπορούν να οδηγήσουν σε νέα φάρμακα και βιομιμητικά συστήματα (η βιομετρία είναι ένας άλλος αναδυόμενος τομέας της επιστήμης όπου τα βιολογικά συστήματα και οι δομές χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία νέων υλικών και μηχανών).
Κοινωνικές και Συμπεριφορικές Επιστήμες
Πέρα από το μοριακό και κυτταρικό επίπεδο, η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι συμπεριφορικοί και κοινωνικοί παράγοντες επηρεάζουν τις ασθένειες και την υγεία είναι ζωτικής σημασίας για την κατανόηση, τη θεραπεία και την πρόληψη της νόσου. Η έρευνα σε τέτοιες επιστήμες είναι ένα μεγάλο πολύπλευρο πεδίο, που καλύπτει ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών κλάδων και προσεγγίσεων.
Η ιδέα ενός προγράμματος ενδοεπαγγελματικής ανάλυσης συγκεντρώνει τις βιοϊατρικές, συμπεριφορικές και κοινωνικές επιστήμες για να συνεργαστούν για την επίλυση περίπλοκων και επειγόντων προβλημάτων υγείας. Η εστίαση είναι στην ανάπτυξη επιστημονικών περιοχών που διερευνούν διαδικασίες συμπεριφοράς, βιοψυχολογικά και εφαρμοσμένα πεδία μέσω των ακόλουθων μεθόδων:
- Έρευνα για τον αντίκτυπο της ασθένειας ή της φυσικής κατάστασης στη συμπεριφορά και την κοινωνική λειτουργία.
- Εντοπισμός και κατανόηση των παραγόντων συμπεριφοράς που σχετίζονται με την έναρξη και την πορεία της ασθένειας.
- Μελέτη των αποτελεσμάτων θεραπείας.
- Έρευνα για την προαγωγή της υγείας και την πρόληψη ασθενειών.
- Ανάλυση θεσμικών και οργανωτικών επιπτώσεων στην υγεία.
Εξομετεωρολογία
Αρέσκονται στους εξωμετεωρολόγουςΟι εξωωκεανογράφοι και οι εξωγεωλόγοι ενδιαφέρονται να μελετήσουν τις φυσικές διεργασίες που συμβαίνουν σε πλανήτες εκτός της Γης. Τώρα που οι αστρονόμοι μπορούν να ρίξουν μια πιο προσεκτική ματιά στην εσωτερική λειτουργία των κοντινών αντικειμένων, είναι ολοένα και περισσότερο σε θέση να παρακολουθούν ατμοσφαιρικά και καιρικά μοτίβα. Ο Δίας και ο Κρόνος, με τα απίστευτα μεγάλα δυναμικά τους συστήματα, είναι οι πρώτοι υποψήφιοι για μελέτη.
Για παράδειγμα, καταιγίδες σκόνης συμβαίνουν τακτικά στον Άρη. Σε αυτή την επιστημονική και τεχνική κατεύθυνση, οι εξωμετεωρολόγοι μελετούν ακόμη και πλανήτες εκτός του ηλιακού μας συστήματος. Και, είναι ενδιαφέρον, ότι μπορεί τελικά να βρουν σημάδια εξωγήινης ζωής σε έναν εξωπλανήτη ανιχνεύοντας οργανικές υπογραφές στις ατμόσφαιρες ή υψηλά επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα - πιθανά σημάδια ενός πολιτισμού βιομηχανικής εποχής.
Nutrigenomics
Η διατροφογονιδιωματική, γνωστή και ως γονιδιωματική των τροφίμων, αποτελεί τομέα προτεραιότητας της επιστήμης. Αυτή είναι μια μελέτη της πολύπλοκης αλληλεπίδρασης μεταξύ τροφής και απόκρισης DNA. Πράγματι, το φαγητό έχει βαθιά επίδραση στην ανθρώπινη υγεία - και ξεκινά κυριολεκτικά από μοριακό επίπεδο. Οι επιστήμονες που εργάζονται σε αυτόν τον τομέα προσπαθούν να κατανοήσουν τον ρόλο της γενετικής διαφοροποίησης, τη διατροφική απόκριση και τους τρόπους με τους οποίους τα θρεπτικά συστατικά επηρεάζουν τις δομές μας.
Η θρεπτική γονιδιωματική λειτουργεί αμφίδρομα - τα γονίδιά μας επηρεάζουν τις διατροφικές μας προτιμήσεις και το αντίστροφο. Ο βασικός στόχος αυτού του τομέα επιστημονικής δραστηριότητας είναι η δημιουργία εξατομικευμένης διατροφής - σύγκριση του τιτι τρώμε, με τις δικές μας μοναδικές γενετικές δομές.
Γνωσιακά Οικονομικά
Οικονομικά δεν αφορά συνήθως τη βαθιά γνώση, αλλά αυτό μπορεί να αλλάξει καθώς το πεδίο ενσωματώνεται με τους παραδοσιακούς ερευνητικούς κλάδους. Για να μην συγχέεται με τα συμπεριφορικά οικονομικά (η μελέτη του τρόπου με τον οποίο κάνουμε τα πράγματα - τι κάνουμε - στο πλαίσιο της λήψης οικονομικών αποφάσεων), η γνωστική οικονομία έχει να κάνει με το πώς σκεφτόμαστε. Ο Lee Caldwell, ο οποίος κάνει blog για την περιοχή, την ορίζει ως εξής:
"Γνωσιακά οικονομικά (ή χρηματοοικονομικά) … εξετάζει τι συμβαίνει πραγματικά στο μυαλό ενός ατόμου όταν κάνει αυτή την επιλογή. Ποια είναι η εσωτερική δομή της λήψης αποφάσεων, πώς οι πληροφορίες εισέρχονται στη συνείδηση και πώς επεξεργάζονται και στη συνέχεια, τελικά, πώς εκφράζονται όλες αυτές οι διαδικασίες στη συμπεριφορά μας;"
Με έναν άλλο τρόπο, η γνωστική οικονομία είναι η φυσική της οποίας τα συμπεριφορικά οικονομικά είναι η μηχανική. Για το σκοπό αυτό, οι επιστήμονες που εργάζονται σε αυτόν τον τομέα ξεκινούν την ανάλυσή τους σε χαμηλότερο επίπεδο και διαμορφώνουν τα υποκείμενα μικρομοτίβα της ανθρώπινης λήψης αποφάσεων για την ανάπτυξη ενός μοντέλου οικονομικής συμπεριφοράς μεγάλης κλίμακας. Για να τους βοηθήσουν να το κάνουν αυτό, οι γνωστικοί οικονομολόγοι εξετάζουν τα σχετικά πεδία του κλάδου και της υπολογιστικής οικονομίας, καθώς και τις κύριες γραμμές της επιστημονικής και τεχνολογικής έρευνας στον ορθολογισμό και τη θεωρία αποφάσεων.
