Moderni znanstveni trendovi veliki su i široki poduhvat u kojem tisuće laboratorija diljem svijeta proučavaju svoje vlastito visoko specijalizirano područje iz mnogo veće cjeline. To je logično sjecište znanstvenog naslijeđa i stoljeća tehnološkog napretka za unapređenje razumijevanja svijeta oko nas.
Posebna se pozornost mora posvetiti sve specifičnijim disciplinama, od neuronskog računanja retine do fizike svemirske plazme. Koja znanstvena područja postoje i koja su najrelevantnija?
Biomedicinsko inženjerstvo i biofizika
Možda se čini čudnim, ali neki problemi u medicini mogu se riješiti samo uz pomoć tehnologije. Biomedicinsko inženjerstvo je nova disciplina koja obuhvaća različita područja poput inženjerstva proteina, mjernih sustava i optičkih slika visoke razlučivosti atoma i cijelih organizama. Ova želja zaintegracija fizičkog znanja sa znanostima o životu - napredak u ljudskom zdravlju.
Trenutačna područja istraživanja
Uključuje područja istraživanja kao što su:
- Biofotonika - razvoj metoda za vizualizaciju stanica i tkiva fluorescencijom. Optičke metode se koriste za proučavanje bioloških molekula.
- Kardiovaskularna slika - razvoj metoda za otkrivanje i kvantificiranje kardiovaskularnih bolesti.
- Složeni biološki sustavi - razvoj novih alata i matematičkih modela za razumijevanje složenih bioloških sustava.
- Makromolekularni sklop. Proučavanje makromolekula, uključujući sastavljanje višekomponentnih kompleksa i molekularnih strojeva.
- Imunokemijska dijagnostika - stvaranje novih tehnologija za identifikaciju bolesti, kao što su "laboratorijske studije".
- Neinvazivna optička slika - razvoj dijagnostičkih metoda u stvarnom vremenu za procjenu i praćenje tkiva i organa.
Nedavni napredak uključuje razvoj nekoliko alata za optičku sliku visoke razlučivosti dizajniranih za istraživanje mikroskopskog i makroskopskog svijeta stanica i organizama.
Biologija stanice
Još jedno važno znanstveno područje koje se stalno razvija je stanična biologija. Sva su živa bića sastavljena od strukturnih i funkcionalnih jedinica. Dakle, staničniNedostatak ima ključnu ulogu u mnogim bolestima, od raka uzrokovanog abnormalnim rastom stanica do neurodegenerativnih poremećaja koji su posljedica odumiranja živčanog tkiva. Postoji šest ključnih područja koja obuhvaćaju više bioloških sustava:
- Apoptoza. U svakom zdravom organizmu stanice umiru kroz pažljivo reguliran proces programirane stanične smrti poznatog kao apoptoza. To je zajedničko mnogim biološkim sustavima koji su temeljni za neuroznanost, imunologiju, starenje i razvoj te patologije kao što su rak, autoimune i degenerativne bolesti.
- Stanični ciklus - Funkcionalne mini strukture nastavljaju rasti i dijeliti se na pažljivo kontroliran način tijekom cijelog našeg života. Molekularni i stanični događaji koji reguliraju ovaj ciklus kritični su za mnoge bolesti kod kojih je poremećena normalna regulacija rasta.
- Glikobiologija. Glikani su biološki važna klasa ugljikohidrata. Proteini koji vežu glikan (lektini) vežu se na specifične strukturne glikane i igraju ključnu ulogu u staničnom prepoznavanju, pokretljivosti i povratku u specifična tkiva, signaliziranju, diferencijaciji, staničnoj adheziji, mikrobnoj patogenezi i imunološkom prepoznavanju.
- Mitohondrije. Poznati kao građevni blokovi "elektrane", mitohondrije osiguravaju energiju koju stanice moraju koristiti za preživljavanje, izbjegavajući bolesti od dijabetesa do Parkinsonove bolesti.
- Mobilnost - Mikroskopska živčana stanica koja potječe iz mozga i proteže svoje procese do baze leđne moždine mora pomicati molekule na velike udaljenosti u usporedbi sa svojom veličinom. Znanstvenici koriste različite metode i pristupe kako bi proučavali kako se stanice i njihove unutarnje molekule i organele kreću.
- Transport proteina. Proteini se stvaraju u jezgri i tada se moraju pravilno smjestiti kako bi ispunili svoje stanične uloge. Dakle, transport proteina je središnji za sve stanične sustave, a njegova je disfunkcija povezana s bolestima u rasponu od cistične fibroze do Alzheimerove bolesti.
stanična osnova života
Stanična osnova života može se činiti očitom u modernom dobu biologije, ali do razvoja prvih mikroskopa početkom devetnaestog stoljeća, to je moglo biti samo pitanje nagađanja. Veličina tipične ljudske stanice je oko pet puta manja od svega što možemo vidjeti golim okom. Stoga napredak u našem razumijevanju unutarnjeg rada strukturnih jedinica, uključujući staničnu patofiziologiju, ide ruku pod ruku s napretkom u tehnologijama ovog znanstvenog područja, dostupnim za njihovo snimanje i proučavanje.
Biologija kromosoma
Uz trenutno uzbuđenje oko polja genomike, lako je zaboraviti da su geni samo kratki dijelovi DNK i dio mnogo većih struktura zvanih kromosomi. Potonji se sastoje od zamršenih lanaca DNK koji su omotani oko proteina zvanih histoni, isada je poznato da igraju jednako važnu ulogu u određivanju načina na koji se organizmi razvijaju, funkcioniraju i ostaju zdravi.
Epigenetika, doslovno "iznad genetike", je znanost koja proučava promjene u okolišu u genomu izvan onih koje se mogu dogoditi na razini naše DNK. Ove fluktuacije u aktivnosti gena uključuju modifikacije elemenata koji ih okružuju, kao što su histonski proteini, ili modifikacije transkripcijskih elemenata koji kontroliraju ekspresiju gena. Za razliku od promjena DNK, epigenetske fluktuacije obično su specifične za generaciju.
Drugim riječima, epigenetske promjene se obično ne prenose s roditelja na dijete. Ova relativno nova linija istraživanja promijenila je naše razumijevanje normalnog razvoja i bolesti i sada utječe na napredak sljedeće generacije liječenja. Proučavaju se različita područja, uključujući:
- Pretilost. Dugo se sumnjalo da epigenetske promjene u našem genomu igraju ulogu u složenim ljudskim bolestima kao što je taloženje masti. Novi znanstveni smjer istražuje kako čimbenici okoliša mogu utjecati na razvoj bolesti.
- Klinička ispitivanja i razvoj lijekova. Istražuje se uloga epigenetskih terapija raka u različitim tumorima, u nadi da mogu ciljati i "reprogramirati" abnormalne stanice umjesto da ubijaju i kancerogene i normalne građevne blokove kao u standardnoj kemoterapiji.
- Zdravstvena njega. Prehrana i izloženost kemikalijama u svim fazama razvoja mogu uzrokovati epigenetske promjene koje mogu uključiti ili isključiti određene gene. Znanstvenici istražuju kako ovi elementi negativno utječu na opću populaciju.
- Znanost o ponašanju. Epigenetske promjene povezane su s mnogim bolestima, uključujući ovisnost o drogama i alkoholu. Razumijevanje kako čimbenici okoliša mijenjaju genom moglo bi baciti svjetlo na nove puteve za liječenje psiholoških poremećaja.
Kvantna biologija
Fizičari znaju za takve kvantne efekte više od stotinu godina, kada čestice prkose našim osjetilima, nestaju s jednog mjesta i ponovno se pojavljuju na drugom, ili se nalaze na dva mjesta u isto vrijeme. Ali ti se učinci ne pripisuju tajnim laboratorijskim pokusima. Kako znanstvenici sve više sumnjaju da se kvantna mehanika može primijeniti i na biološke procese.
Možda je najbolji primjer fotosinteza, izvanredno učinkovit sustav u kojem biljke (i neke bakterije) grade molekule koje su im potrebne koristeći energiju sunčeve svjetlosti. Pokazalo se da se ovaj proces zapravo može oslanjati na fenomen "superpozicije", gdje mali paketi energije istražuju sve moguće putove, a zatim se odlučuju na najučinkovitiji. Također je moguće da se ptičja navigacija, DNK mutacije (putem kvantnog tuneliranja), pa čak i naš njuh oslanjaju na kvantne efekte.
Iako je ovo vrlo spekulativno i kontroverzno područje, oni kojipraktičari čekaju dan kada informacije dobivene istraživanjem mogu dovesti do novih lijekova i biomimetičkih sustava (biometrija je još jedno novo područje znanosti u kojem se biološki sustavi i strukture koriste za stvaranje novih materijala i strojeva).
Društvene i bihevioralne znanosti
Izvan molekularne i stanične razine, razumijevanje kako bihevioralni i društveni čimbenici utječu na bolest i zdravlje od vitalnog je značaja za razumijevanje, liječenje i prevenciju bolesti. Istraživanja u takvim znanostima je veliko višestruko polje koje pokriva širok raspon disciplina i pristupa.
Koncept programa intraprofesionalne analize objedinjuje biomedicinske, bihevioralne i društvene znanosti kako bi zajedno radili na rješavanju složenih i hitnih zdravstvenih problema. Fokus je na razvoju znanstvenih područja koja istražuju bihevioralne procese, biopsihološka i primijenjena područja kroz sljedeće metode:
- Istraživanje utjecaja bolesti ili fizičkog stanja na ponašanje i društveno funkcioniranje.
- Identifikacija i razumijevanje čimbenika ponašanja povezanih s početkom i tijekom bolesti.
- Proučavanje ishoda liječenja.
- Istraživanje promocije zdravlja i prevencije bolesti.
- Analiza institucionalnih i organizacijskih utjecaja na zdravlje.
Exometeorology
Egzometeorolozi voleegzooceanografi i egzogeolozi zainteresirani su za proučavanje prirodnih procesa koji se događaju na drugim planetima osim Zemlje. Sada kada astronomi mogu pobliže pogledati unutarnje djelovanje obližnjih objekata, sve su više u mogućnosti pratiti atmosferske i vremenske obrasce. Jupiter i Saturn, sa svojim nevjerojatno velikim potencijalnim sustavima, glavni su kandidati za proučavanje.
Na primjer, prašne oluje se redovito događaju na Marsu. U ovom znanstvenom i tehničkom smjeru egzometeorolozi proučavaju čak i planete izvan našeg Sunčevog sustava. I, zanimljivo, na kraju bi mogli pronaći znakove izvanzemaljskog života na egzoplanetu otkrivanjem organskih tragova u atmosferi ili povišene razine ugljičnog dioksida – mogući znakovi civilizacije industrijskog doba.
Nutrigenomika
Nutrigenomika, također poznata kao genomika hrane, prioritetno je područje znanosti. Ovo je studija složene interakcije između hrane i DNK odgovora. Doista, hrana ima dubok učinak na ljudsko zdravlje – a počinje doslovno na molekularnoj razini. Znanstvenici koji rade na ovom području nastoje razumjeti ulogu genetskih varijacija, prehrambenog odgovora i načina na koji hranjivi sastojci utječu na naše strukture.
Nutrigenomika djeluje u oba smjera - naši geni utječu na naše prehrambene preferencije i obrnuto. Ključni cilj ovog područja znanstvenog djelovanja je stvaranje personalizirane prehrane – usporedba čegaono što jedemo, s našim vlastitim jedinstvenim genetskim ustrojem.
Kognitivna ekonomija
Ekonomija se obično ne odnosi na duboko znanje, ali to se može promijeniti kako se polje integrira s tradicionalnim istraživačkim disciplinama. Ne treba je brkati s biheviorističkom ekonomijom (proučavanjem našeg načina rada – onoga što radimo – u kontekstu ekonomskog donošenja odluka), kognitivna ekonomija govori o tome kako razmišljamo. Lee Caldwell, koji piše blog o tom području, definira ga na sljedeći način:
"Kognitivna ekonomija (ili financije) … promatra što se zapravo događa u čovjekovu umu kada donese taj izbor. Koja je unutarnja struktura donošenja odluka, kako informacije ulaze u svijest i kako se obrađuju, a zatim, u konačnici, kako se svi ti procesi izražavaju u našem ponašanju?"
Na drugi način, kognitivna ekonomija je fizika čija je bihevioralna ekonomija inženjerstvo. U tu svrhu, znanstvenici koji rade na ovom polju započinju svoju analizu na nižoj razini i formiraju temeljne mikroobrazce ljudskog donošenja odluka kako bi razvili model ekonomskog ponašanja velikih razmjera. Kako bi im pomogli u tome, kognitivni ekonomisti promatraju srodna područja discipline i računalne ekonomije, kao i glavne pravce znanstvenog i tehnološkog istraživanja u teoriji racionalnosti i odlučivanja.
