Сучасні наукові напрямки – це велике і широке прагнення, в якому тисячі лабораторій по всьому світу вивчають свою власну вузькоспеціалізовану область від набагато більш значного цілого. Це логічне перетин наукової спадщини і багатовікових технологічних досягнень з метою просування розуміння оточуючого нас світу.
Особливу увагу має приділятися більш специфічних дисциплін, починаючи з нейронних обчислень сітківки і закінчуючи фізики космічної плазми. Які наукові напрями існують і які з них є найбільш актуальними?
Біомедична інженерія і біофізика
Це може здатися дивним, але деякі проблеми в медицині можуть бути вирішені тільки за допомогою техніки. Такий науковий напрям, як біомедична інженерія, – це утворилася дисципліна, яка охоплює такі різноманітні області, як білкова інженерія, вимірювальні системи і оптична візуалізація з високою роздільною здатністю атомів і цілих організмів. Це прагнення до інтеграції фізичних знань з науками про життя – прогрес в області здоров’я людини.
Поточні області досліджень
Включаються такі напрями наукових досліджень, як:
- Биофотоника – розробка методів візуалізації клітин і тканин з флуоресценцією. Застосовуються оптичні способи для дослідження біологічних молекул.
- Кардиоваскулярная візуалізація – створення методів виявлення та кількісної характеристики серцево-судинних захворювань.
- Комплексні біологічні системи – розробка нових інструментів і математичних моделей для розуміння складних біологічних систем.
- Макромолекулярная складання. Вивчення макромолекул, включаючи зборку багатокомпонентних комплексів і молекулярних машин.
- Иммунохимическая діагностика – створення нових технологій для ідентифікації хвороб, наприклад «лабораторні дослідження».
- Неінвазивна оптична візуалізація – розробка діагностичних методів у реальному часі для оцінки і моніторингу тканин і органів.
Недавні досягнення включають розробку декількох оптичних засобів візуалізації з високою роздільною здатністю, призначених для вивчення мікроскопічних та макроскопічних світів клітин і організмів.
Біологія клітин
Ще одним важливим постійно розвиваються науковим напрямком є клітинна біологія. Всі живі істоти зроблені структурно-функціональних одиниць. Таким чином, клітинна недостатність відіграє критичну роль у багатьох захворюваннях, починаючи з раку, викликаного аномальним ростом клітин, до нейродегенеративних порушень, які є результатом смерті нервових тканин. Виділяють шість ключових областей, що охоплюють кілька біологічних систем:
- Апоптоз. У кожному здоровому організмі клітини вмирають через ретельно регульований процес запрограмованої загибелі структурних одиниць, відомий як апоптоз. Він є загальним для багатьох біологічних систем, що мають фундаментальне значення для нейробіології, імунології, старіння і розвитку, а також таких патологій, як рак, аутоімунні та дегенеративні захворювання.
- Клітинний цикл – функціонуючі міні-структури продовжують рости і ділитися ретельно контрольованим чином протягом усього нашого життя. Молекулярні та клітинні події, які регулюють даний цикл, мають вирішальне значення для багатьох захворювань, при яких порушується нормальна регуляція росту.
- Глікобіологія. Гликаны – біологічно важливий клас вуглеводів. Гликансвязывающие білки (лектини) об’єднуються з конкретними структурними гликанами і відіграють вирішальну роль у розпізнаванні клітин, їх рухливості і повернення до певних тканин, сигнальних процесах, диференціювання, клітинної адгезії, мікробному патогенезі та імунологічного розпізнавання.
- Мітохондрії. Відомі як «силові домашні» структурні одиниці, мітохондрії забезпечують енергію, яку клітки повинні використовувати для виживання, уникаючи хвороб, починаючи з діабету і закінчуючи хворобою Паркінсона.
- Рухливість – мікроскопічна нервова клітина, яка виникає в мозку і розширює свої процеси до підстави спинного мозку, повинна переміщати молекули на величезні відстані в порівнянні з її розміром. Вчені використовують різні методи і підходи до вивчення того, як рухаються клітини і їх внутрішні молекули і органели.
- Транспортування білків. Білки виробляються в ядрі, а потім вони повинні правильно розміщуватися, щоб виконувати свої клітинні ролі. Таким чином, транспортування протеїнів є центральною для всіх клітинних систем, і її дисфункція пов’язана із захворюваннями, починаючи з кістозного фіброзу і закінчуючи хворобою Альцгеймера.
Клітинна основа життя
Клітинна основа життя може здатися очевидною в сучасну епоху біології, але до розвитку перших мікроскопів на початку дев’ятнадцятого століття це могло бути тільки питанням спекуляцій. Розмір типовою людської клітини приблизно в п’ять разів менше, ніж все, що ми можемо бачити неозброєним оком. Тому прогрес у нашому розумінні внутрішньої роботи структурних одиниць, включаючи клітинну патофізіологію, йде рука об руку з досягненнями у технологіях цього наукового напряму, доступних для візуалізації та вивчення їх.
Біологія хромосом
При нинішньому хвилюванні навколо області геноміки легко забути, що гени – це просто короткі ділянки ДНК і частина набагато більш великих структур, які називаються хромосомами. Останні складаються з хроматин-хитромудрих ниток ДНК, обгорнутих навколо білків, званих гистонами, і тепер, як відомо, відіграють не менш важливу роль у визначенні того, як організми розвиваються, функціонують і залишаються здоровими.
Епігенетика, буквально «вище генетики», – це науковий напрям, який займається вивченням змін навколишнього середовища в геномі, вище тих, які можуть виникати на рівні нашої ДНК. Ці коливання в активності генів включають модифікації елементів, що оточують їх, такі як білки гістонів, або модифікацію транскрипційних елементів, які контролюють експресію гена. На відміну від змін ДНК, епігенетичні коливання зазвичай специфічні для генерації.
Іншими словами, епігенетичні зміни зазвичай не передаються від батьків до дитини. Це відносно новий напрямок наукових досліджень змінило наше розуміння як нормальних процесів розвитку, так і хвороб, і в даний час впливає на прогрес наступного покоління методів лікування. Вивчаються різні області, серед яких:
- Ожиріння. Епігенетичні зміни в нашому геномі вже давно підозрюються в ролі складних захворювань людини, таких як відкладання жирової тканини. Новий науковий напрям займається дослідженням того, яким чином фактори навколишнього середовища можуть впливати на розвиток захворювання.
- Клінічні випробування і розробка ліків. Вивчається роль епігенетичних протиракових методів лікування на різних пухлинах, в надії на те, що вони зможуть націлитися і «перепрограмувати» аномальні клітини, а не вбивати як ракові, так і нормальні структурні одиниці, як в стандартній хіміотерапії.
- Охорону здоров’я. Дієта і вплив хімічних речовин на всіх етапах розвитку можуть викликати епігенетичні зміни, які здатні включати або відключати певні гени. Вчені досліджують, як ці елементи негативно впливають на населення в цілому.
- Поведінкова наука. Епігенетичні зміни пов’язані з багатьма захворюваннями, включаючи наркоманію та алкогольну залежність. Розуміння того, як фактори навколишнього середовища змінюють геном, може прояснити нові шляхи лікування психологічних розладів.
Квантова біологія
Фізикам відомо про таких квантових ефектах вже більше ста років, коли частинки кидають виклик нашим почуттям, зникаючи з одного місця і знову з’являючись в іншому або перебуваючи в двох точках одночасно. Але ці ефекти не віднесені до таємним лабораторних експериментів. Оскільки вчені все частіше підозрюють, що квантова механіка може також застосовуватися до біологічних процесів.
Можливо, найкращим прикладом є фотосинтез – чудова ефективна система, де рослини (і деякі бактерії) будують молекули, в яких вони потребують, використовуючи енергію сонячного світла. Виявляється, що цей процес може насправді спиратися на феномен «суперпозиції», де маленькі пакети енергії досліджують всі можливі шляхи, а потім осідають на найефективнішому. Також можливо, що пташина навігація, мутації ДНК (через квантове тунелювання) і навіть наш нюх спираються на квантові ефекти.
Хоча це досить спекулятивна і суперечлива область, ті, хто її практикує, чекають того дня, коли інформація, отримана в ході досліджень, що може призвести до появи нових ліків і біоміметічеських систем (біометрія – ще одне виникає науковий напрямок, де біологічні системи і структури використовуються для створення нових матеріалів і машин).
Соціальні та поведінкові науки
Крім молекулярного і клітинного рівня, вивчення того, як поведінкові і соціальні чинники впливають на хворобу і здоров’я, життєво важливо для розуміння, лікування і профілактики захворювань. Дослідження таких наук – це велика багатогранна галузь, що охоплює широке коло дисциплін і підходів.
Концепція внутрипрофессиональной анализационной програми об’єднує біомедичні, поведінкові та соціальні науки для спільної роботи над вирішенням складних і екстрених проблем в області охорони здоров’я. У центрі уваги – розвиток наукових напрямів, що досліджують поведінкові процеси, биопсихологические та прикладні області шляхом наступних методів:
- Дослідження впливу хвороби або фізичного стану на спосіб дій і соціальне функціонування.
- Виявлення і розуміння поведінкових факторів, пов’язаних з початком і перебігом хвороби.
- Вивчення результатів лікування.
- Дослідження щодо зміцнення здоров’я та профілактики захворювань.
- Аналіз інституціональних і організаційних впливів на здоров’я.
Экзометеорология
Экзометеорологи, як экзоокеанографы і экзогеологи, зацікавлені у вивченні природних процесів, що відбуваються на планетах, відмінні від Землі. Тепер, коли астрономи можуть більш уважно ставитися до внутрішніх робіт прилеглих об’єктів, вони все частіше здатні відстежувати атмосферні і погодні умови. Юпітер і Сатурн, з їх неймовірно великими потенційними системами, є першими кандидатами на вивчення.
Наприклад, на Марсі регулярно відбуваються пилові бурі. У цьому науково-технічному напрямку экзометеорологи вивчають навіть планети за межами нашої Сонячної системи. І, що цікаво, вони можуть в кінцевому підсумку знайти ознаки позаземного життя на экзопланете, виявивши органічні сигнатури в атмосферах або підвищені рівні вуглекислого газу – можливі ознаки цивілізації індустріального віку.
Нутригеномика
Пріоритетним науковим напрямом, також відомим як харчова геноміка, є нутригеномика. Це дослідження складного взаємодії між їжею і реакцією ДНК. І дійсно, їжа надає глибоке вплив на здоров’я людини – і воно починається буквально на молекулярному рівні. Учені, що працюють в цій галузі, прагнуть зрозуміти роль генетичних варіацій, дієтичного відповіді і способи, якими поживні речовини впливають на наші структури.
Нутригеномика працює в обох напрямках – наші гени впливають на наші дієтичні переваги і навпаки. Ключовою метою цього напрямку наукової діяльності є створення персоналізованого харчування – зіставлення того, що ми їмо, з нашими власними унікальними генетичними конституціями.
Когнітивна економіка
Економіка зазвичай не пов’язана з глибокими знаннями, але це може змінитися в міру того, як дана сфера інтегрується з традиційними дослідницькими дисциплінами. Не варто плутати це напрям наукової роботи з поведінкової економікою (вивчення нашого способу дій – що ми робимо в контексті прийняття економічних рішень), когнітивна економіка – це те, як ми думаємо. Чи Кальдуэлл, який веде блог, присвячений цій галузі, дає наступне визначення:
“Когнітивна економіка або фінанси) … дивиться на те, що насправді відбувається у свідомості людини, коли вона робить цей вибір. Яка внутрішня структура ухвалення рішень, як інформація проникає в свідомість і як вона обробляється, а потім, в кінцевому рахунку, як всі ці процеси виражаються в нашій поведінці?”
Якщо розглядати це по-іншому, когнітивна економіка – це фізика, поведінкова економіка якої має інженерний характер. З цією метою вчені, що працюють в цій області, починають свій аналіз на більш низькому рівні і формують основні мікрозразки прийняття людських рішень для розробки моделі великомасштабної економічної поведінки. Щоб допомогти їм у цьому, когнітивні економісти розглядають пов’язані області цієї дисципліни та обчислювальної економіки, а також основні напрямки науково-технічних досліджень в теорії раціональності і прийняття рішень.
