روندهای علمی مدرن یک تلاش بزرگ و گسترده است که در آن هزاران آزمایشگاه در سراسر جهان در حال مطالعه رشته بسیار تخصصی خود از یک کل بسیار بزرگتر هستند. این یک تلاقی منطقی از میراث علمی و قرن‌ها پیشرفت فناوری برای پیشبرد درک جهان اطراف ما است.
توجه ویژه ای باید به رشته های ویژه فزاینده ای، از محاسبات عصبی شبکیه تا فیزیک پلاسمای فضایی معطوف شود. چه حوزه های علمی وجود دارد و کدام یک مرتبط هستند؟
مهندسی زیست پزشکی و بیوفیزیک
ممکن است عجیب به نظر برسد، اما برخی از مشکلات در پزشکی تنها با کمک فناوری قابل حل هستند. مهندسی زیست پزشکی رشته‌ای در حال ظهور است که حوزه‌های متنوعی مانند مهندسی پروتئین، سیستم‌های اندازه‌گیری و تصویربرداری نوری با وضوح بالا از اتم‌ها و موجودات کامل را در بر می‌گیرد. این تمایل برایادغام دانش فیزیکی با علوم زیستی - پیشرفت در سلامت انسان.
حوزه‌های تحقیقاتی فعلی
شامل حوزه های تحقیقاتی مانند:
- Biophotonics - توسعه روش هایی برای تجسم سلول ها و بافت ها با فلورسانس. روش های نوری برای مطالعه مولکول های بیولوژیکی استفاده می شود.
- تصویربرداری قلبی عروقی - در حال توسعه روش هایی برای تشخیص و تعیین کمیت بیماری های قلبی عروقی.
- سیستم های بیولوژیکی پیچیده - توسعه ابزارهای جدید و مدل های ریاضی برای درک سیستم های پیچیده بیولوژیکی.
- مجموعه ماکرومولکولی. مطالعه ماکرومولکول‌ها، از جمله مونتاژ کمپلکس‌های چند جزئی و ماشین‌های مولکولی.
- تشخیص ایمونوشیمیایی - ایجاد فناوری های جدید برای شناسایی بیماری ها، مانند "مطالعات آزمایشگاهی".
- تصویربرداری نوری غیر تهاجمی - توسعه روش‌های تشخیصی بلادرنگ برای ارزیابی و نظارت بر بافت‌ها و اندام‌ها.
پیشرفت های اخیر شامل توسعه چندین ابزار تصویربرداری نوری با وضوح بالا است که برای کشف دنیای میکروسکوپی و ماکروسکوپی سلول ها و موجودات طراحی شده اند.
زیست شناسی سلولی
یکی دیگر از حوزه های علمی مهم و دائماً در حال توسعه، زیست شناسی سلولی است. همه موجودات زنده از واحدهای ساختاری و عملکردی ساخته شده اند. بنابراین، سلولیکمبود نقش مهمی در بسیاری از بیماری ها دارد، از سرطان ناشی از رشد غیرطبیعی سلول تا اختلالات عصبی که در نتیجه مرگ بافت عصبی ایجاد می شود. شش حوزه کلیدی وجود دارد که چندین سیستم بیولوژیکی را در بر می گیرد:
- آپوپتوز. در هر ارگانیسم سالم، سلول‌ها از طریق یک فرآیند دقیق تنظیم‌شده مرگ سلولی برنامه‌ریزی‌شده به نام آپوپتوز می‌میرند. این در بسیاری از سیستم‌های بیولوژیکی که برای علوم اعصاب، ایمنی‌شناسی، پیری و رشد، و آسیب‌شناسی‌هایی مانند سرطان، بیماری‌های خودایمنی و دژنراتیو اساسی هستند، مشترک است.
- چرخه سلولی - ساختارهای کوچک عملکردی به رشد و تقسیم شدن به روشی دقیق کنترل شده در طول زندگی ما ادامه می دهند. رویدادهای مولکولی و سلولی که این چرخه را تنظیم می‌کنند برای بسیاری از بیماری‌هایی که در آنها تنظیم رشد طبیعی مختل می‌شود، حیاتی هستند.
- گلیکوبیولوژی. گلیکان ها از نظر بیولوژیکی دسته ای از کربوهیدرات ها هستند. پروتئین‌های متصل به گلیکان (لکتین‌ها) به گلیکان‌های ساختاری خاصی متصل می‌شوند و نقش مهمی در شناسایی سلولی، تحرک و بازگشت به بافت‌های خاص، سیگنال‌دهی، تمایز، چسبندگی سلولی، پاتوژنز میکروبی و شناسایی ایمونولوژیک دارند.
- میتوکندری. میتوکندری‌ها که به عنوان بلوک‌های ساختمانی «خانه برق» شناخته می‌شوند، انرژی لازم برای بقای سلول‌ها را فراهم می‌کنند و از بیماری‌هایی از دیابت گرفته تا پارکینسون جلوگیری می‌کنند.
- تحرک - یک سلول عصبی میکروسکوپی که از مغز منشا می گیرد و فرآیندهای خود را تا پایه نخاع گسترش می دهد، باید مولکول ها را در فواصل وسیع در مقایسه با اندازه خود حرکت دهد. دانشمندان از روش ها و رویکردهای مختلفی برای مطالعه نحوه حرکت سلول ها و مولکول های داخلی و اندامک های آنها استفاده می کنند.
- حمل و نقل پروتئین ها. پروتئین ها در هسته ساخته می شوند و سپس باید به درستی در محل نگهداری شوند تا نقش سلولی خود را ایفا کنند. بنابراین، انتقال پروتئین در تمام سیستم‌های سلولی مرکزی است و اختلال عملکرد آن با بیماری‌هایی از فیبروز کیستیک تا بیماری آلزایمر مرتبط است.
اساس سلولی زندگی
شايد اساس سلولي حيات در عصر جديد زيست شناسي بديهي به نظر برسد، اما تا زمان توسعه اولين ميكروسكوپ ها در اوايل قرن نوزدهم، اين موضوع فقط در حد حدس و گمان بود. اندازه یک سلول انسانی معمولی حدود پنج برابر کوچکتر از هر چیزی است که با چشم غیرمسلح می توانیم ببینیم. بنابراین، پیشرفت در درک ما از عملکرد درونی واحدهای ساختاری، از جمله پاتوفیزیولوژی سلولی، همراه با پیشرفت‌های فناوری‌های این حوزه علمی است که برای تصویربرداری و مطالعه آنها در دسترس است.
زیست شناسی کروموزوم ها
با هیجان کنونی پیرامون زمینه ژنومیکس، به راحتی می توان فراموش کرد که ژن ها فقط بخش های کوتاهی از DNA و بخشی از ساختارهای بسیار بزرگتر به نام کروموزوم هستند. دومی از رشته‌های کروماتین پیچیده DNA که در اطراف پروتئین‌هایی به نام هیستون پیچیده شده‌اند، تشکیل شده‌اند.اکنون شناخته شده اند که نقشی به همان اندازه در تعیین چگونگی رشد، عملکرد و سالم ماندن موجودات زنده دارند.
اپی ژنتیک، به معنای واقعی کلمه "بالاتر از ژنتیک"، علمی است که تغییرات محیطی در ژنوم را فراتر از تغییراتی که می تواند در سطح DNA ما رخ دهد، مطالعه می کند. این نوسانات در فعالیت ژن شامل تغییراتی در عناصر اطراف آنها، مانند پروتئین های هیستون، یا تغییراتی در عناصر رونویسی که بیان ژن را کنترل می کنند، می شود. برخلاف تغییرات DNA، نوسانات اپی ژنتیک معمولاً مختص نسل است.
به عبارت دیگر، تغییرات اپی ژنتیک معمولاً از والدین به فرزند منتقل نمی شود. این خط تحقیقاتی نسبتاً جدید درک ما را از رشد طبیعی و بیماری تغییر داده است و اکنون بر پیشرفت نسل بعدی درمان ها تأثیر می گذارد. حوزه‌های مختلفی در حال مطالعه هستند، از جمله:
- چاقی. تغییرات اپی ژنتیکی در ژنوم ما مدت هاست که مشکوک به نقش داشتن در بیماری های پیچیده انسانی مانند رسوب چربی است. یک جهت علمی جدید در حال بررسی چگونگی تأثیر عوامل محیطی بر توسعه بیماری است.
- کارآزمایی های بالینی و توسعه دارو. نقش درمان‌های سرطان اپی ژنتیک در تومورهای مختلف در حال بررسی است، به این امید که آنها بتوانند سلول‌های غیرطبیعی را به جای کشتن بلوک‌های ساختمانی سرطانی و طبیعی مانند شیمی‌درمانی استاندارد، هدف قرار داده و «برنامه‌ریزی مجدد» کنند.
- مراقبت های بهداشتی. رژیم غذایی و قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی در تمام مراحل رشد می تواند باعث تغییرات اپی ژنتیکی شود که می تواند ژن های خاصی را روشن یا خاموش کند. دانشمندان در حال بررسی چگونگی تأثیر منفی این عناصر بر جمعیت عمومی هستند.
- علوم رفتاری. تغییرات اپی ژنتیک با بسیاری از بیماری ها از جمله اعتیاد به مواد مخدر و الکل مرتبط است. درک اینکه چگونه عوامل محیطی ژنوم را تغییر می‌دهند می‌تواند راه‌های جدیدی را برای درمان اختلالات روان‌شناختی روشن کند.
زیست شناسی کوانتومی
فیزیکدانان بیش از صد سال است که در مورد چنین اثرات کوانتومی می دانند، زمانی که ذرات حواس ما را به چالش می کشند، از یک مکان ناپدید می شوند و در مکان دیگر دوباره ظاهر می شوند، یا همزمان در دو مکان قرار می گیرند. اما این اثرات به آزمایش های آزمایشگاهی مخفی نسبت داده نمی شود. همانطور که دانشمندان به طور فزاینده ای گمان می کنند که مکانیک کوانتومی ممکن است در فرآیندهای بیولوژیکی نیز کاربرد داشته باشد.
شاید بهترین مثال فتوسنتز باشد، یک سیستم فوق العاده کارآمد که در آن گیاهان (و برخی باکتری ها) با استفاده از انرژی نور خورشید، مولکول های مورد نیاز خود را می سازند. به نظر می رسد که این فرآیند ممکن است در واقع بر پدیده "ابرجا" تکیه کند، که در آن بسته های کوچک انرژی تمام مسیرهای ممکن را کاوش می کنند و سپس در کارآمدترین مسیر قرار می گیرند. همچنین ممکن است ناوبری پرندگان، جهش‌های DNA (از طریق تونل‌سازی کوانتومی)، و حتی حس بویایی ما به اثرات کوانتومی متکی باشند.
اگرچه این یک منطقه بسیار بحث برانگیز و بحث برانگیز است، کسانی کهپزشکان منتظر روزی هستند که اطلاعات به دست آمده از تحقیقات بتواند به داروهای جدید و سیستم‌های بیومیمتیک منجر شود (بیومتریک یکی دیگر از رشته‌های نوظهور علم است که در آن از سیستم‌ها و ساختارهای بیولوژیکی برای ایجاد مواد و ماشین‌های جدید استفاده می‌شود).
علوم اجتماعی و رفتاری
فراتر از سطح مولکولی و سلولی، درک چگونگی تأثیر عوامل رفتاری و اجتماعی بر بیماری و سلامتی برای درک، درمان و پیشگیری از بیماری حیاتی است. تحقیق در چنین علومی یک زمینه بزرگ چند وجهی است که طیف گسترده ای از رشته ها و رویکردها را در بر می گیرد.
مفهوم یک برنامه تجزیه و تحلیل درون حرفه ای علوم زیست پزشکی، رفتاری و اجتماعی را گرد هم می آورد تا برای حل مشکلات پیچیده و فوری سلامت با هم کار کنند. تمرکز بر توسعه حوزه‌های علمی است که فرآیندهای رفتاری، زمینه‌های زیست روان‌شناختی و کاربردی را از طریق روش‌های زیر بررسی می‌کنند:
- تحقیق در مورد تأثیر بیماری یا وضعیت جسمانی بر رفتار و عملکرد اجتماعی.
- شناسایی و درک عوامل رفتاری مرتبط با شروع و سیر بیماری.
- مطالعه نتایج درمان.
- تحقیق ارتقاء سلامت و پیشگیری از بیماری.
- تجزیه و تحلیل تأثیرات نهادی و سازمانی بر سلامت.
برون شناسی
برون‌شناسان دوست دارنداقیانوس شناسان خارجی و زمین شناسان خارجی علاقه مند به مطالعه فرآیندهای طبیعی هستند که در سیارات غیر از زمین اتفاق می افتد. اکنون که اخترشناسان می توانند نگاه دقیق تری به عملکرد درونی اجرام مجاور بیندازند، به طور فزاینده ای قادر به ردیابی الگوهای جوی و آب و هوا هستند. مشتری و زحل، با سیستم‌های بالقوه فوق‌العاده بزرگ خود، کاندیدهای اصلی برای مطالعه هستند.
برای مثال، طوفان های گرد و غبار به طور منظم در مریخ رخ می دهد. در این جهت علمی و فنی، هواشناسان خارجی حتی سیارات خارج از منظومه شمسی را مطالعه می کنند. و جالب است که آنها ممکن است در نهایت نشانه‌هایی از حیات فرازمینی را در یک سیاره فرازمینی با شناسایی نشانه‌های آلی در جو یا سطوح بالای دی اکسید کربن پیدا کنند - نشانه‌های احتمالی تمدن عصر صنعتی.
Nutrigenomics
Nutrigenomics که به عنوان ژنومیک مواد غذایی نیز شناخته می شود، یکی از رشته های علم اولویت است. این مطالعه بر روی تعامل پیچیده بین غذا و پاسخ DNA است. در واقع، غذا تأثیر عمیقی بر سلامت انسان دارد - و به معنای واقعی کلمه در سطح مولکولی شروع می شود. دانشمندانی که در این زمینه کار می کنند در تلاش هستند تا نقش تنوع ژنتیکی، پاسخ غذایی، و روش هایی را که مواد مغذی بر ساختار ما تأثیر می گذارند، درک کنند.
Nutrigenomics به هر دو صورت کار می کند - ژن های ما بر ترجیحات غذایی ما تأثیر می گذارند و بالعکس. هدف اصلی این حوزه از فعالیت های علمی ایجاد تغذیه شخصی - مقایسه چه چیزی استآنچه می خوریم، با ساختار ژنتیکی منحصر به فرد خودمان.
اقتصاد شناختی
اقتصاد معمولاً در مورد دانش عمیق نیست، اما ممکن است با ادغام این رشته با رشته های تحقیقاتی سنتی، این موضوع تغییر کند. نباید با اقتصاد رفتاری (مطالعه روش انجام کارها - آنچه انجام می دهیم - در چارچوب تصمیم گیری اقتصادی) اشتباه شود، اقتصاد شناختی به نحوه تفکر ما می پردازد. لی کالدول، که در مورد این منطقه وبلاگ می نویسد، آن را اینگونه تعریف می کند:
"اقتصاد شناختی (یا امور مالی) … به آنچه در ذهن افراد هنگام انتخاب می گذرد نگاه می کند. ساختار درونی تصمیم گیری چیست، اطلاعات چگونه وارد آگاهی می شود و چگونه پردازش می شود، و سپس در نهایت، چگونه همه این فرآیندها در رفتار ما بیان می شود؟"
به نحوی دیگر، اقتصاد شناختی فیزیک است که اقتصاد رفتاری آن مهندسی است. برای این منظور، دانشمندانی که در این زمینه کار می کنند، تجزیه و تحلیل خود را در سطح پایین تری شروع می کنند و الگوهای خرد اساسی تصمیم گیری انسانی را برای توسعه مدلی از رفتار اقتصادی در مقیاس بزرگ تشکیل می دهند. برای کمک به آنها در انجام این کار، اقتصاددانان شناختی به حوزه های مرتبط با رشته و اقتصاد محاسباتی، و همچنین خطوط اصلی تحقیقات علمی و فناوری در عقلانیت و نظریه تصمیم نگاه می کنند.
