Современные научные направления - это большое и широкое стремление, в котором тысячи лабораторий по всему миру изучают свою собственную узкоспециализированную область от гораздо более значительного целого. Это логическое пересечение научного наследия и многовековых технологических достижений с целью продвижения понимания окружающего нас мира.
Особое внимание должно уделяться все более специфическим дисциплинам, начиная с нейронных вычислений сетчатки и заканчивая физикой космической плазмы. Какие научные направления существуют и какие из них являются наиболее актуальными?
Биомедицинская инженерия и биофизика
Это может показаться странным, но некоторые проблемы в медицине могут быть решены только с помощью техники. Такое научное направление, как биомедицинская инженерия, - это образовавшаяся дисциплина, охватывающая такие разнообразные области, как белковая инженерия, измерительные системы и оптическая визуализация с высоким разрешением атомов и целых организмов. Это стремление к интеграции физических познаний с науками о жизни - прогресс в области здоровья человека.
Текущие области исследований
Включаются такие направления научных исследований, как:
- Биофотоника - разработка методов визуализации клеток и тканей с флуоресценцией. Применяются оптические способы для исследования биологических молекул.
- Кардиоваскулярная визуализация - создание методов выявления и количественной характеристики сердечно-сосудистых заболеваний.
- Комплексные биологические системы - разработка новых инструментов и математических моделей для понимания сложных биологических систем.
- Макромолекулярная сборка. Изучение макромолекул, включая сборку многокомпонентных комплексов и молекулярных машин.
- Иммунохимическая диагностика - создание новых технологий для идентификации болезней, например «лабораторные исследования».
- Неинвазивная оптическая визуализация - разработка диагностических методов в реальном времени для оценки и мониторинга тканей и органов.
Недавние достижения включают разработку нескольких оптических средств визуализации с высоким разрешением, предназначенных для изучения микроскопических и макроскопических миров клеток и организмов.
Биология клеток
Еще одним важным и постоянно развивающимся научным направлением является клеточная биология. Все живые существа сделаны структурно-функциональных единиц. Таким образом, клеточная недостаточность играет критическую роль во многих заболеваниях, начиная с рака, вызванного аномальным ростом клеток, до нейродегенеративных нарушений, которые являются результатом смерти нервных тканей. Выделяют шесть ключевых областей, охватывающих несколько биологических систем:
- Апоптоз. В каждом здоровом организме клетки умирают через тщательно регулируемый процесс запрограммированной гибели структурных единиц, известный как апоптоз. Он является общим для многих биологических систем, имеющих фундаментальное значение для нейробиологии, иммунологии, старения и развития, а также таких патологий, как рак, аутоиммунные и дегенеративные заболевания.
- Клеточный цикл - функционирующие мини-структуры продолжают расти и делиться тщательно контролируемым образом на протяжении всей нашей жизни. Молекулярные и клеточные события, которые регулируют данный цикл, имеют решающее значение для многих заболеваний, при которых нарушается нормальная регуляция роста.
- Гликобиология. Гликаны - биологически важный класс углеводов. Гликансвязывающие белки (лектины) объединяются с конкретными структурными гликанами и играют решающую роль в распознавании клеток, их подвижности и возвращении к определенным тканям, сигнальных процессах, дифференцировке, клеточной адгезии, микробном патогенезе и иммунологическом распознавании.
- Митохондрии. Известные как «силовые домашние» структурные единицы, митохондрии обеспечивают энергию, которую клетки должны использовать для выживания, избегая болезней, начиная с диабета и заканчивая болезнью Паркинсона.
- Подвижность - микроскопическая нервная клетка, которая возникает в мозге и расширяет свои процессы до основания спинного мозга, должна перемещать молекулы на огромные расстояния по сравнению с ее размером. Ученые используют различные методы и подходы к изучению того, как двигаются клетки и их внутренние молекулы и органеллы.
- Транспортировка белков. Белки производятся в ядре, а затем они должны правильно размещаться, чтобы выполнять свои клеточные роли. Таким образом, транспортировка протеинов является центральной для всех клеточных систем, и ее дисфункция связана с заболеваниями, начиная с кистозного фиброза и заканчивая болезнью Альцгеймера.
Клеточная основа жизни
Клеточная основа жизни может показаться очевидной в современную эпоху биологии, но до развития первых микроскопов в начале девятнадцатого века это могло быть только вопросом спекуляций. Размер типичной человеческой клетки примерно в пять раз меньше, чем все, что мы можем видеть невооруженным глазом. Поэтому прогресс в нашем понимании внутренней работы структурных единиц, включая клеточную патофизиологию, идет рука об руку с достижениями в технологиях этого научного направления, доступных для визуализации и изучения их.
Биология хромосом
При нынешнем волнении вокруг области геномики легко забыть, что гены - это просто короткие участки ДНК и часть гораздо более крупных структур, называемых хромосомами. Последние состоят из хроматин-замысловатых нитей ДНК, обернутых вокруг белков, называемых гистонами, и теперь, как известно, играют не менее важную роль в определении того, как организмы развиваются, функционируют и остаются здоровыми.
Эпигенетика, буквально «выше генетики», - это научное направление, которое занимается изучением изменений окружающей среды в геноме, выше тех, которые могут возникать на уровне нашей ДНК. Эти колебания в активности генов включают модификации элементов, окружающих их, такие как белки гистонов, или модификацию транскрипционных элементов, которые контролируют экспрессию гена. В отличие от изменений ДНК, эпигенетические колебания обычно специфичны для генерации.
Другими словами, эпигенетические изменения обычно не передаются от родителя к ребенку. Это относительно новое направление научных исследований изменило наше понимание как нормальных процессов развития, так и болезней, и в настоящее время влияет на прогресс следующего поколения методов лечения. Изучаются самые разные области, среди которых:
- Ожирение. Эпигенетические изменения в нашем геноме уже давно подозреваются в роли сложных заболеваний человека, таких как откладывание жировой ткани. Новое научное направление занимается исследованием того, каким образом факторы окружающей среды могут влиять на развитие заболевания.
- Клинические испытания и разработка лекарств. Изучается роль эпигенетических противораковых методов лечения на различных опухолях, в надежде на то, что они смогут нацелиться и «перепрограммировать» аномальные клетки, а не убивать как раковые, так и нормальные структурные единицы, как в стандартной химиотерапии.
- Здравоохранение. Диета и воздействие химических веществ на всех этапах развития могут вызывать эпигенетические изменения, которые способны включать или отключать определенные гены. Ученые исследуют, как эти элементы отрицательно влияют на население в целом.
- Поведенческая наука. Эпигенетические изменения связаны со многими заболеваниями, включая наркоманию и алкогольную зависимость. Понимание того, как факторы окружающей среды изменяют геном, может прояснить новые пути лечения психологических расстройств.
Квантовая биология
Физикам известно о таких квантовых эффектах уже более ста лет, когда частицы бросают вызов нашим чувствам, исчезая из одного места и вновь появляясь в другом или находясь в двух точках одновременно. Но эти эффекты не отнесены к тайным лабораторным экспериментам. Поскольку ученые все чаще подозревают, что квантовая механика может также применяться к биологическим процессам.
Возможно, лучшим примером является фотосинтез - замечательная эффективная система, где растения (и некоторые бактерии) строят молекулы, в которых они нуждаются, используя энергию солнечного света. Оказывается, что этот процесс может на самом деле опираться на феномен «суперпозиции», где маленькие пакеты энергии исследуют все возможные пути, а затем оседают на самом эффективном. Также возможно, что птичья навигация, мутации ДНК (через квантовое туннелирование) и даже наше обоняние опираются на квантовые эффекты.
Хотя это весьма спекулятивная и противоречивая область, те, кто ее практикуют, ждут того дня, когда информация, полученная в ходе исследований, может привести к появлению новых лекарств и биомиметических систем (биометрия - еще одно возникающее научное направление, где биологические системы и структуры используются для создания новых материалов и машин).
Социальные и поведенческие науки
Помимо молекулярного и клеточного уровня, изучение того, как поведенческие и социальные факторы влияют на болезнь и здоровье, жизненно важно для понимания, лечения и профилактики заболеваний. Исследования таких наук - это большая многогранная область, охватывающая широкий круг дисциплин и подходов.
Концепция внутрипрофессиональной анализационной программы объединяет биомедицинские, поведенческие и социальные науки для совместной работы над решением сложных и экстренных проблем в области здравоохранения. В центре внимания - развитие научных направлений, исследующих поведенческие процессы, биопсихологические и прикладные области путем следующих методов:
- Исследование влияния болезни или физического состояния на образ действий и социальное функционирование.
- Выявление и понимание поведенческих факторов, связанных с началом и течением болезни.
- Изучение результатов лечения.
- Исследования по укреплению здоровья и профилактике заболеваний.
- Анализ институциональных и организационных влияний на здоровье.
Экзометеорология
Экзометеорологи, как экзоокеанографы и экзогеологи, заинтересованы в изучении естественных процессов, происходящих на планетах, отличных от Земли. Теперь, когда астрономы могут более внимательно относиться к внутренним работам близлежащих объектов, они все чаще способны отслеживать атмосферные и погодные условия. Юпитер и Сатурн, с их невероятно большими потенциальными системами, являются первыми кандидатами на изучение.
Например, на Марсе регулярно происходят пыльные бури. В этом научно-техническом направлении экзометеорологи изучают даже планеты вне нашей Солнечной системы. И, что интересно, они могут в конечном итоге найти признаки внеземной жизни на экзопланете, обнаружив органические сигнатуры в атмосферах или повышенные уровни углекислого газа - возможные признаки цивилизации индустриального возраста.
Нутригеномика
Приоритетным научным направлением, также известным как пищевая геномика, является нутригеномика. Это исследование сложного взаимодействия между едой и реакцией ДНК. И действительно, еда оказывает глубокое влияние на здоровье человека - и оно начинается буквально на молекулярном уровне. Ученые, работающие в этой области, стремятся понять роль генетических вариаций, диетического ответа и способы, которыми питательные вещества воздействуют на наши структуры.
Нутригеномика работает в обоих направлениях - наши гены влияют на наши диетические предпочтения и наоборот. Ключевой целью этого направления научной деятельности является создание персонализированного питания - сопоставление того, что мы едим, с нашими собственными уникальными генетическими конституциями.
Когнитивная экономика
Экономика обычно не связана с глубокими познаниями, но это может измениться по мере того, как данная сфера интегрируется с традиционными исследовательскими дисциплинами. Не стоит путать это направление научной работы с поведенческой экономикой (изучение нашего образа действий - что мы делаем - в контексте принятия экономических решений), когнитивная экономика - это то, как мы думаем. Ли Кальдуэлл, который ведет блог, посвященный этой области, дает следующее определение:
"Когнитивная экономика (или финансы) ... смотрит на то, что на самом деле происходит в сознании человека, когда он делает этот выбор. Какова внутренняя структура принятия решений, как информация проникает в сознание и как она обрабатывается, а затем, в конечном счете, как все эти процессы выражаются в нашем поведении?"
Если рассматривать это по-другому, когнитивная экономика - это физика, поведенческая экономика которой имеет инженерный характер. С этой целью ученые, работающие в этой области, начинают свой анализ на более низком уровне и формируют основополагающие микрообразцы принятия человеческих решений для разработки модели крупномасштабного экономического поведения. Чтобы помочь им в этом, когнитивные экономисты рассматривают связанные области этой дисциплины и вычислительной экономики, а также основные направления научно-технических исследований в теории рациональности и принятия решений.
