מגמות מדעיות מודרניות הן מאמץ גדול ורחב, שבו אלפי מעבדות ברחבי העולם לומדות תחום מיוחד משלהן ממכלול גדול בהרבה. זהו צומת הגיוני של מורשת מדעית ומאות שנים של התקדמות טכנולוגית כדי לקדם את ההבנה של העולם סביבנו.
יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לדיסציפלינות יותר ויותר ספציפיות, ממחשוב עצבי ברשתית ועד לפיזיקת פלזמה בחלל. אילו תחומים מדעיים קיימים ואילו מהם הרלוונטיים ביותר?
הנדסה ביו-רפואית וביופיזיקה
זה אולי נראה מוזר, אבל כמה בעיות ברפואה יכולות להיפתר רק בעזרת טכנולוגיה. הנדסה ביו-רפואית היא דיסציפלינה מתפתחת המשתרעת על פני תחומים מגוונים כמו הנדסת חלבונים, מערכות מדידה והדמיה אופטית ברזולוציה גבוהה של אטומים ואורגניזמים שלמים. הרצון הזה לשילוב של ידע פיזי עם מדעי החיים - התקדמות בבריאות האדם.
תחומי מחקר נוכחיים
כולל תחומי מחקר כגון:
- ביופוטוניקה - פיתוח שיטות להדמיה של תאים ורקמות עם פלואורסצנטיות. שיטות אופטיות משמשות לחקר מולקולות ביולוגיות.
- הדמיית לב וכלי דם - פיתוח שיטות לאיתור וכימות של מחלות לב וכלי דם.
- מערכות ביולוגיות מורכבות - פיתוח כלים חדשים ומודלים מתמטיים להבנת מערכות ביולוגיות מורכבות.
- הרכבה מקרומולקולרית. חקר מקרומולקולות, כולל הרכבה של קומפלקסים מרובי רכיבים ומכונות מולקולריות.
- אבחון אימונוכימי - יצירת טכנולוגיות חדשות לזיהוי מחלות, כגון "מחקרי מעבדה".
- הדמיה אופטית לא פולשנית - פיתוח שיטות אבחון בזמן אמת להערכה וניטור רקמות ואיברים.
ההתקדמות האחרונה כוללת פיתוח של כמה כלי הדמיה אופטיים ברזולוציה גבוהה שנועדו לחקור את העולמות המיקרוסקופיים והמקרוסקופיים של תאים ואורגניזמים.
ביולוגיה של התא
עוד תחום מדעי חשוב ומתפתח כל הזמן הוא ביולוגיה של התא. כל היצורים החיים עשויים מיחידות מבניות ותפקודיות. לפיכך, סלולרלמחסור יש תפקיד קריטי במחלות רבות, החל מסרטן הנגרם כתוצאה מצמיחה לא תקינה של תאים ועד להפרעות נוירודגנרטיביות הנובעות ממוות של רקמת עצב. ישנם שישה אזורי מפתח המשתרעים על מספר מערכות ביולוגיות:
- אפופטוזיס. בכל אורגניזם בריא, תאים מתים באמצעות תהליך מווסת בקפידה של מוות תאי מתוכנת המכונה אפופטוזיס. זה משותף למערכות ביולוגיות רבות שהן בסיסיות למדעי המוח, אימונולוגיה, הזדקנות והתפתחות, ופתולוגיות כגון סרטן, מחלות אוטואימוניות ומחלות ניווניות.
- מחזור התא - מבנים מיני מתפקדים ממשיכים לגדול ולהתחלק בצורה מבוקרת בקפידה לאורך חיינו. האירועים המולקולריים והתאיים המווסתים מחזור זה הם קריטיים למחלות רבות שבהן ויסות גדילה תקין מופרע.
- גליקוביולוגיה. גליקנים הם מחלקה חשובה ביולוגית של פחמימות. חלבונים קושרי גליקן (לקטינים) נקשרים לגליקנים מבניים ספציפיים וממלאים תפקיד קריטי בזיהוי תאים, תנועתיות והחזרה לרקמות ספציפיות, איתות, התמיינות, היצמדות תאים, פתוגנזה מיקרוביאלית והכרה אימונולוגית.
- מיטוכונדריה. הידוע בתור אבני הבניין של "בית הכוח", המיטוכונדריה מספקות את תאי האנרגיה שצריך להשתמש בהם כדי לשרוד, תוך הימנעות ממחלות מסוכרת ועד פרקינסון.
- ניידות - תא עצב מיקרוסקופי שמקורו במוח ומרחיב את תהליכיו עד לבסיס חוט השדרה חייב להעביר מולקולות למרחקים עצומים בהשוואה לגודלו. מדענים משתמשים במגוון שיטות וגישות כדי לחקור כיצד תאים והמולקולות והאברונים הפנימיים שלהם נעים.
- תחבורה של חלבונים. חלבונים מיוצרים בגרעין ולאחר מכן יש לאחסן אותם כראוי על מנת למלא את תפקידיהם התאיים. לפיכך, הובלת חלבון היא מרכזית בכל מערכות התא, וחוסר תפקוד שלה קשור למחלות החל מסיסטיק פיברוזיס ועד מחלת אלצהיימר.
הבסיס הסלולרי של החיים
הבסיס הסלולרי של החיים אולי נראה ברור בעידן המודרני של הביולוגיה, אבל עד להתפתחות המיקרוסקופים הראשונים בתחילת המאה התשע-עשרה, זה יכול היה להיות רק עניין של ספקולציות. גודלו של תא אנושי טיפוסי קטן בערך פי חמישה מכל דבר שאנו יכולים לראות בעין בלתי מזוינת. לכן, התקדמות בהבנתנו את פעולתן הפנימית של יחידות מבניות, כולל פתופיזיולוגיה תאית, הולכת יד ביד עם התקדמות בטכנולוגיות של תחום מדעי זה, הזמינות להדמיה וללימודן.
ביולוגיה של כרומוזומים
עם ההתרגשות הנוכחית סביב תחום הגנומיקה, קל לשכוח שגנים הם רק קטעים קצרים של DNA וחלק ממבנים הרבה יותר גדולים הנקראים כרומוזומים. האחרונים מורכבים מגדילים מורכבים של כרומטין של DNA עטופים סביב חלבונים הנקראים היסטונים, וידועים כיום כממלאים תפקיד חשוב לא פחות בקביעת האופן שבו אורגניזמים מתפתחים, מתפקדים ונשארים בריאים.
אפיגנטיקה, מילולית "מעל הגנטיקה", הוא המדע החוקר שינויים סביבתיים בגנום מעבר לאלו שיכולים להתרחש ברמת ה-DNA שלנו. תנודות אלו בפעילות הגנים כוללות שינויים באלמנטים הסובבים אותם, כגון חלבוני היסטון, או שינויים באלמנטים תעתיקים השולטים בביטוי הגנים. בניגוד לשינויים ב-DNA, תנודות אפיגנטיות הן בדרך כלל ספציפיות לדור.
במילים אחרות, שינויים אפיגנטיים אינם מועברים בדרך כלל מהורה לילד. קו מחקר חדש יחסית זה שינה את ההבנה שלנו הן לגבי התפתחות תקינה והן לגבי מחלות, וכעת הוא משפיע על התקדמות הדור הבא של טיפולים. מגוון תחומים נבדקים, כולל:
- השמנה. שינויים אפיגנטיים בגנום שלנו נחשדו זה מכבר כממלאים תפקיד במחלות אנושיות מורכבות כמו שקיעת שומן. כיוון מדעי חדש חוקר כיצד גורמים סביבתיים יכולים להשפיע על התפתחות המחלה.
- ניסויים קליניים ופיתוח תרופות. תפקידם של טיפולי סרטן אפיגנטי בגידולים שונים נחקר, בתקווה שהם יוכלו למקד ו"לתכנת מחדש" תאים חריגים במקום להרוג אבני בניין סרטניים ונורמליים כאחד, כמו בכימותרפיה סטנדרטית.
- טיפול רפואי. תזונה וחשיפה לכימיקלים בכל שלבי ההתפתחות עלולים לגרום לשינויים אפיגנטיים שיכולים להפעיל או לכבות גנים מסוימים. מדענים חוקרים כיצד אלמנטים אלה משפיעים לרעה על האוכלוסייה הכללית.
- מדעי ההתנהגות. שינויים אפיגנטיים קשורים למחלות רבות, כולל התמכרות לסמים ולאלכוהול. הבנה כיצד גורמים סביבתיים משנים את הגנום יכולה לשפוך אור על אפיקים חדשים לטיפול בהפרעות פסיכולוגיות.
ביולוגיה קוונטית
פיזיקאים יודעים על השפעות קוונטיות כאלה במשך יותר ממאה שנים, כאשר חלקיקים מתריסים לחושים שלנו, נעלמים ממקום אחד ומופיעים שוב במקום אחר, או נמצאים בשני מקומות בו-זמנית. אבל ההשפעות הללו אינן מיוחסות לניסויי מעבדה חשאיים. ככל שמדענים חושדים יותר ויותר שמכניקת הקוונטים עשויה לחול גם על תהליכים ביולוגיים.
אולי הדוגמה הטובה ביותר היא פוטוסינתזה, מערכת יעילה להפליא שבה צמחים (וכמה חיידקים) בונים את המולקולות שהם צריכים באמצעות אנרגיה מאור השמש. מסתבר שתהליך זה עשוי להסתמך דווקא על תופעת ה"סופרפוזיציה", שבה חבילות קטנות של אנרגיה חוקרות את כל הנתיבים האפשריים ואז מתיישבות בנתיב היעיל ביותר. ייתכן גם שניווט עופות, מוטציות DNA (באמצעות מנהור קוונטי), ואפילו חוש הריח שלנו מסתמכים על השפעות קוונטיות.
למרות שזהו תחום ספקולטיבי ושנוי במחלוקת ביותר, מיהמתרגלים מחכים ליום שבו מידע שנרכש ממחקר יכול להוביל לתרופות חדשות ולמערכות ביומימטיות (ביומטריה היא עוד תחום מתפתח של מדע שבו מערכות ומבנים ביולוגיים משמשים ליצירת חומרים ומכונות חדשים).
מדעי החברה וההתנהגות
מעבר לרמה המולקולרית והתאית, ההבנה כיצד גורמים התנהגותיים וחברתיים משפיעים על מחלות ובריאות חיונית להבנה, טיפול ומניעת מחלות. מחקר במדעים כאלה הוא תחום רב-גוני גדול, המכסה מגוון רחב של דיסציפלינות וגישות.
המושג של תוכנית ניתוח תוך מקצועי מפגיש את מדעי הביו-רפואה, ההתנהגות והחברה כדי לעבוד יחד כדי לפתור בעיות בריאות מורכבות ודחופות. ההתמקדות היא בפיתוח תחומים מדעיים החוקרים תהליכים התנהגותיים, תחומים ביו-פסיכולוגיים ויישומיים באמצעות השיטות הבאות:
- מחקר על ההשפעה של מחלה או מצב גופני על התנהגות ותפקוד חברתי.
- זיהוי והבנה של גורמים התנהגותיים הקשורים להתפרצות ולמהלך המחלה.
- מחקר של תוצאות הטיפול.
- מחקר קידום בריאות ומניעת מחלות.
- ניתוח ההשפעות המוסדיות והארגוניות על הבריאות.
Exometeorology
חריגים אוהביםאקזו-אוקיאנוגרפים ואקסוגאולוגים מעוניינים לחקור את התהליכים הטבעיים המתרחשים על כוכבי לכת שאינם כדור הארץ. כעת, כשהאסטרונומים יכולים לבחון מקרוב את פעולתם הפנימית של עצמים סמוכים, הם מסוגלים יותר ויותר לעקוב אחר דפוסי אטמוספירה ומזג אוויר. יופיטר ושבתאי, עם מערכות הפוטנציאל הגדול להפליא שלהם, הם מועמדים מעולים ללימודים.
לדוגמה, סופות אבק מתרחשות באופן קבוע על מאדים. בכיוון המדעי והטכני הזה, חוקרים אקסומטאורולוגים אפילו כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש שלנו. ומעניין, הם עשויים למצוא בסופו של דבר סימנים לחיים מחוץ לכדור הארץ על כוכב לכת על ידי זיהוי חתימות אורגניות באטמוספרות או רמות גבוהות של פחמן דו חמצני - סימנים אפשריים של תרבות עידן תעשייתי.
Nutrigenomics
Nutrigenomics, הידועה גם בשם גנומיקת מזון, היא תחום עדיפות במדע. זהו מחקר של יחסי הגומלין המורכבים בין מזון לתגובת DNA. אכן, למזון יש השפעה עמוקה על בריאות האדם – והוא מתחיל ממש ברמה המולקולרית. מדענים העוסקים בתחום זה שואפים להבין את תפקיד השונות הגנטית, התגובה התזונתית והדרכים שבהן חומרים מזינים משפיעים על המבנים שלנו.
Nutrigenomics פועלת לשני הכיוונים - הגנים שלנו משפיעים על העדפות התזונה שלנו ולהיפך. המטרה העיקרית של תחום פעילות מדעי זה היא יצירת תזונה מותאמת אישית - השוואה של מהמה שאנחנו אוכלים, עם החוקות הגנטיות הייחודיות שלנו.
כלכלה קוגניטיבית
כלכלה לא עוסקת בדרך כלל בידע עמוק, אבל זה עשוי להשתנות ככל שהתחום משתלב עם דיסציפלינות מחקר מסורתיות. לא להתבלבל עם כלכלה התנהגותית (חקר הדרך שלנו לעשות דברים - מה שאנחנו עושים - בהקשר של קבלת החלטות כלכליות), כלכלה קוגניטיבית עוסקת באיך אנחנו חושבים. לי קאלדוול, שכותב בלוג על האזור, מגדיר אותו כך:
"כלכלה קוגניטיבית (או פיננסים) … מסתכלת על מה שבאמת מתרחש במוחו של אדם כשהוא עושה את הבחירה הזו. מהו המבנה הפנימי של קבלת החלטות, כיצד מידע נכנס לתודעה וכיצד הוא מעובד, ולאחר מכן, בסופו של דבר, איך כל התהליכים האלה באים לידי ביטוי בהתנהגות שלנו?"
בדרך אחרת, כלכלה קוגניטיבית היא פיזיקה שהכלכלה ההתנהגותית שלה היא הנדסה. לשם כך, מדענים הפועלים בתחום זה מתחילים את הניתוח שלהם ברמה נמוכה יותר ויוצרים את המיקרו-דפוסים הבסיסיים של קבלת החלטות אנושית לפיתוח מודל של התנהגות כלכלית בקנה מידה גדול. כדי לעזור להם לעשות זאת, כלכלנים קוגניטיביים בוחנים את התחומים הקשורים בדיסציפלינה ובכלכלה חישובית, כמו גם את הקווים העיקריים של מחקר מדעי וטכנולוגי ברציונליות ובתורת ההחלטות.
