แนวโน้มทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่เป็นความพยายามที่ใหญ่และกว้างขวาง ซึ่งห้องปฏิบัติการหลายพันแห่งทั่วโลกกำลังศึกษาสาขาวิชาเฉพาะทางของตนเองจากภาพรวมที่ใหญ่กว่ามาก เป็นการผสมผสานทางตรรกะของมรดกทางวิทยาศาสตร์และความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีหลายศตวรรษเพื่อพัฒนาความเข้าใจโลกรอบตัวเรา
ต้องให้ความสนใจเป็นพิเศษกับสาขาวิชาที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้น ตั้งแต่การคำนวณทางประสาทตาไปจนถึงฟิสิกส์พลาสมาในอวกาศ มีสาขาวิชาวิทยาศาสตร์ใดบ้างและส่วนใดที่เกี่ยวข้องมากที่สุด
วิศวกรรมชีวการแพทย์และชีวฟิสิกส์
มันอาจจะดูแปลก แต่ปัญหาบางอย่างในการแพทย์สามารถแก้ไขได้ด้วยความช่วยเหลือของเทคโนโลยีเท่านั้น วิศวกรรมชีวการแพทย์เป็นสาขาวิชาที่เกิดขึ้นใหม่ซึ่งครอบคลุมพื้นที่ที่หลากหลาย เช่น วิศวกรรมโปรตีน ระบบการวัด และการถ่ายภาพด้วยแสงความละเอียดสูงของอะตอมและสิ่งมีชีวิตทั้งหมด ความปรารถนานี้สำหรับบูรณาการความรู้ทางกายภาพกับวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต - ความก้าวหน้าในด้านสุขภาพของมนุษย์
พื้นที่วิจัยปัจจุบัน
รวมหัวข้อการวิจัย เช่น:
- ไบโอโฟโตนิกส์ - การพัฒนาวิธีการสร้างภาพเซลล์และเนื้อเยื่อที่มีการเรืองแสง วิธีการเชิงแสงใช้เพื่อศึกษาโมเลกุลทางชีววิทยา
- ภาพหัวใจและหลอดเลือด - การพัฒนาวิธีการตรวจหาและหาปริมาณโรคหลอดเลือดหัวใจ
- ระบบชีวภาพที่ซับซ้อน - การพัฒนาเครื่องมือใหม่และแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อทำความเข้าใจระบบชีวภาพที่ซับซ้อน
- การประกอบโมเลกุล. การศึกษาโมเลกุลขนาดใหญ่ รวมทั้งการประกอบสารเชิงซ้อนที่มีหลายองค์ประกอบและเครื่องจักรระดับโมเลกุล
- การวินิจฉัยทางอิมมูโนเคมี - การสร้างเทคโนโลยีใหม่สำหรับการระบุโรค เช่น "การศึกษาในห้องปฏิบัติการ"
- การถ่ายภาพด้วยแสงแบบไม่รุกราน - การพัฒนาวิธีการวินิจฉัยแบบเรียลไทม์สำหรับการประเมินและตรวจสอบเนื้อเยื่อและอวัยวะ
ความก้าวหน้าล่าสุดรวมถึงการพัฒนาเครื่องมือสร้างภาพด้วยแสงที่มีความละเอียดสูงหลายตัวที่ออกแบบมาเพื่อสำรวจโลกด้วยกล้องจุลทรรศน์และมหภาคของเซลล์และสิ่งมีชีวิต
ชีววิทยาของเซลล์
ด้านวิทยาศาสตร์ที่สำคัญและกำลังพัฒนาอย่างต่อเนื่องอีกอย่างหนึ่งคือชีววิทยาของเซลล์ สิ่งมีชีวิตทั้งหมดประกอบด้วยหน่วยโครงสร้างและหน้าที่ ดังนั้นเซลล์ความบกพร่องมีบทบาทสำคัญในหลายโรค ตั้งแต่มะเร็งที่เกิดจากการเติบโตของเซลล์ที่ผิดปกติไปจนถึงความผิดปกติของระบบประสาทซึ่งเป็นผลมาจากการตายของเนื้อเยื่อประสาท มีหกประเด็นหลักที่ครอบคลุมระบบชีวภาพหลายระบบ:
- อะพอพโทซิส. ในทุกสิ่งมีชีวิตที่มีสุขภาพดี เซลล์ตายด้วยกระบวนการควบคุมอย่างระมัดระวังของการตายของเซลล์ที่ตั้งโปรแกรมไว้ซึ่งเรียกว่าอะพอพโทซิส เป็นเรื่องปกติสำหรับระบบทางชีววิทยาจำนวนมากที่เป็นพื้นฐานของประสาทวิทยา ภูมิคุ้มกันวิทยา การแก่และการพัฒนา และพยาธิสภาพ เช่น มะเร็ง โรคภูมิต้านตนเอง และความเสื่อม
- วงจรเซลล์ - โครงสร้างขนาดเล็กที่ทำหน้าที่ยังคงเติบโตและแบ่งแยกในลักษณะที่ควบคุมอย่างระมัดระวังตลอดชีวิตของเรา เหตุการณ์ระดับโมเลกุลและระดับเซลล์ที่ควบคุมวงจรนี้มีความสำคัญต่อโรคต่างๆ ที่การควบคุมการเจริญเติบโตตามปกติหยุดชะงัก
- ไกลโคชีววิทยา. Glycans เป็นคาร์โบไฮเดรตที่มีความสำคัญทางชีววิทยา โปรตีนที่จับกับไกลแคน (เลกติน) จะจับกับไกลแคนที่มีโครงสร้างจำเพาะและมีบทบาทสำคัญในการจดจำเซลล์ การเคลื่อนที่และการกลับไปยังเนื้อเยื่อเฉพาะ การส่งสัญญาณ การแยกความแตกต่าง การยึดเกาะของเซลล์ การเกิดโรคของจุลินทรีย์ และการรับรู้ทางภูมิคุ้มกัน
- ไมโตคอนเดรีย. ไมโตคอนเดรียที่รู้จักกันในนาม "โรงไฟฟ้า" สร้างเซลล์พลังงานที่ต้องใช้เพื่อความอยู่รอด หลีกเลี่ยงโรคจากโรคเบาหวานไปจนถึงโรคพาร์กินสัน
- Mobility - เซลล์ประสาทขนาดเล็กมากที่มีต้นกำเนิดในสมองและขยายกระบวนการไปถึงฐานของไขสันหลังจะต้องเคลื่อนโมเลกุลในระยะทางที่กว้างใหญ่เมื่อเทียบกับขนาด นักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีการและวิธีการที่หลากหลายในการศึกษาว่าเซลล์และโมเลกุลภายในและออร์แกเนลล์เคลื่อนที่อย่างไร
- การลำเลียงโปรตีน. โปรตีนถูกสร้างขึ้นในนิวเคลียสและจะต้องติดตั้งอย่างเหมาะสมเพื่อให้เป็นไปตามบทบาทของเซลล์ ดังนั้นการขนส่งโปรตีนจึงเป็นหัวใจสำคัญของระบบเซลล์ทั้งหมด และความผิดปกติของมันเกี่ยวข้องกับโรคต่างๆ ตั้งแต่ซิสติกไฟโบรซิสไปจนถึงโรคอัลไซเมอร์
พื้นฐานเซลล์ของชีวิต
พื้นฐานของเซลล์ของชีวิตอาจดูเหมือนชัดเจนในยุคปัจจุบันของชีววิทยา แต่จนกว่าการพัฒนาของกล้องจุลทรรศน์ตัวแรกในต้นศตวรรษที่สิบเก้านี่อาจเป็นเพียงเรื่องของการเก็งกำไรเท่านั้น ขนาดของเซลล์มนุษย์โดยทั่วไปนั้นเล็กกว่าเซลล์อื่นๆ ที่เรามองเห็นด้วยตาเปล่าประมาณห้าเท่า ดังนั้น ความก้าวหน้าในความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการทำงานภายในของหน่วยโครงสร้าง ซึ่งรวมถึงพยาธิสรีรวิทยาของเซลล์ ควบคู่ไปกับความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในสาขาวิทยาศาสตร์นี้ ซึ่งพร้อมสำหรับการถ่ายภาพและศึกษาข้อมูลเหล่านี้
ชีววิทยาของโครโมโซม
ด้วยความตื่นเต้นในปัจจุบันในด้านพันธุกรรม ทำให้ลืมไปได้ง่ายๆ ว่ายีนเป็นเพียงสายดีเอ็นเอสั้นๆ และเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างที่มีขนาดใหญ่กว่ามากซึ่งเรียกว่าโครโมโซม ส่วนหลังประกอบด้วย DNA ที่สลับซับซ้อนของโครมาตินซึ่งพันรอบโปรตีนที่เรียกว่าฮิสโตนและเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่ามีบทบาทสำคัญในการกำหนดว่าสิ่งมีชีวิตพัฒนา ทำงาน และมีสุขภาพดีอย่างไร
Epigenetics แท้จริงแล้ว "เหนือพันธุศาสตร์" เป็นวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมในจีโนมมากกว่าที่เกิดขึ้นได้ในระดับดีเอ็นเอของเรา ความผันผวนในการทำงานของยีนเหล่านี้รวมถึงการดัดแปลงองค์ประกอบที่อยู่รอบ ๆ พวกมัน เช่น โปรตีนฮิสโตน หรือการดัดแปลงองค์ประกอบการถอดรหัสที่ควบคุมการแสดงออกของยีน ซึ่งแตกต่างจากการเปลี่ยนแปลงของ DNA ความผันผวนของ epigenetic มักจะเป็นแบบเฉพาะรุ่น
กล่าวอีกนัยหนึ่งการเปลี่ยนแปลงของ epigenetic มักจะไม่ส่งต่อจากพ่อแม่สู่ลูก งานวิจัยที่ค่อนข้างใหม่นี้เปลี่ยนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการพัฒนาตามปกติและโรค และขณะนี้กำลังมีอิทธิพลต่อความก้าวหน้าของการรักษารุ่นต่อไป กำลังศึกษาด้านต่างๆ ได้แก่
- ความอ้วน. การเปลี่ยนแปลงทางอีพีเจเนติกในจีโนมของเราเป็นที่สงสัยว่ามีบทบาทในโรคที่ซับซ้อนของมนุษย์ เช่น การสะสมของไขมัน ทิศทางทางวิทยาศาสตร์ใหม่คือการตรวจสอบว่าปัจจัยแวดล้อมสามารถมีอิทธิพลต่อการพัฒนาของโรคได้อย่างไร
- การทดลองทางคลินิกและการพัฒนายา. บทบาทของการรักษามะเร็งด้วยอีพีเจเนติกส์ในเนื้องอกต่างๆ กำลังอยู่ในระหว่างการสำรวจ ด้วยความหวังว่าจะสามารถกำหนดเป้าหมายและ "สร้างโปรแกรมใหม่" เซลล์ที่ผิดปกติ แทนที่จะฆ่าทั้งการสร้างมะเร็งและโครงสร้างปกติเช่นเดียวกับการให้เคมีบำบัดมาตรฐาน
- ดูแลสุขภาพ. การควบคุมอาหารและการสัมผัสสารเคมีในทุกขั้นตอนของการพัฒนาสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอีพีเจเนติกส์ซึ่งสามารถเปิดหรือปิดยีนบางตัวได้ นักวิทยาศาสตร์กำลังตรวจสอบว่าองค์ประกอบเหล่านี้ส่งผลเสียต่อประชากรทั่วไปอย่างไร
- พฤติกรรมศาสตร์. การเปลี่ยนแปลงทางอีพีเจเนติกเกี่ยวข้องกับโรคต่างๆ รวมถึงการติดยาและแอลกอฮอล์ การทำความเข้าใจว่าปัจจัยแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงจีโนมสามารถชี้ให้เห็นแนวทางใหม่ในการรักษาความผิดปกติทางจิตได้อย่างไร
ชีววิทยาควอนตัม
นักฟิสิกส์รู้จักเกี่ยวกับเอฟเฟกต์ควอนตัมดังกล่าวมานานกว่าร้อยปีแล้ว เมื่ออนุภาคมาขัดต่อความรู้สึกของเรา หายไปจากที่หนึ่งแล้วปรากฏขึ้นอีกที่อื่น หรืออยู่ในสองแห่งพร้อมกัน แต่ผลกระทบเหล่านี้ไม่ได้เกิดจากการทดลองในห้องปฏิบัติการที่เป็นความลับ ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์สงสัยมากขึ้นเรื่อยๆ ว่ากลศาสตร์ควอนตัมอาจนำไปใช้กับกระบวนการทางชีววิทยาด้วย
บางทีตัวอย่างที่ดีที่สุดคือการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งเป็นระบบที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยมที่พืช (และแบคทีเรียบางชนิด) สร้างโมเลกุลที่พวกเขาต้องการโดยใช้พลังงานจากแสงแดด ปรากฎว่ากระบวนการนี้อาจขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของ "การซ้อน" ซึ่งกลุ่มพลังงานขนาดเล็กสำรวจเส้นทางที่เป็นไปได้ทั้งหมดแล้วเลือกเส้นทางที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่การนำทางของนก การกลายพันธุ์ของ DNA (ผ่านอุโมงค์ควอนตัม) และแม้แต่ประสาทสัมผัสในการดมกลิ่นของเราก็ขึ้นอยู่กับผลกระทบของควอนตัม
แม้ว่าจะเป็นเรื่องเก็งกำไรและเป็นที่ถกเถียงกันมาก แต่บรรดาผู้ที่ผู้ปฏิบัติงานกำลังรอวันที่ข้อมูลที่ได้จากการวิจัยสามารถนำไปสู่ยาใหม่และระบบไบโอมิเมติกส์ (ไบโอเมตริกซ์เป็นอีกสาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์ที่เกิดขึ้นใหม่ซึ่งระบบและโครงสร้างทางชีววิทยาถูกนำมาใช้เพื่อสร้างวัสดุและเครื่องจักรใหม่)
สังคมศาสตร์และพฤติกรรมศาสตร์
นอกเหนือจากระดับโมเลกุลและระดับเซลล์ การทำความเข้าใจว่าปัจจัยทางพฤติกรรมและสังคมมีอิทธิพลต่อโรคและสุขภาพอย่างไรนั้นมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจ การรักษา และการป้องกันโรค การวิจัยในสาขาวิทยาศาสตร์ดังกล่าวเป็นสาขาวิชาที่หลากหลาย ครอบคลุมสาขาวิชาและแนวทางที่หลากหลาย
แนวคิดของโปรแกรมการวิเคราะห์ภายในวิชาชีพนำวิทยาศาสตร์ชีวการแพทย์ พฤติกรรมและสังคมศาสตร์มาทำงานร่วมกันเพื่อแก้ปัญหาสุขภาพที่ซับซ้อนและเร่งด่วน มุ่งเน้นไปที่การพัฒนาด้านวิทยาศาสตร์ที่สำรวจกระบวนการทางพฤติกรรม ชีวจิตวิทยา และสาขาประยุกต์โดยใช้วิธีการต่อไปนี้:
- วิจัยผลกระทบของโรคหรือสภาพร่างกายต่อพฤติกรรมและการทำงานทางสังคม
- การระบุและความเข้าใจปัจจัยทางพฤติกรรมที่เกี่ยวข้องกับการเริ่มป่วยและหลักสูตรการเจ็บป่วย
- การศึกษาผลการรักษา
- วิจัยส่งเสริมสุขภาพและป้องกันโรค
- การวิเคราะห์ผลกระทบของสถาบันและองค์กรต่อสุขภาพ
วิปัสสนาวิทยา
นักอุตุนิยมวิทยาชอบนักสมุทรศาสตร์และนักธรณีวิทยาต่างประเทศสนใจที่จะศึกษากระบวนการทางธรรมชาติที่เกิดขึ้นบนดาวเคราะห์ดวงอื่นที่ไม่ใช่โลก ตอนนี้นักดาราศาสตร์สามารถมองเห็นการทำงานภายในของวัตถุใกล้เคียงได้ละเอียดยิ่งขึ้น พวกเขาสามารถติดตามรูปแบบบรรยากาศและสภาพอากาศได้มากขึ้น ดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ที่มีระบบศักยภาพขนาดใหญ่อย่างเหลือเชื่อคือตัวเลือกหลักสำหรับการศึกษา
เช่น พายุฝุ่นบนดาวอังคารเป็นประจำ ในทิศทางทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิคนี้ นักอุตุนิยมวิทยาศึกษาแม้แต่ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะของเรา และที่น่าสนใจคือ ในที่สุด พวกเขาอาจพบสัญญาณของชีวิตนอกโลกบนดาวเคราะห์นอกระบบด้วยการตรวจจับลายเซ็นอินทรีย์ในชั้นบรรยากาศหรือระดับคาร์บอนไดออกไซด์ที่สูงขึ้น ซึ่งอาจเป็นสัญญาณของอารยธรรมยุคอุตสาหกรรม
สารอาหารทางโภชนาการ
Nutrigenomics หรือที่รู้จักในชื่อ genomics ของอาหาร เป็นสาขาวิชาวิทยาศาสตร์ที่มีความสำคัญ นี่คือการศึกษาความสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างอาหารกับการตอบสนองของ DNA แท้จริงแล้วอาหารมีผลอย่างมากต่อสุขภาพของมนุษย์ - และมันเริ่มต้นอย่างแท้จริงที่ระดับโมเลกุล นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานในสาขานี้กำลังพยายามทำความเข้าใจบทบาทของความแปรปรวนทางพันธุกรรม การตอบสนองของอาหาร และวิธีที่สารอาหารส่งผลต่อโครงสร้างของเรา
Nutrigenomics ทำงานได้ทั้งสองทาง - ยีนของเรามีอิทธิพลต่อความชอบด้านอาหารของเราและในทางกลับกัน เป้าหมายหลักของกิจกรรมทางวิทยาศาสตร์ในด้านนี้คือการสร้างโภชนาการส่วนบุคคล - การเปรียบเทียบอะไรสิ่งที่เรากินด้วยโครงสร้างทางพันธุกรรมที่เป็นเอกลักษณ์ของเราเอง
เศรษฐศาสตร์ความรู้ความเข้าใจ
เศรษฐศาสตร์มักไม่เกี่ยวกับความรู้เชิงลึก แต่สิ่งนี้อาจเปลี่ยนแปลงได้เมื่อสาขานี้รวมเข้ากับสาขาวิชาการวิจัยแบบดั้งเดิม เพื่อไม่ให้สับสนกับเศรษฐศาสตร์เชิงพฤติกรรม (การศึกษาวิธีการทำสิ่งต่าง ๆ ของเรา - สิ่งที่เราทำ - ในบริบทของการตัดสินใจทางเศรษฐกิจ) เศรษฐศาสตร์ความรู้ความเข้าใจคือวิธีที่เราคิด Lee Caldwell ผู้เขียนบล็อกเกี่ยวกับพื้นที่ดังกล่าว ให้คำจำกัดความดังนี้:
"เศรษฐศาสตร์ความรู้ความเข้าใจ (หรือการเงิน) … พิจารณาสิ่งที่เกิดขึ้นจริงในใจของบุคคลเมื่อพวกเขาทำการเลือกนั้น โครงสร้างภายในของการตัดสินใจคืออะไร ข้อมูลเข้าสู่จิตสำนึกอย่างไร และประมวลผลอย่างไร จากนั้น ท้ายที่สุดแล้ว กระบวนการทั้งหมดนี้แสดงออกอย่างไรในพฤติกรรมของเรา"
ในอีกทางหนึ่งเศรษฐศาสตร์ความรู้ความเข้าใจคือฟิสิกส์ซึ่งเศรษฐศาสตร์เชิงพฤติกรรมเป็นวิศวกรรม ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานในสาขานี้จึงเริ่มการวิเคราะห์ในระดับที่ต่ำกว่า และสร้างรูปแบบย่อยพื้นฐานของการตัดสินใจของมนุษย์เพื่อพัฒนาแบบจำลองของพฤติกรรมทางเศรษฐกิจในวงกว้าง เพื่อช่วยให้พวกเขาทำเช่นนี้ นักเศรษฐศาสตร์แห่งความรู้ความเข้าใจจะดูที่สาขาที่เกี่ยวข้องของวินัยและเศรษฐศาสตร์คอมพิวเตอร์ ตลอดจนแนวหลักของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในทฤษฎีความมีเหตุผลและการตัดสินใจ
