Βιοεπιστήμες ή επιστήμες (της) ζωής (αγγλ.: life sciences) ονομάζονται οι επιστήμες ή οι επιστημονικοί κλάδοι που περιλαμβάνουν την επιστημονική μελέτη ζωντανών οργανισμών (μικροβίων, φυτών, ζώων και ανθρώπων), αλλά και σχετικές διερευνήσεις, όπως η βιοηθική. Η βιολογία παραμένει η κεντρική επίστημη της ομάδας των βιοεπιστημών, ωστόσο οι πρόοδοι στη βιοτεχνολογία και στη μοριακή βιολογία έχουν οδηγήσει σε άνθηση πολλών ειδικότητων και διεπιστημονικών πεδίων.[1][2]
Μερικές βιοεπιστήμες ασχολούνται με ειδικότερες μορφές ζωής. Π.χ. η ζωολογία είναι η μελέτη των ζώων, ενώ η βοτανική είναι η μελέτη των φυτών. Κάποιες άλλες εστιάζουν σε πλευρές κοινές σε όλες ή τις περισσότερες μορφές ζωής, όπως η ανατομία και η γενετική. Υπάρχουν και περιοχές μελέτης των τεχνολογικών προόδων που αφορούν ζωντανούς οργανισμούς, όπως είναι η βιολογική μηχανική. Μια άλλη σημαντική, αν και ειδικότερη βιοεπιστήμη είναι αυτή που αφορά την κατανόηση του νου – η νευροεπιστήμη.
Οι βιοεπιστήμες βοηθούν στη βελτίωση της ποιότητας της ζωής και στην επιμήκυνσή της. Βρίσκουν εφαρμογή στην υγεία, στη γεωργία, στην ιατρική, στη βιομηχανία τροφίμων και στη φαρμακευτική βιομηχανία.
Υπάρχει σημαντική αλληλοεπικάλυψη πολλών εκ των περιοχών μελέτης των βιοεπιστημών.
Η βιολογία είναι ένα μεγάλο γνωσιακό πεδίο, που αποτελείται από πολλούς κλάδους και ειδικότητες. Ωστόσο, παρά την ευρύτητά της, υπάρχουν ορισμένες γενικές υποκείμενες ενοποιητικές αρχές που διέπουν όλη τη βιολογική έρευνα και γνώση, θεμελιώνοντάς την ως ενιαία και συνεκτική επιστήμη. Η βιολογία αναγνωρίζει το κύτταρο ως τη βασική μονάδα της ζωής, τα γονίδια ως τη βασική μονάδα της κληρονομικότητας, και την εξέλιξη των ειδών ως τη διαδικασία που προωθεί τη σύνθεση και τη δημιουργία νέων ειδών. Σήμερα είναι επίσης κατανοητό ότι όλοι οι οργανισμοί επιβιώνουν καταναλώνοντας και μετασχηματίζοντας ενέργεια, ρυθμίζοντας έτσι το εσωτερικό τους ώστε να διατηρούν σταθερές συνθήκες εκεί. Οι κυριότεροι κλάδοι της βιολογίας είναι οι εξής:
Ανατομία: μελέτη της μορφολογίας και της λειτουργίας των μερών στα ζώα, στα φυτά και ειδικότερα στον άνθρωπο
Βιοχημεία: μελέτη των χημικών αντιδράσεων που απαιτούνται για την ύπαρξη και τη λειτουργία της ζωής, επικεντρωμένη συνήθως στο κυτταρικό επίπεδο
Βιολογική μηχανική: μελέτη της βιολογίας με χρήση μηχανικών προτύπων (μοντέλων), με έμφαση στην εφαρμοσμένη γνώση και ιδιαίτερη σχέση με τη βιοτεχνολογία
Βιοπληροφορική: διεπιστημονικό πεδίο που αναπτύσσει μεθόδους για την αποθήκευση, την ανάκτηση, την οργάνωση και την ανάλυση βιολογικών δεδομένων. Μία μεγάλη δραστηριότητα της βιοπληροφορικής είναι η ανάπτυξη εργαλείων λογισμικού για την παραγωγή χρήσιμης βιολογικής γνώσεως.
Βιομαθηματικά: η μαθηματική αναπαράσταση, μελέτη και προτυποποίηση των βιολογικών διαδικασιών, με χρήση τεχνικών και εργαλείων των εφαρμοσμένων μαθηματικών
Βιομηχανική: μελέτη της μηχανικής των ζωντανών οργανισμών
Βιοϊατρική: ερευνητική μελέτη της υγείας και της ασθένειας
Βιοφυσική: μελέτη των βιολογικών διεργασιών με την εφαρμογή των θεωριών και των μεθόδων της φυσικής και των άλλων φυσικών επιστημών
Κυτταρική βιολογία: μελέτη του ζωντανού κυττάρου ως πλήρους λειτουργικής μονάδας, και των μοριακών και γενικότερα χημικών αλληλεπιδράσεων που συμβαίνουν στο εσωτερικό του
Αναπτυξιακή βιολογία: μελέτη των διαδικασιών μέσω των οποίων σχηματίζεται ένας οργανισμός, από το ζυγωτό μέχρι την πλήρη δομή του
Οικολογία: μελέτη των αλληλεπιδράσεων των ζωντανών οργανισμών μεταξύ τους και με τα μη ζώντα τμήματα του περιβάλλοντός τους
Φυσιολογία: μελέτη της λειτουργίας των ζωντανών οργανισμών και των μερών και οργάνων τους
Βιολογία των πληθυσμών: διεπιστημονικός κλάδος της οικολογίας και της εξελικτικής βιολογίας, με χρήση εργαλείων της στατιστικής, της γενετικής και της συστηματικής βιολογίας
Δομική βιολογία: ειδικότητα της μοριακής βιολογίας, της βιοχημείας και της βιοφυσικής, που μελετά τη μοριακή δομή των βιολογικών μακρομορίων
Συνθετική βιολογία: ο σχεδιασμός και η δημουργία νέων βιολογικών οντοτήτων, όπως νέων ενζύμων και κυττάρων, ή ο επανασχεδιασμός προϋπαρχόντων βιολογικών συστημάτων (LY)
Βιολογία συστημάτων: η μελέτη της συνέργειας και των αλληλοεξαρτήσεων των διάφορων συνιστωσών μέσα σε ένα βιολογικό σύστημα, με ιδιαίτερη εστίαση στον ρόλο των μεταβολικών μονοπατιών και των στρατηγικών των κυτταρικών σημάτων στη φυσιολογία
Τοξικολογία: μελέτη των συνεπειών εκθέσεως ζωντανών οργανισμών σε χημικούς παράγοντες
Ζωολογία: μελέτη των ζώων (ταξινόμηση, φυσιολογία, ανάπτυξη, συμπεριφορά)
Η ιατρική και η νοσηλευτική είναι η κατεξοχήν εφαρμοσμένες επιστήμες και σύνολο τεχνικών και μεθόδων που αφορούν τη διάγνωση, τη θεραπεία/αντιμετώπιση και την πρόληψη ασθενειών. Συμπεριλαμβάνει τη φροντίδα υγείας. Η βιοϊατρική είναι ο κλάδος που τη συνδέει με τη βιολογία και ορίζεται ως βιοεπιστήμη. Σχετίζεται με την ικανότητα του ανθρώπινου οργανισμού να αντεπεξέρχεται στο περιβαλλοντικό στρες. Αντιθέτως, οι βιοϊατρικές επιστήμες είναι ένα σύνολο εφαρμοσμένων επιστημών που χρησιμοποιούν γνώσεις των βιοεπιστημών για να αναπτύξουν τεχνολογίες και μεθόδους, οι οποίες μπορούν να εφαρμοσθούν στη φροντίδα υγείας ή στη Δημόσια Υγεία.[3] Παραδείγματα βιοϊατρικών επιστημών είναι η ιατρική μικροβιολογία, η κλινική ιολογία, η κλινική και γενετική επιδημιολογία και η βιοϊατρική τεχνολογία ή βιοϊατρική μηχανική. Ωστόσο, η παθοφυσιολογία, καθώς ερμηνεύει τους μηχανισμούς της φυσιολογίας που λειτουργούν σε παθολογικές διεργασίες, μπορεί να θεωρηθεί ως βασική επιστήμη ή ως κλάδος της ιατρικής. Παραθέτουμε και μερικούς κλασικούς κλάδους της ιατρικής (με αλφαβητική σειρά):
Φαρμακολογία: ασχολείται με τη μελέτη και την πρακτική της παρασκευής, της χρήσεως και των επιδράσεων των φυσικών και συνθετικών φαρμάκων.
Χειρουργική: ασχολείται με τις επεμβατικές τεχνικές για τη θεραπεία (ή και τη διερεύνηση) ασθενειών ή τραυμάτων, ή και για τη βελτίωση σωματικών λειτουργιών ή της εμφανίσεως. Σήμερα υποδιαιρείται σε επιμέρους ειδικότητες.
Ωτορινολαρυγγολογία: ασχολείται με τα αυτιά, τη μύτη, τον λάρυγγα και τις παθήσεις τους.
Νέοι σχετικώς κλάδοι της ιατρικής είναι, μεταξύ άλλων, η αθλητιατρική, που ασχολείται με την αντιμετώπιση τραυμάτων και παθήσεων των αθλητών, και η εντατικολογία, που ασχολείται με την υποστήριξη ζωής και την αντιμετώπιση σοβαρών καταστάσεων στις μονάδες εντατικής θεραπείας.
Τμήματα του εγκεφάλου που συμμετέχουν σε μια συγκινησιακή πειρατεία φόβου από οπτικό ερέθισμα.
Νέοι κλάδοι εμφανίσθηκαν τις λίγες τελευταίες δεκαετίες, κυρίως εξαιτίας της προόδου της τεχνολογίας σε σχετικούς τομείς. Μερικά από τα νέα πεδία είναι αρκετά καινοτόμα και ρηξικέλευθα. Ο παρακάτω κατάλογος δίνει κάποιους νεοφυείς κλάδους και πεδία μελέτης:
Βιοϋπολογιστική: η ανάπτυξη συστημάτων βιολογικών μορίων, όπως είναι το DNA και οι πρωτεΐνες, που θα μπορούν να εκτελούν υπολογισμούς, να αποθηκεύουν, να ανακαλούν και να επεξεργάζονται δεδομένα. Η κατασκευή βιοϋπολογιστών έχει καταστεί δυνατή από την πρόοδο του νέου κλάδου της νανοβιοτεχνολογίας.
Η σφήκα Encarsia formosa ήταν ένας από τους πρώτους οργανισμούς που χρησιμοποιήθηκαν ως βιολογικά εντομοκτόνα.
Βιοέλεγχος: η μέθοδος καταπολεμήσεως βλαβερών εντόμων, ζιζανίων και ασθενειών των φυτών με χρήση άλλων ζωντανών οργανισμών.[5]
Βιοηλεκτρονική: καθώς η δομή και λειτουργία βιολογικών υλικών και συστημάτων επηρεάζεται από τον ηλεκτρισμό (π.χ. το μεμβρανικό δυναμικό, η μεταφορά σήματος από τους νευρώνες ή το ισοηλεκτρικό σημείο), μικρο- και νανο-ηλεκτρονικά μέρη και συσκευές συνδυάζονται όλο και περισσότερο με βιολογικά συστήματα[6] όπως ιατρικά εμφυτεύματα, βιοαισθητήρες, κλπ., προκαλώντας τη δημιουργία αυτού του νέου επιστημονικού-τεχνολογικού κλάδου.
Βιοϋλικά: κάθε υλικό, επιφάνεια ή κατασκευή που αλληλεπιδρά με βιολογικά συστήματα. Η επιστημονική μελέτη τους άρχισε πριν από μισό αιώνα περίπου και σήμερα πολλές εταιρείες επενδύουν μεγάλα ποσά στην ανάπτυξη νέων προϊόντων βιοϋλικών. Η επιστήμη των βιοϋλικών ενσωματώνει στοιχεία από τη βιολογία, την ιατρική, τη χημεία, τη μηχανική των ιστών και την επιστήμη των υλικών.
Βιοπολυμερή: τα πολυμερή υλικά που παράγονται από ζωντανούς οργανισμούς, δηλαδή πολυμερή βιομόρια. Υπάρχουν τρεις κύριες κατηγορίες βιοπολυμερών, ανάλογα με τις μονάδες (μονομερή) τους και την πολυμερική δομή τους: τα πολυνουκλεοτίδια (RNA και DNA), που αποτελούνται από 13 ή περισσότερα μονομερή νουκλεοτίδια, τα πολυπεπτίδια (αλυσίδες αμινοξέων), και οι πολυσακχαρίτες.[7][8]
Γνωστική νευροεπιστήμη: η μελέτη των βιολογικών υποστρωμάτων της νοήσεως, με έμφαση στη νευρολογική βάση των νοητικών διεργασιών. Θέτει το ερώτημα του πώς παράγονται οι ψυχολογικές και νοητικές λειτουργίες από τον εγκέφαλο. Η γνωστική νευροεπιστήμη μπορεί να θεωρηθεί κλάδος τόσο της ψυχολογίας, όσο και της νευροεπιστήμης, και έχει κοινά πεδία με τη γνωστική ψυχολογία και τη νευροψυχολογία.[9]
Επιστήμη των τροφίμων: η επιστημονική μελέτη των τροφών, που βρίσκει εφαρμογές στην ανάπτυξη νέων προϊόντων διατροφής, τον σχεδιασμό μεθόδων παραγωγής και συντηρήσεως αυτών των τροφίμων, τη μελέτη των επιδράσεων των τροφών στο ανθρώπινο σώμα, την αξιολόγηση νέων προϊόντων, καθώς και τον μικροβιολογικό, φυσικό (υφή, ιξώδες, κλπ.) και χημικό έλεγχό τους.
Γονιδιωματική: η μελέτη της εφαρμογής μεθόδων ανασυνδυασμένου DNA, προσδιορισμού ακολουθιών DNA και βιοπληροφορικής για την αποκρυπτογράφηση και την ανάλυση της λειτουργίας γονιδιωμάτων (δηλαδή του πλήρους συνόλου των μορίων DNA μέσα σε ένα κύτταρο ενός οργανισμού).[11][12] Συμπεριλαμβάνονται μελέτες διαγονιδιωματικών φαινομένων, όπως είναι η ετέρωση, η επίσταση, η πλειοτροπία και άλλες αλληλεπιδράσεις γονιδίων.[13] Αντιθέτως, η διερεύνηση του ρόλου και των λειτουργιών μεμονωμένων γονιδίων είναι βασικό αντικείμενο της γενετικής και της μοριακής βιολογίας. Η έρευνα αυτή δεν εμπίπτει στη γονιδιωματική, εκτός και αν σκοπός αυτής της αναλύσεως πληροφοριών είναι η διαλεύκανση των επιδράσεων του γονιδίου, της θέσεώς του και της αποκρίσεώς του στο δίκτυο ολόκληρου του γονιδιώματος.[14][15]
Ανοσογενετική: η μελέτη των σχέσεων του ανοσοποιητικού συστήματος με τη γενετική. Αυτοάνοσες παθήσεις, όπως ο διαβήτης τύπου 1, αποτελούν σύνθετες γενετικές τάσεις, που προκαλούνται από ελαττώματα στο ανοσοποιητικό σύστημα. Η ταυτοποίηση των γονιδίων που ορίζουν αυτά τα ελαττώματα μπορεί να ανοίξει τον δρόμο για νέες θεραπευτικές προσεγγίσεις. Εναλλακτικά, οι γενετικές παραλλαγές μπορούν επίσης να βοηθήσουν στον προσδιορισμό του ανοσολογικού μονοπατιού που οδηγεί στις παθήσεις αυτές.
Ανοσοθεραπεία: η θεραπευτική μέθοδος που βασίζεται στη διέγερση ή στην καταστολή αποκρίσεων του ανοσοποιητικού συστήματος του οργανισμού.[16]
Κινησιολογία: η επιστημονική μελέτη της ανθρώπινης κινήσεως. Περιλαμβάνει τη μελέτη των φυσιολογικών, των μηχανικών και των ψυχολογικών διεργασιών που την αφορούν. Οι εφαρμογές της περιλαμβάνουν την αποκατάσταση τραυματισμών, την άσκηση και τον αθλητισμό, τη βιομηχανική και την ορθοπεδική.[17]
Μαγνητική τομογραφία της κεφαλής με ανάμιξη διαφορετικών σημάτων (η μύτη και το μέτωπο εμφανίζονται στο πίσω μέρος).
Ακτινοδιαγνωστική: η τεχνική και η διαδικασία της δημιουργίας εικόνων του σώματος ή μερών του για ιατρικούς σκοπούς ή για τη διερεύνηση της ανατομίας ή της φυσιολογίας του οργανισμού. Παραδείγματα τέτοιων απεικονίσεων αποτελούν[18]:
Νευροηθολογία: η συγκριτική και εξελικτική μελέτη της συμπεριφοράς των ζώων με βάση την κατανόηση του νευρικού τους συστήματος.[19]
Οπτογενετική: η μέθοδος της νευροεπιστήμης που εφαρμόζει έναν συνδυασμό τεχνικών από την οπτική και τη γενετική για να ελέγξει και να παρακολουθήσει τη δραστηριότητα μεμονωμένων νευρώνων μέσα σε ζωντανό ιστό, ακόμα και μέσα σε ελευθέρως κινούμενα ζώα, και για να μετρήσει με ακρίβεια τα αποτελέσματα αυτών των χειρισμών σε πραγματικό χρόνο.[20] Τα αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται στην οπτογενετική είναι κυρίως φωτοευαίσθητες πρωτεΐνες.
Πληθυσμιακή δυναμική (population dynamics): η μελέτη των βραχυπρόθεσμων και μακροπρόθεσμων μεταβολών στο μέγεθος και στην ηλικιακή σύνθεση πληθυσμών, μαζί με τους βιολογικούς και τους περιβαλλοντικούς παράγοντες και διεργασίες που τις επηρεάζουν.
Πρωτεϊνομική (proteomics): η μελέτη μεγάλης κλίμακας των πρωτεϊνών, και ειδικότερα της δομής και των λειτουργιών τους.[23][24]
↑«Life Sciences». Empire State Development Corporation. Government of New York. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 16 Δεκεμβρίου 2013. Ανακτήθηκε στις 3 Φεβρουαρίου 2014.
↑Panksepp J (1992). «A role for "affective neuroscience" in understanding stress: the case of separation distress circuitry». Στο: Puglisi-Allegra S, Oliverio A, επιμ. Psychobiology of Stress. Dordrecht: Kluwer Academic. σελίδες 41–58. ISBN0-7923-0682-1.
↑«What is computational neuroscience?», άρθρο των Patricia S. Churchland, Christof Koch, Terrence J. Sejnowski στο Computational Neuroscience, σσ. 46-55, MIT Press 1993
↑National Human Genome Research Institute (8 Νοεμβρίου 2010). «A Brief Guide to Genomics». Genome.gov. Ανακτήθηκε στις 3 Δεκεμβρίου 2011.
↑«Proteome and proteomics: new technologies, new concepts, and new words». Electrophoresis19 (11): 1853–61. 1998. doi:10.1002/elps.1150191103. PMID9740045.