نگرش بین‌رشته‌ای: وقتی زیست‌شناسی با مهندسی و رایانه دوست می‌شود
نگرش بین‌رشته‌ای چیست و چرا مهم است؟
تصور کنید می‌خواهید یک قلعه‌ی شنی بسیار بزرگ و محکم بسازید. اگر فقط از یک نوع ابزار، مثلاً یک بیل‌چه‌ی کوچک استفاده کنید، کارتان هم خیلی طول می‌کشد و هم ممکن است قلعه به راحتی فرو بریزد. اما اگر از چندین ابزار مثل بیل، سطل، آبپاش و حتی یک نقشه کمک بگیرید، هم کارتان سریع‌تر پیش می‌رود و هم نتیجه‌ی بهتری خواهید گرفت. نگرش بین‌رشته‌ای دقیقاً همین است: استفاده از ابزارها و دانش رشته‌های مختلف برای حل یک مسئله‌ی بزرگ.
در دنیای علم، زیست‌شناسی به تنهایی نمی‌تواند به همه‌ی سوالات ما پاسخ دهد. برای درک نحوه‌ی کارکرد مغز، مبارزه با بیماری‌ها یا حتی ساخت اندام‌های مصنوعی، به کمک ریاضی، فیزیک، مهندسی و علوم رایانه نیاز داریم. این همکاری به ما اجازه می‌دهد مدل‌های کامپیوتری بسازیم، دستگاه‌های دقیق طراحی کنیم و داده‌های عظیم را تحلیل کنیم.
بیوانفورماتیک: جایی که زیست‌شناسی به زبان رایانه ترجمه می‌شود
یکی از واضح‌ترین مثال‌های نگرش بین‌رشته‌ای، بیوانفورماتیک است. هر موجود زنده‌ای یک کد منحصر به فرد به نام DNA دارد. این کد مانند یک دستورالعمل بسیار طولانی است که مشخص می‌کند آن موجود چگونه ساخته شود و چگونه کار کند. DNA انسان حدود ۳ میلیارد حرف دارد! خواندن و درک این حجم عظیم از اطلاعات بدون کمک رایانه‌ها غیرممکن است.
دانشمندان علوم رایانه ابزارهای نرم‌افزاری و الگوریتم‌هایی ساخته‌اند که می‌توانند این توالی‌های ژنتیکی را سریع‌تر از هر انسانی بخوانند، مقایسه کنند و الگوهای پنهان در آن را پیدا کنند. برای مثال، در طول همه‌گیری کرونا، همین ابزارها به دانشمندان کمک کردند تا ساختار ویروس را به سرعت بررسی کنند و واکسن‌های موثری بسازند.
مهندسی بافت: ساختن اندام‌های زنده در آزمایشگاه
حتماً شنیده‌اید که بعضی از افراد برای نجات جان خود به پیوند عضو (مثل کلیه یا قلب) نیاز دارند. اما همیشه عضو اهدایی به اندازه‌ی کافی وجود ندارد. اینجاست که مهندسی بافت وارد میدان می‌شود. در این رشته، مهندسان و زیست‌شناسان با هم همکاری می‌کنند تا در آزمایشگاه، بافت‌های زنده بسازند.
آنها از داربست‌های نانویی (ساختارهای بسیار ریز) که توسط مهندسان مواد طراحی شده‌اند استفاده می‌کنند. این داربست‌ها مانند یک اسکلت بسیار کوچک عمل می‌کنند که سلول‌های زنده می‌توانند روی آن رشد کنند و به بافت تبدیل شوند. حتی از چاپگرهای سه‌بعدی مخصوص برای چاپ لایه‌به‌لایه‌ی این سلول‌ها و داربست‌ها استفاده می‌شود تا شکل دقیق یک گوش یا یک تکه غضروف ساخته شود.
| بافت/اندام ساخته شده | کاربرد | وضعیت فعلی |
|---|---|---|
| پوست | درمان سوختگی‌های شدید و زخم‌ها | موفقیت‌آمیز |
| غضروف | ترمیم آسیب‌های مفصلی و زانو | آزمایشات بالینی |
| قلب کامل | جایگزینی برای پیوند قلب | مرحله تحقیق |
رباتیک زیستی: الهام از طبیعت برای ساخت ربات‌ها
مهندسان مکانیک و رباتیک‌ساز همیشه به دنبال ایده‌های جدید برای ساخت ماشین‌های بهتر هستند. آنها اغلب به سراغ زیست‌شناسی می‌روند تا از بهترین مهندس جهان، یعنی «طبیعت»، الهام بگیرند. این شاخه را رباتیک زیستی یا بیومیمتیک می‌نامند.
برای مثال، ساختار پای یک مارمولک که می‌تواند روی سطوح صاف و عمودی هم بچسبد، الهام‌بخش ساخت پنجه‌های رباتیکی شده که می‌توانند در عملیات نجات و جستجو استفاده شوند. یا مطالعه‌ی نحوه‌ی حرکت ماهی‌ها در آب، به مهندسان کمک کرده تا زیردریایی‌ها و کاوشگرهای زیرآبی را بهینه‌تر طراحی کنند تا انرژی کمتری مصرف کرده و آرام‌تر حرکت کنند.
از ایده تا واقعیت: نمونه‌ای از یک پروژه عملی
فرض کنید دانشمندان می‌خواهند یک داروی جدید برای یک بیماری خاص پیدا کنند. در گذشته، این فرآیند شامل آزمایش هزاران ماده‌ی شیمیایی به صورت دستی بود که سال‌ها طول می‌کشید. اما امروزه با نگرش بین‌رشته‌ای، این روند کاملاً تغییر کرده است:
گام ۱ (زیست‌شناسی): زیست‌شناسان ساختار مولکولی پروتئینی که باعث بیماری می‌شود را شناسایی می‌کنند. این پروتئین مانند یک قفل است.
گام ۲ (رایانه): متخصصان علوم رایانه، یک مدل سه‌بعدی از این "قفل" می‌سازند. سپس با استفاده از هوش مصنوعی و الگوریتم‌ها، میلیون‌ها مولکول مجازی (کلیدهای احتمالی) را روی این قفل آزمایش می‌کنند تا ببینند کدام یک می‌تواند به آن متصل شود و آن را غیرفعال کند. این شبیه‌سازی که غربالگری مجازی نام دارد، در کسری از زمان آزمایشگاه واقعی انجام می‌شود.
گام ۳ (شیمی و مهندسی): چند مولکول برتر که در شبیه‌سازی نتیجه‌ی خوبی داشتند، در آزمایشگاه توسط شیمی‌دانان ساخته می‌شوند. سپس مهندسان پزشکی دستگاه‌هایی می‌سازند تا اثر این داروهای جدید را روی سلول‌های زنده در ظرف آزمایشگاه (in vitro) دقیقاً بررسی کنند.
این همکاری بین رشته‌ای، زمان کشف داروهای جدید را از سال‌ها به ماه‌ها کاهش داده و هزینه‌ها را نیز بسیار کمتر کرده است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر، دقیقاً برعکس! هدف این نیست که یک زیست‌شناس تبدیل به یک برنامه‌نویس حرفه‌ای شود یا یک مهندس برق، پزشک شود. بلکه هدف اصلی این است که متخصصان این زمینه های مختلف بتوانند با زبان یکدیگر صحبت کنند، نیازهای خود را بیان کنند و با همکاری یکدیگر، راه‌حل‌های نوآورانه خلق کنند. آنها مانند اعضای یک تیم فوتبال هستند که هر کدام در پست خود متخصصند، اما برای گل زدن باید با هم همکاری کنند.
پاسخ: قطعاً دانش‌آموزان هم می‌توانند! یک پروژه‌ی علمی ساده مثل "بررسی اثر نورهای رنگی مختلف روی رشد گیاه" را در