ΑΘΗΝΑ 2006
ΜΕ ΤΗΝ ΕΥΓΕΝΙΙΚΗ ΧΟΡΗΓΙΙΑ ΤΩΝ
2
Οργανισμοί, γονιδιώματα και εξέλιξη: Η βιολογία σε αλληλεπίδραση με τις λοιπές επιστήμες με σκοπό την κατανόηση της λειτουργίας και της προέλευσης των οργανισμών Δρ. Ι. Αλμυράντης Ομάδα Θεωρητικής Βιολογίας και Υπολογιστικής Γονιδιωματικής, Ινστ. Βιολογίας, ΕΚΕΦΕ Δ Email: yalmir@bio.demokritos.gr Στην παρουσίαση αυτή θα επιχειρηθεί μία ανασκόπηση (αναπόφευκτα αποσπασματική και επιλεκτική) της πορείας της βιολογίας, από τις απαρχές της θεωρίας της εξέλιξης μέχρι τις μέρες μας, με έμφαση στην αλληλεπίδρασή της με τις άλλες επιστήμες. Θα τονιστεί η διεπιστημονικότητα του βιολογικού αντικειμένου και θα αναζητήσουμε τις ιδέες εκείνες που έκαναν δυνατή την παρούσα «επανάσταση στη βιολογία», ενώ θα σκιαγραφήσουμε επίσης τα βήματα που σήμερα πιστεύουμε ότι ακολούθησε η «ανάδυση της ζωής» στον πλανήτη μας. Ενδεικτικά αναφέρουμε εδώ κάποια χαρακτηριστικά παραδείγματα: Πώς η θεωρία του Thomas Malthus, που διατυπώθηκε στο έργο του Essays on Population, έδωσε στον Charles Darwin την ιδέα της φυσικής επιλογής ως μηχανισμού που μπορεί να οδηγήσει στην «εξέλιξη των ειδών». Την ανακάλυψη από το L.Pasteur της οπτικής ισομέρειας και μερικές από τις επιπτώσεις αυτής της ανακάλυψης στην κατανόησή μας των οργανισμών, της εξέλιξης και του γεγονότος της ανάδυσης της ζωής στην προβιωτική Γη. Το προβιωτικό «οικοσύστημα» από τη σκοπιά των «πολύπλοκων συστημάτων μακριά από την θερμοδυναμική ισορροπία». Ο E.Shrödinger και η επίδραση των ιδεών του στην ανάπτυξη της μοριακής βιολογίας. Ο Manfred Εigen και η θεωρία του για τα πρώτα αυτοαναπαραγόμενα μόρια. Η «διπλή προέλευση της ζωής» από Πρωτεΐνες και Νουκλεϊκά οξέα, του F.Dyson. Είναι δυνατόν να ξεκίνησε η ζωή ως μία αλλαγή φάσης μακριά από την ισορροπία σε ένα κόσμο πρωτεϊνικών μορίων; (S.Kaufman) Αυτοοργάνωση και ανάδυση δομών σε φυσικοχημικά συστήματα: ένα έναυσμα για την κατανόηση της χωρικής οργάνωσης των οργανισμών; Η προσέγγιση των A.Turing και I.Prigogine. Το πρόβλημα της Υπερπληροφόρησης και πώς μπορεί η Γλωσσική Τεχνολογία να συμβάλλει στην αντιμετώπισή του Δρ. Κ. Σπυρόπουλος Ινστ. Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών, ΕΚΕΦΕ Δ Ο όγκος της πληροφορίας που διακινείται σήμερα μέσω του διαδικτύου και των ψηφιακών βιβλιοθηκών είναι τεράστιος. Η πρόσβαση όμως και αξιοποίηση εκείνης μόνο της πληροφορίας που σχετίζεται πραγματικά με τα ενδιαφέροντα και τις ανάγκες του Χρήστη είναι το πρόβλημα που μας δημιουργεί η υπερπληροφόρηση. Το πρόβλημα γίνεται ακόμη μεγαλύτερο αν λάβει κανείς υπόψη του και το ενοχλητικό και το επιβλαβές περιεχόμενο που διακινείται μέσω του διαδικτύου. Οι διαθέσιμες υπηρεσίες πρόσβασης στην πληροφορία είναι αρκετές αλλά όχι τόσο έξυπνες ώστε να ικανοποιούν ικανοποιητικά τις πραγματικές ανάγκες των χρηστών. Στην παρουσίαση θα αναδειχθεί το πρόβλημα και στη συνέχεια θα εξεταστεί η συμβολή της Γλωσσικής Τεχνολογίας για την αντιμετώπιση του προβλήματος σε διάφορα στάδια πρόσβασης της πληροφορίας που έχουν σχέση την προσκομιδή, την κατηγοριοποίηση, την εξαγωγή και σύντηξη της πληροφορίας όταν προέρχεται από πολλαπλά μέσα, λαμβάνοντας υπόψη και τα ενδιαφέροντα του 3
Χρήστη. Ταυτόχρονα θα παρουσιαστούν και τεχνικές που οδηγούν σε έξυπνες λύσεις για την αντιμετώπιση του προβλήματος Σκοτεινή Ύλη, Σκοτεινή Ενέργεια και άλλα αναπάντητα ερωτήματα Δρ. Γ. Φανουράκης Ινστ. Πυρηνικής Φυσικής, ΕΚΕΦΕ Δ Το Standard Model (Καθιερωμένο Πρότυπο), η θεωρία που καθορίζει τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης και περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις (δυνάμεις) μεταξύ τους, δεν θεωρείται πλήρης γιατί υπολείπεται ορισμένων σημαντικών στοιχείων. Πλην του σωματιδίου Higgs, που ευθύνεται για την μάζα των σωματιδίων και το οποίο αναμένεται να ανακαλυφθεί στα πειράματα του LHC στο CERN, υπάρχουν και άλλα σκοτεινά σημεία. Επίσης η θεωρία δεν περιλαμβάνει την βαρύτητα, την δύναμη που απορρέει από τις μάζες των σωμάτων και που φαίνεται να έχει πολύ μικρή συνεισφορά στον μικρόκοσμο αλλά αντίθετα κρατά τα πλανητικά συστήματα στην θέση τους. Επί πλέον η Αστροφυσική και η Κοσμολογία έχουν βρει πως το παρατηρήσιμο σύμπαν υπολείπεται ύλης και ενέργειας. Η συμπλήρωση των ατελειών του Καθιερωμένου Πρότυπου και η διαλεύκανση αυτών των μυστηρίων επιχειρείται από τις νέες θεωρίες της Υπερσυμμετρίας και των Υπερχορδών και τα νέα πειράματα της Σωματιδιακής Φυσικής. Περιβάλλoν, γονιδίωμα, ανθρώπινη συμπεριφορά και υγεία: μία συστηματική βιοπληροφορική προσέγγιση Prof. P. G. Georgopoulos Environmental and Occupational Health Sciences Institute (EOHSI), a Joint Institute of UMDNJ - Robert Wood Johnson Medical School and Rutgers University, 170 Frelinghuysen Road - Room 308, Piscataway, NJ 08854, USA Πρόσφατες εξελίξεις σε νέα επιστημονικά και τεχνολογικά πεδία όπως η βιοπληροφορική (bioinformatics), η χημειοπληροφορική (cheminformatics), τα συστήματα πληροφοριών περιβάλλοντος (enviroinformatics), η τοξικογονιδιωματική και οικογενετική (toxicogenomics and ecogenetics), η υπολογιστική τοχικολογία (computational toxicology), η μοριακή και γενετική επιδημιολογία, η βιολογία «εξωγενών παραγόντων» (exposure biology), κλπ., έχουν επιφέρει σημαντικές αλλαγές στίς μεθόδους προσέγγισης και ανάλυσης των μηχανισμών με τούς οποίους η κατάσταση και ποιότητα του περιβάλλοντος επιδρούν στην ανθρώπινη υγεία. Είναι γενικά αποδεκτό πιά, ότι η αναζήτηση των «ενόχων» μηχανισμών, πού «κρύβονται» πίσω από καθε πάθηση με περιβαλλοντικές αιτίες, πρέπει να είναι σύνθετη και η προσέγγιση διεπιστημονική, καθώς «η γενετική γεμίζει το πιστόλι και το περιβάλλον τραβάει την σκανδάλη» ( genetics loads the gun and environment pulls the trigger. ) Στόχος βέβαια είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή αποτελεσματικών στρατηγικών πρόληψης (ή και θεραπείας), και αυτό απαιτεί συστηματική κατανόηση και χαρακτηρισμό των επί μέρους «σταδίων εξέλιξης» του μηχανισμού που συνδέει την «πρωτογενή» έκλυση/εκπομπή (release) ή τη «δευτερογενή» δημιουργία (formation) τών περιβαλλοντικών παραγόντων (environmental agents/stressors), που μπορεί να είναι χημικοί, βιολογικοί ή ενεργειακοί/ραδιολογικοί, με την τελική εκδήλωση παθήσεων με περιβαλλοντικά αίτια. Τά στάδια αυτά, που συνοψίζονται στο Σχήμα 1, περιλαμβάνουν περιβαλλοντικές, «μικροπεριβαλλοντικές», και στη συνέχεια βιολογικές διεργασίες μεταφοράς και φυσικοχημικών μετασχηματισμών (transport and transformation processes), που έχουν σαν (τοξικοδυναμικές) συνέπειες διάφορες δομικές και λειτουργικές μεταβολές βιολογικών υποσυστημάτων του οργανισμού. Οι μεταβολές αυτές αφ ενός συνδέονται άμεσα με παθολογικά 4
συμπτώματα (phenotype), αφ ετέρου «ελέγχονται» από την δυναμική του γονιδιώματος (genome dynamics), δηλαδή συνδέονται με τον γονότυπο (genotype) του κάθε ανθρώπου. Συγκεκριμένοι γενετικοί πολυμορφισμοί, συνήθως μονο-νουκλεοτιδικοί πολυμορφισμοί (single nucleotide polymorphisms or SNPs), μπορεί να επηρρεάζουν σημαντικά την εξέλιξη των παραπάνω βιολογικών μεταβολών, με αποτέλεσμα την εμφάνιση σημαντικών διαφορών, από άτομο σε άτομο, στη γενετική προδιάθεση (genetic susceptibility) σε σχέση με τις παθήσεις που προκαλούνται από τους περιβαλλοντικούς παράγοντες που προαναφέρθηκαν. Η συστηματική μελέτη, σε μηχανιστικό επίπεδο (mechanistic level) ανάλυσης, τόσο των «περιβαλλοντικών» όσο και των «βιολογικών σταδίων» του Σχήματος 1 έχει καταστεί δυνατή χάρη στίς επιστημονικές, και παράλληλες τεχνολογικές, εξελίξεις των επιστημονικών πεδίων που αναφέρθηκαν στη αρχή του παρόντος σημειώματος. Πράγματι, οι εξελίξεις αυτές οδήγησαν στην ανάπτυξη εργαστηριακών τεχνικών (remote sensing, spatiotemporal positioning and tracking, imaging, nanosensors, DNA and protein microarrays, metabolomic analysis, etc.) αλλά και θεωρητικών/υπολογιστικών μεθόδων ανάλυσης δεδομένων και προσομοίωσης συστημάτων, που επιτρέπουν για πρώτη φορά την λεπτομερειακή καταγραφή και ανάλυση των παραμέτρων που προσδιορίζουν τις περιβαλλοντικές αλλά και τις βιολογικές διεργασίες των σταδίων του Σχήματος 1. Σχήμα 1. Σχηματική απεικόνιση των «σταδίων» που συνδέουν την παρουσία αρνητικών περιβαλλοντικών παραγόντων (χημικών, βιολογικών, ραδιολογικών) με την εμφάνιση παθολογικών συμπτωμάτων εξ αιτίας των παραγόντων αυτών. Τα στάδια αντιστοιχούν σε μιά «ακολουθία» ( environmental health sequence ) περιβαλλοντικών και στη συνέχεια βιολογικών διεργασιών στις οποίες μετέχουν οι περιβαλλοντικοί παράγοντες (ή «παράγωγα» τους). Πρωταρχικής σημασίας ήταν και είναι η συλλογή και οργάνωση - σε πολύ μεγάλη κλίμακα - βάσεων δεδομένων με πληροφορίες: (α) «κλασικά» περιβαλλοντικές (π.χ. δείκτες ρύπανσης και μετεωρολογικές, υδρολογικές, γεωλογικές, οικολογικές, κλπ. παράμετροι), (β) δημογραφικές, οικιστικές και ανθρωπίνων δραστηριοτήτων και συμπεριφορών, (γ) «μικροπεριβαλλοντικές», (δ) πληθυσμιακών χαρακτηριστικών φυσιολογίας και βιοδεικτών (biomarkers), και (ε) μοριακού επιπέδου (molecular level) που αφορούν δομές αλλά και δυναμικές αλληλεπιδράσεις γονιδίων, πρωτεϊνών, μεταβολικών κυκλωμάτων, κλπ. (genomic, transcriptomic, proteomic, metabolomic etc. databases). Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο όρος περιβάλλον (και περιβαλλοντικοί παράγοντες) χρησιμοποιείται πιά σε ένα γενικευμένο πλαίσιο, που αντικατοπτρίζει την πραγματικότητα της σημασίας των «πολλαπλών κλιμάκων αλληλεπιδράσεων» (multiscale interactions) σε σχέση με τον άνθρωπο και τις δραστηριότητες του. Ετσι, π.χ. διακρίνεται η ατομική/προσωπική κλίμακα («άμεσο» περιβάλλον, που περιλαμβάνει επιδράσεις διατροφής, φαρμάκων, ναρκωτικών, ενδυμάτων, καλλυντικών, κλπ.) καθώς και τα «μικροπεριβάλλοντα» των εργασιακων χώρων και των χώρων 5
κατοικίας, μεταφορικών μέσων, κλπ. Η συλλογή δεδομένων ρύπανσης (χημικής αλλά και βιολογικής και ραδιολογικής) επικεντρώνεται σήμερα σε μεγάλο βαθμό στο προσωπικό περιβάλλον και στα διάφορα «μικροπεριβάλλοντα», ενώ βέβαια οι βάσεις δεδομένων γιά «κλασικές» περιβαλλοντικές παραμέτρους (ατμόσφαιρας, υδρόσφαιρας, πεδόσφαιρας, βιόσφαιρας, κλπ.) εμπλουτίζονται συνεχώς με δεδομένα όλο και μεγαλύτερης γεωγραφικής και χρονικής ευκρίνειας (spatiotemporal resolution). Τα τελευταία χρόνια έχει επίσης αρχιζει να αναγνωρίζεται ευρύτερα και να κατανοείται καλύτερα η σημασία των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των διαφόρων περιβαλλοντικών παραγόντων που επηρρεάζουν την ανθρώπινη υγεία: οι αλληλεπιδράσεις αυτές μπορεί να είναι κρίσιμες τόσο στα περιβαλλοντικά όσο και στα βιολογικά στάδια του Σχήματος 1. Οι κλασσικές (traditional) αναλύσεις τοξικολογίας και περιβαλλοντικής επικινδυνότητας (toxicology and environmental health risk assessments) από ανάγκη απλοποιούσαν - και εξακολουθούν να απλοποιούν - το πλαίσιο της ανάλυσης, μελετώντας ξεχωριστά τον κίνδυνο γιά έναν παράγοντα ρύπανσης (η μιά ομάδα παραγόντων με παρόμοιες ιδιότητες) και ένα τρόπο έκθεσης (εισπνοή, πέψη, δερματική απορρόφηση) στον παράγοντα αυτό. Στη πραγματικότητα όμως ο κάθε άνθρωπος εκτίθεται, συνεχώς και ταυτόχρονα, σε μιά πληθώρα εν δυνάμει επικίνδυνων περιβαλλοντικών παραγόντων με πολλαπλούς τρόπους έκθεσης (aggregate and cumulative exposure to multiple agents). Η αναγνώριση του γεγονότος αυτού έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων πρωτότυπων μεθόδων καταγραφής της εκθέσης αυτής (exposure and dose monitoring) και μαθηματικών/υπολογιστικών μοντέλων προσομοίωσης, τα οποία ακολουθούν ένα «ανθρωποκεντρικό» πλαίσιο (Person-Oriented Models or POMs). Στο πλαίσιο αυτό η ανάλυση εστιάζεται στον άνθρωπο συνολικά και όχι στον ένα παράγοντα ρύπανσης. Η «ολιστική» αυτή θεώρηση χρειάζεται λεπτομερείς πληροφορίες γιά την συμπεριφορά και τις «χωροχρονικές» δραστηριότητες (που έχουν σαν αποτέλεσμα τη έκθεση σε περιβαλλοντικούς παραγοντες) αλλά και γιά την φυσιολογία και τη βιοχημεία των ατόμων που μελετώνται. Στην πράξη η συλλογή των στοχείων αυτών γιά συγκεκριμένα άτομα (individual-based analysis) γίνεται προς το παρόν μόνο σε περιωρισμένη κλίμακα (ενώ μελέτες μεγάλης κλίμακας είναι υπό σχεδιασμό). Ετσι, η ανάλυση και η υπολογιστική προσομοίωση εστιάζεται περισσότερο σε στατιστικές πληθυσμιακές αναλύσεις (population-based analyses). Η προσέγγιση αυτή, που χρησιμοποιεί υπαρκτές βάσεις δεδομένων, αναλύει «πληθυσμούς» που απαρτίζονται από «εικονικά» (virtual) ή «σύνθετα» (composite) άτομα και που «αντιπροσωπεύουν» στατιστικά πραγματικούς πληθυσμούς. Σχήμα 2. Ο συνδυασμός των ολοκληρωμένων περιβαλλοντικών/βιολογικών πληροφορικών συστημάτων MENTOR και DORIAN, που προσφέρουν μεθόδους ανάλυσης δεδομένων και προσομοίωσης, επιτρέπει μιά συνολική θεώρηση των «σταδίων» που οδηγούν από την παρουσία περιβαλλοντικών παραγόντων στην εμφάνιση παθολογικών συμπτωμάτων. Η Υπηρεσία Προστασίας Περιβάλλοντος των Η.Π.Α. (U.S. Environmental Protection Agency) αποφάσισε, μετά από ανοικτό διαγωνισμό, την καθιέρωση μιάς πρότυπης μακροπρόθεσμης ερευνητικής πανεπιστημιακής συνεργασίας ( university partnership ) με το Ινστιτούτο Επιστημών Περιβαλλοντικής και Εργασιακής Υγείας (Environmental and Occupational Health Sciences Institute, EOHSI), το οποίο είναι ένα ερευνητικό πρόγραμμα των πανεπιστημίων UMDNJ - Robert Wood Johnson Medical School και Rutgers University. Στόχος της πολύπλευρης αυτής συνεργασίας είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή ολοκληρωμένων μεθόδων γιά τη συστηματική μελέτη του συνόλου των 6
περιβαλλοντικών και βιολογικών σταδίων της «ακολουθίας περιβάλλοντος-υγείας» (environmental health sequence) του Σχήματος 1. Αποτέλεσμα της συνεργασίας αυτής είναι η ανάπτυξη δύο «συμπληρωματικών» ολοκληρωμένων περιβαλλοντικών/βιολογικών πληροφορικών συστημάτων, MENTOR και DORIAN, τα οποία συνδυάζουν συνιστώσες ανάλυσης δεδομένων και προσομοίωσης, αλλά και βάσεις δεδομένων, και λειτουργούν σε συστοιχίες (clusters) υπολογιστών λειτουργικού Linux. Το MENTOR (Modeling ENvironment for TOtal Risk studies), καλύπτει περιβαλλοντικές, μικροπεριβαλλοντικές και «μακρο-βιολογικές» (φυσιολογικές/βιοχημικές) διεργασίες, ενώ το σύστημα DORIAN (DOse-Response Information ANalysis system) καλύπτει κυρίως βιολογικές διεργασίες στο μοριακό και κυτταρικό επίπεδο (molecular and cellular level) και την «μηχανιστική σύνδεση» τους με παθολογικές «αντιδράσεις» (responses) του οργανισμού. Συγκεκριμένα, το σύστημα DORIAN χρησιμοποιεί νέες μεθόδους «τοξικο-πληροφορικής» (toxicoinformatics) για να αναλύσει τη σύνδεση αυτή σε σχέση με τη δυναμική του ανθρωπίνου γονιδιώματος (genome dynamics), και την επίδραση παραγόντων όπως η ηλικία (ιδιαίτερα οι φάσεις ανάπτυξης και γήρανσης) και η παρουσία γενετικών πολυμορφισμών στην ευαισθησία του οργανισμού σε σχέση με τους περιβαλλοντικούς παράγοντες. Τα παραπάνω συστήματα έχουν χρησιμοποιηθεί στην «πιλοτική» ανάλυση διαφόρων περιβαλλοντικών προβλημάτων στις Η.Π.Α. τα οποία, μεταξύ άλλων, περιλαμβάνουν: φωτοχημική ατμοσφαιρική ρύπανση με την ταυτόχρονη παρουσία όζοντος, αιωρουμένων σωματιδίων, και μεγάλου αριθμού οργανικών τοξικών ουσιών, όπως βενζολίου, φορμαλδεΰδης, κλπ., ατμοσφαιρική ρύπανση από πυρκαϊές κτιρίων και δασών, ρύπανση υπογείων υδάτων (από χημικούς και ραδιολογικούς ρυπαντές), έκθεση σε μίγματα βαρέων μετάλλων, μεταλλοειδών και ενώσεων τους (Hg/MeHg, Cd, Pb, Cu, As) μέσω διατροφής, εισπνοής σωματιδίων, πόσης νερού, δερματικής επαφής με χώμα και σκόνη, κλπ., έκθεση σε παρασιτοκτόνα μέσω διατροφής, εισπνοής σωματιδίων, πόσης νερού, δερματικής επαφής με χώμα και σκόνη, κλπ., Έκθεση σε οργανικούς διαλύτες, Έκθεση σε παραπροϊόντα της χλωρίωσης του νερού, κλπ. Περισσότερες πληροφορίες, σχετικές δημοσιεύσεις καθώς και δικτυακές συνδέσεις με βάσεις δεδομένων βρίσκονται στις ιστοσελίδες EnvironmentalBioinformatics.org και www.ccl.rutgers.edu. Προέλευση της ζωής: Θεωρίες και πειραματικές προσεγγίσεις Καθ. Δ. Κυριακίδη Καθηγητή Βιοχημείας του ΑΠΘ/ Προέδρου Δ.Σ. και Διευθυντή του ΕΙΕ Η ομιλία αυτή αποσκοπεί στη προσπάθεια να παρουσιαστούν οι διάφορες θεωρίες σχετικά με την προέλευση της ζωής και να εξηγηθούν διάφορες πειραματικές μαρτυρίες που είναι σήμερα δημοσιευμένες. Γίνεται μια επιστημονική ξενάγηση από το χρόνο μηδέν έως σήμερα, και συζητούνται διάφορα ερωτήματα με το πώς περίπου νομίζουμε ότι έχει προέλθει η ζωή στον πλανήτη μας. Η ζωή είναι συνυφασμένη με όλες τις ζωντανές υπάρξεις, με ή χωρίς συνείδηση, δημιουργήματα με πολύ ωραία χρώματα και εκπληκτική ποικιλομορφία. Το ζωικό βασίλειο αποτελείται περισσότερα από δέκα εκατομμύρια είδη με εκπληκτική ποικιλομορφία. Στον πλανήτη μας μόνο οι μικροοργανισμοί είναι περισσότεροι από ένα εκατομμύριο. 7
Η προσπάθειά είναι να δούμε τη ζωή ως μετάβαση από την ανόργανη στην οργανική ύλη. Ο πιο πλήρης ορισμός της ζωής είναι αυτός που περιγράφτηκε από τον Γερμανό φυσικοχημικό Μάνφρεντ Άιγκεν, που λέει ότι η ζωή είναι μια δυναμική κατάσταση της ύλης, οργανωμένη με πληροφορία και εξελίσσεται με βάση το μηχανισμό της φυσικής επιλογής. Άρα η ζωή περιμένουμε να έχει κάποια δυναμική ισορροπία, να παρουσιάζει δυναμικότητα, να είναι οργανωμένη με πληροφορία. Μέσα σε 13.0 περίπου δισεκατομμύρια χρόνια εξελίχτηκε το σύμπαν σε τέσσερις φάσεις. από τη στιγμή της δημιουργίας του μέχρι σήμερα. Αυτές οι φάσεις είναι η κοσμική φάση, που δημιουργούνται τα άτομα, η χημική φάση που δημιουργούνται τα μόρια, η φάση της βιογένεσης δηλαδή η δημιουργία των βιομορίων και του πρώτου κύτταρου (ο πρώτος πρόγονος), και τέλος η τέταρτη φάση της πολιτισμικής εξέλιξης του ανθρώπου. Θεωρούμε ότι στο χρόνο μηδέν έγινε η Μεγάλη Έκρηξη, που με τα πρώτα σωματίδια, είχαμε τη φυσική εξέλιξη και τη δημιουργία των ατόμων. Υπάρχουν τρεις τουλάχιστον θεωρίες για το πώς προήλθε η ζωή. Α) η θεωρία της προβιοτικής σούπας. Σε μεγάλες λεκάνες μεγάλες λίμνες, πιστεύεται ότι συσσωρεύτηκαν υλικά που συμπυκνώθηκαν μετά από πολύ ακτινοβολία και υψηλές θερμοκρασίες. Β) η θεωρεία των υδρόθερμων υπόγειων περιοχών. Δηλαδή, στον πυθμένα της θάλασσας, περίπου σε 3.000 χιλιόμετρα βάθος, υπάρχουν καπνοδόχοι, δηλαδή οπές που να βγαίνει μαύρος ή άσπρος καπνός και φαίνεται να σχηματίζονται νηματοειδή βακτήρια. Γ) η τρίτη θεωρία αναφέρεται οτι η ζωή ξεκίνησε σε υπόγειες σχισμές, όπου ανέρχονται υλικά στην επιφάνεια της θάλασσας και όταν αναμιχθούν δημιουργούν θερμόφιλους αυτότροφους μικροοργανισμούς. Κάνοντας μια μικρή αναφορά στην εξέλιξη των ειδών στο πέρασμα του χρόνου, θα ξεκινούσαμε από τον σχηματισμό της Γης περίπου 4,6 δισεκατομμύρια χρόνια, θα πηγαίναμε στην υδρόσφαιρα, στην προβιοτική εποχή, στον προ RNA κόσμο, και τότε θα εμφανίζονταν η πρώτη μορφή ζωής, με συμμετοχή του DNA και των πρωτεινών. Θα πρέπει να φανταστούμε, ότι όλα αυτά δεν έγιναν τυχαία. Υπάρχουμε γιατί έγινε το πρώτο ξεκίνημα. Σύγχρονα Κεραμικά Υλικά Δρ. Γ. Βεκίνης Ινστ. Επιστήμης Υλικών, ΕΚΕΦΕ Δ Οι τεχνολογικές ανάγκες και απαιτήσεις της κοινωνίας αυξάνονται συνεχώς και αποτελούν τον κυριότερο μοχλό ανάπτυξης και την σπουδαιότερη κινητήρια δύναμη για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών. Τα νέα προηγμένα υλικά είναι η βάση σχεδόν όλων των νέων τεχνολογιών και η ανάπτυξή τους είναι συνυφασμένη με την παγκόσμια τεχνολογική ανάπτυξη του δεύτερου μισού του 20 ου αιώνα. Αν και λίγο γνωστά και λιγότερο αναγνωρίσιμα, τα προηγμένα κεραμικά υλικά είναι μια ειδική κατηγορία υλικών με πολύ σημαντικές μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες. Δεν απαντώνται στη φύση αλλά παρασκευάζονται αποκλειστικά με τεχνητές μεθόδους. Η εξέλιξή τους και η σταδιακή εφαρμογή τους από τα μέσα της δεκαετίας του 1960 σε πληθώρα μηχανολογικών και ηλεκτρικών εφαρμογών έχει επιτρέψει την ανάπτυξη ολόκληρων τομέων και αγορών όπως η μικροηλεκτρονική, η χημική βιομηχανία, η αεροναυπηγική και οι μεταφορές. Τα τελευταία χρόνια, η επιτάχυνση της τεχνολογικής εξέλιξης, αλλά και η σταδιακή στροφή σε μια «Κοινωνία της Γνώσης», έχει δώσει ακόμα μεγαλύτερη ώθηση στην ανάπτυξη προηγμένων κεραμικών υλικών. Είναι η τεχνολογική βάση επάνω στην οποία «χτίζονται» οι ελπίδες μας για ένα μέλλον με απεξάρτηση από τους υδρογονάνθρακες για παραγωγή ενέργειας και χημικών, με ταχύτερους υπολογιστές, με δυνατότητα άμεσου ελέγχου των λειτουργιών του σώματός μας καθώς και αντικατάσταση οργάνων και με την κατασκευή νέων διαστημοπλοίων για την αποίκιση του πλανητικού μας συστήματος. 8
Η ομιλία θα προσφέρει μια πρώτη ματιά στα προηγμένα κεραμικά υλικά και θα παρουσιαστούν οι πιο σημαντικές από τις τωρινές και μελλοντικές εφαρμογές τους. Η Χήμεια της Φύσης Δρ. Γ. Πασιαρδής Equipe Methodol & Synth Biomol., Dept Chim., Université de Poitiers, France Η φύση είναι πηγή έμπνευσης για τους καλλιτέχνες όπως και για τους επιστήμονες. Η κοινωνία μας εμπνέεται από την φύση - ο τρόπος λειτουργίας μας, ο τρόπος σκέψης μας η αρχιτεκτονική μας, αλλά και όλοι οι κανόνες που υποδεικνύουν τις τηρούμενες αναλογίες και την αίσθηση του μέτρου προέρχονται από αυτήν. Χρησιμοποιώντας βασικές αρχές και ένα περιορισμένο αριθμό πρωταρχικών υλών, η Φύση είναι ικανή να δημιουργήσει την ποικιλότητα της ζωής που γνωρίζουμε. Ο κόσμος συνίσταται από δομή, κίνηση, χρώμα, οσμή και αλλά στοιχεία τα οποία αντιλαμβανόμαστε με τις αισθήσεις μας. Ο συνδυασμός ορισμένων βασικών φυσικών παραμέτρων και της ύλης παράγουν ο,τι μας περιβάλει. Ιδού η ουσία της Χημείας. Σε αυτό το μάθημα θα συζητηθούν παραδείγματα όπως η ωρίμανση των καρπών, το κιτρίνισμα των φύλλων το φθινόπωρο, γιατί φύλλα είναι πράσινα, ή ακόμα τι κοινά στοιχεία υπάρχουν μεταξύ των ανεπτυγμένων μορφών ζωής όπως ο άνθρωπος και των απλών οργανισμών όπως τα βακτηρίδια. Μέσω αυτών των μερικών ευδιάκριτων παραδειγμάτων θα γίνει η επίδειξη πώς τα φαινομενικά πολύπλοκα φαινόμενα της Φύσης μπορούν να περιγραφούν λογικά με την χημεία και την απλή ορολογία της. Θα είναι, ως αποτέλεσμα, δυνατό να γίνει κατανοητή η επιτυχής αιώνια προσπάθεια του ανθρώπου να μιμηθεί την Φύση για την παρασκευή υλών και ουσιών όπως τα φάρμακα και άλλα αγαθά για την βελτίωση της ζωής του. - - - - - - - - Nature is an inspiration for artists and scientists alike. Our society is dependent on the examples provided by nature and that is from where we have adopted our functioning, our reasoning, architecture and other rules of proportions. Using basic principles and a certain, but relatively limited, number of basic building blocks, Nature is able to develop the diversity of life as we know it. The world is constituted of structure, movement, colour, smell and other elements which we detect with our senses. A combination of basic physical parametres (phenomena) and matter produces all that we can sense. Ιδού η ουσία της Χημείας. Through a certain number of evident examples such as the ripening of fruits, why leaves turn yellow in autumn, why are they green (photovoltaics), what is common between advanced life forms such as humans and simple bacteria, it shall be demonstrated how the apparently (fainwmenika) vast complexity of Nature can be described by the science of chemistry and its language. Υπολογιστικές Προσομοιώσεις Πολυμερικών Υλικών Καθ. Δ. Θεοδώρου Σχολή Χημικών Μηχανικών, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Κατά τα τελευταία 20 χρόνια η υπολογιστική προσομοίωση των υλικών έχει εξελιχθεί από αξιοπερίεργη ακαδημαϊκή δραστηριότητα σε εργαλείο πρόρρησης των σχέσεων δομής-ιδιοτήτωνεπεξεργασίας-επιδόσεων με μεγάλη σημασία για το σχεδιασμό νέων προϊόντων και διεργασιών. 9
Η υπολογιστική πρόρρηση των φυσικών ιδιοτήτων αποτελεί μιά μεγάλη πρόκληση στην ειδική περίπτωση των πολυμερικών υλικών, λόγω των ευρύτατων φασμάτων χαρακτηριστικών μηκών και χρόνων που διέπουν τη δομή και τη μοριακή κίνηση στα υλικά αυτά. Στην πρόκληση αυτή μπορεί κανείς ν ανταποκριθεί μόνο μέσω της ανάπτυξης ιεραρχικών στρατηγικών ανάλυσης και προσομοίωσης που περιλαμβάνουν πολλά αλληλοσυνδεόμενα επίπεδα περιγραφής, από το ατομικό μέχρι το μακροσκοπικό. Στη διάλεξη αυτή θα συζητήσουμε τις βασικές αρχές και θα παρουσιάσουμε παραδείγματα εφαρμογών νέων μεθόδων ιεραρχικής ανάλυσης και προσομοίωσης πολυμερικών συστημάτων που αναπτύσσονται στην ομάδα Υπολογιστικής Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών του Ε.Μ.Π. Ερωτήματα που θα τεθούν περιλαμβάνουν: Πώς μπορεί κανείς να επιτύχει την εξισορρόπηση λεπτομερών ατομικών ομοιοτύπων πολυμερικών τηγμάτων, ώστε να προβλέψει αξιόπιστα τις ογκομετρικές και θερμικές τους ιδιότητες και τη διαμόρφωση των μακρομοριακών αλυσίδων μέσα σ αυτά; Πώς ποσοτικοποιείται η δομή των δικτύων διαπλοκών που σχηματίζονται μέσα στα τήγματα μέσα από τοπολογική ανάλυση των μοριακών ομοιοτύπων τους και πώς συνδέονται οι διαπλοκές αυτές με τις ρεολογικές ιδιότητες, αναγκαίες στο σχεδιασμό διεργασιών μορφοποίησης; Μπορούν να προβλεφθούν υπολογιστικά οι ελαστικές σταθερές υαλωδών πολυμερών και τα φαινόμενα φυσικής γήρανσης και πλαστικής παραμόρφωσης που διέπουν τη μηχανική τους συμπεριφορά σε δομικές εφαρμογές; Πώς μπορεί κανείς να αξιοποιήσει την τάση των αδρομερών συμπολυμερών να αυτοοργανώνονται προκειμένου να σχεδιάσει αυτο-συγκολλητικά υλικά; Υπάρχουν τρόποι πρόρρησης της πολύπλοκης μορφολογίας που αναπτύσσεται στα υλικά αυτά και, κατά συνέπεια, των μηχανικών τους ιδιοτήτων, από τη σύστασή τους; Ποιές ιδιότητες καθορίζουν τις επιδόσεις πολυμερικών υλικών φραγής που χρησιμοποιούνται ως υλικά συσκευασίας; Eίναι δυνατό να προβλεφθεί πώς οι ιδιότητες αυτές μεταβάλλονται ως αποτέλεσμα τροποποιήσεων στη χημική σύσταση των αλυσίδων; Το κυνήγι του σωματιδίου Higgs και το πείραμα CMS στο CERN Δρ. Δ. Λουκάς Ινστ. Πυρηνικής Φυσικής, ΕΚΕΦΕ Δ Το Δόκιμο Πρότυπο (Standard Model) αποτελεί ένα συνεκτικό θεωρητικό πλαίσιο περιγραφής των ηλεκτρομαγνητικών, ασθενών και ισχυρών αλληλεπιδράσεων των σωματιδίων. Η εγκυρότητα του προτύπου έχει επιβεβαιωθεί με ακριβείς πειραματικές μετρήσεις και θα ενισχυθεί περαιτέρω με την ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs. Όπως το φωτόνιο είναι σύμφυτο με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο έτσι και το Higgs είναι σύμφυτο με την ύπαρξη ενός πεδίου το οποίο δίνει μάζα στα σωματίδια. Προκειμένου να διερευνήσει την ύπαρξη του Higgs, αλλά και για να μελετήσει φαινόμενα πέραν αυτών που περιγράφονται από το Δόκιμο Πρότυπο, η κοινότητα της Φυσικής Υψηλών Ενεργειών κατασκευάζει στο CERN τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) που πρόκειται να τεθεί σε λειτουργία το 2007. Πρωτόνια με ενέργειες κέντρου μάζας 1.4x10 4 GeV, που αντιστοιχεί σε διακριτική ικανότητα 10-19 m και σε χρόνο 10-12 sec στο κοσμολογικό πρότυπο της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang), θα συγκρούονται με συχνότητα 10 9 Hz. Γύρω από τις περιοχές σύγκρουσης κατασκευάζονται σύνθετες πειραματικές διατάξεις που θα καταγράφουν τις ορμές και τις χωρικές συντεταγμένες των παραγόμενων σωματιδίων. Η πληροφορία αυτή θα είναι διαθέσιμη ταυτόχρονα σε παγκόσμιο επίπεδο, μέσω των νέων τεχνολογιών GRID, προκειμένου να γίνουν οι αναλύσεις φυσικής. 10
Το CMS, με συνολικό αριθμό 97 εκατομμυρίων καναλιών, είναι ένα από τα τέσσερα πειράματα του LHC. Στην ομιλία θα σκιαγραφήσουμε το θεωρητικό πλαίσιο, την αρχιτεκτονική και τις βασικές αρχές λειτουργίας της πειραματικής διάταξης καθώς και τη μεθοδολογία ανάλυσης των δεδομένων. Θα γίνει σύντομη αναφορά σε θέματα φυσικής πέραν του Δόκιμου Προτύπου όπως η υπερσυμμετρία και οι κρυμμένες διαστάσεις (hidden dimensions). Metamaterial Arrays and their Applications: A journey from FSS to EBG & AMC structures. Prof. J. C Vardaxoglou Department of Electronic and Electrical Engineering, Loughborough University, UK Since their discovery in the late 1980 s, interest in metamaterials has grown explosively. The potential take-up of these structures in applications like communication and sensing systems is primarily due to the control of the amplitudes, frequencies and wave-numbers of propagating and non-propagating electromagnetic modes enabled by metamaterials to an extent that was not previously possible. The control of electromagnetic modes in various application fields such as indoor and outdoor communication systems, communicating mobile objects, transport systems (high-speed trains), space/earth communication and microelectronics (at µ-wave and sum-mm wave frequencies), can include the following aspects: i) Controlling wave propagation (Waveguides / planar circuit miniaturization / optical integration, Dispersive waveguides, Enhanced filters, Light emitting diodes / cavities for low-threshold lasers, Frequency selective reflection/transmission, Antennas / antenna arrays), ii) Enhancing fields / near field imaging / High-Q cavities, iii) Negative refraction, iv) Tuneable materials, v) High impedance layers/artificial materials. The above description of advantageous properties of metamaterials gives a small insight into the large potential industrial application of these concepts. An exhaustive review of applications is beyond the scope of this short synopsis. An overview of the work in FSSs, EBGs and AMCs of the Wireless Communications Research Group at Loughborough University, UK is presented. The flexible electromagnetic wave propagation control enabled by Elecromagnetic Band Gap (EBG), Frequency Selective Surfaces (FSS), and other metamaterials is an excellent opportunity to optimize the radiation characteristics of individual antennas, and to optimize and decouple more effectively antenna arrays for steerable antenna array or imaging applications. This has wide benefits for wireless communication technologies, microwave and millimetre wave imaging applications in medicine and security, and many other areas. The industry (especially for space applications) needs systems where several antennas covering several frequency ranges are packed in a very small volume. If such a solutions would be possible, it would be possible to use one large antenna reflector to cover several frequency bands. The problem is to design overlapping antennas that would all fit into a small focal area of the reflector. This may be possible with the use of advanced metamaterials. There is a need to find materials useful in enhancing performance of small antennas for mobile terminals in communication systems. Especially artificial magnetism is promising. High-impedance surfaces can find one more application in reducing coupling in various antenna arrays, since they are more compact than conventional EBG structures. Artificial Magnetic Conductors (AMC) or high impedance surfaces, i.e. metamaterials that produce in-phase reflections are highly interesting for compact antenna solutions, in order to miniaturize and minimize the cost of communication components and systems. Such systems have 11
already been transferred to the market and constitute and effective demonstration of the potential of metamaterials. Metamaterials are, in essence, the materials of the future, since the main purpose for their study is to be able to go beyond where naturally occurring substances and current materials research have taken us. By combining different microscopic elements into large-scale designs, one will be able not only to create materials with fundamentally new properties but also to fabricate others that have properties on demand, as required by new technologies. In particular, new electromagnetic properties will allow us to control microwaves, millimetre waves, and optical light in revolutionary ways. Το ενεργειακό πρόβλημα και η επερχόμενη κρίσις. Καθ. Α. Μαυρίδης Kαθηγητής Φυσικοχημείας του Χημικού Τμήματος του Ε. Κ. Π. Α. Εάν και δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η ενέργεια διατηρείται σε κάθε είδους διεργασία, δεν υπάρχει επίσης αμφιβολία ότι τα συμβατικά (ορυκτά) καύσιμα εξαντλούνται πλέον ταχύτατα, με αποτέλεσμα να απειλείται σοβαρά ο πετρελαϊκός μας πολιτισμός, δηλαδή η ίδια μας η ύπαρξις. Το πρόβλημα είναι πραγματικό, τεράστιο και δυσεπίλυτο. Λαμβάνοντας δε υπ όψιν τη ραγδαία αύξηση του πληθυσμού, τις απαιτήσεις όλων για όλο και μεγαλύτερη κατανάλωση, την τεράστια άγνοια και παραπληροφόρηση καθώς και τα ποικίλα και αντικρουόμενα συμφέροντα, είναι σχεδόν βέβαιον ότι τα επόμενα χρόνια θα βρεθούμε αντιμέτωποι με πολύ δυσάρεστες εκπλήξεις εάν δεν παρθούν και δεν εφαρμοστούν ορθολογικά μέτρα και περιορισμοί. Θα προσπαθήσουμε να αναλύσουμε το ενεργειακό πρόβλημα με σαφήνεια και να συζητήσουμε πιθανές λύσεις. Η επιστήμη όντως μπορεί να κάνει πολλά και προφανώς είναι η μόνη μας ελπίδα, δοθέντως όμως ικανού χρόνου και παγκοσμίων συνεργασιών και συναινέσεων. Παραδείγματα μελέτης Παθοβιολογίας Κυττάρων και Συνδετικού Ιστού με στόχο την εξεύρεση μοριακών μηχανισμών παθογένεσης ηλικιο-εξαρτώμενων παθήσεων Δρ. Ε. Τσιλιμπάρη Ινστ. Βιολογίας, ΕΚΕΦΕ Δ Το Εργαστήριο Παθοβιολογίας Κυττάρων και Συνδετικού Ιστού επικεντρώνεται κατ εξοχήν σε in vitro συστήματα κυτταροκαλλιεργειών στα οποία μελετά την επίδραση παθολογικών συνθηκών που μιμούνται ηλικιο-εξαρτώμενες παθολογικές καταστάσεις. Στόχος είναι η κατανόηση μοριακών μηχανισμών παθογένεσης ασθενειών και απώτερα η παρέμβαση με έγκαιρη/πρώϊμη διάγνωση, αναχαίτηση ανάπτυξης παθολογικού κυτταρικού φαινότυπου, πιθανή θεραπευτική αντιμετώπιση κλπ. Παραδείγματα: 1. Παθήσεις νεφρών με έμφαση τη διαβητική νεφροπάθεια: Έχουν μελετηθεί οι αλλλεπιδράσεις νεφρικών τύπων κυττάρων με συστατικά του συνδετικού ιστού και η κυτταρική σηματοδότηση σε διαβητικές συνθήκες (αυξημένες συγκεντρώσεις γλυκόζης). Στόχος είναι να γίνει κατανοητός ο τρόπος αλλαγής συμπεριφοράς των κυττάρων σε αυτές τις συνθήκες και να παρεμποδιστεί η δομική 12
και λειτουργική αλλοίωση των νεφρών που χαρακτηρίζεται από αύξηση συνδετικού ιστού και αλλοίωση της μορφολογίας του νεφρικού σπειράματος, της δομικής μονάδας του νεφρού. Επίσης μελέτη της ρύθμισης γονιδιακής έκφρασης επιφανειακών συστατικών νεφρικών κυττάρων που συμμετέχουν στην εξειδικευμένη λειτουργία τους. Βοηθητικές Δημοσιεύσεις: Kitsiou, P et al., Glucose-induced phenotypic modulation in glomerular epithelial cells. Am. J. Physiol. Renal, 284:F671-F679, 2003; Tsilibary, EC. Microvacular basement membranes in diabetes (Invited Review). Journal of Pathol. 200:537-46, 2003 Doyonnas R et al., Anuria, Omphalocele, and Perinatal Lethality in Mice Lacking the CD-34 related Protein Podocalyxin. J Exp Med. 2001, 194 (1): 13-27. Economou CG et al., Enhanced podocalyxin expression alters the structure of podocyte basal surface. J Cell Sci, 2004 117: 3281-3294. 2. Ρόλος συστατικών συνδετικού ιστού σε παθήσεις νεφρών: Μελέτες ιδιοτήτων συστατικών συνδετικού ιστού, όπως το κολλαγόνο τύπου IV/κολλαγόνο βασικής μεμβράνης και λειτουργικές αλλοιώσεις νε νεφρικές παθήσεις, όπως η νόσος Alport. Βοηθητικές Δημοσιεύσεις: Tsilibary, EC et al., Functional significance of NCI containing α3 chains of type IV collagen. In: "Contributions to Nephrology" H. Koide (eds), Karger Publishing Co., Basel, pp 70-79, 1994 Charonis AS et al., Basement membrane peptides: Functional Considerations and Biomedical Applications in Autoimmunity. Current Medicinal Chemistry 12: 1495-1502, 2005 3. Λειτουργικές αλλοιώσεις των παγκρεατικών β-κυττάρων παρουσία αυξημένων συγκεντρώσεων γλυκόζης, με επιπτώσεις για την ανάπτυξη της νόσου του σακχαρώδη διαβήτη. Βοηθητικές Δημοσιεύσεις: Mandrup-Poulsen T. (2003) Apoptotic signal transduction pathways in diabetes. Biochem. Pharmacol. 66, 1433-1440. Mandrup-Poulsen T. Beta-cell death and protection. (2003) Ann. N. Y. Acad. Sci. 1005, 32-42. 4. Λειτουργικές αλλοιώσεις νευροβλαστικών κυττάρων σε συνθήκες Alzheimer (παρουσία αμυλοειδούς). Βοηθητικές Δημοσιεύσεις: Backstrom JR et al., Matrix metalloproteinase-9 (MMP-9) is synthesized in neurons of the human hippocampus and is capable of degrading the amyloid-beta peptide (1-40). J Neurosci 1996;16(24):7910-9. Koike H, Tomioka S, Sorimachi H, Saido TC, Maruyama K, Okuyama A, Fujisawa-Sehara A, Ohno S, Suzuki K, Ishiura S. Membrane-anchored metalloprotease MDC9 has an alpha-secretase activity responsible for processing the amyloid precursor protein. Biochem J 1999; 343 Pt 2:371-5. J.Bio. Chem. In Press, 13
Πανταχού Παρών ή Ιδιωτικός Δρ. Σ. Θωμόπουλος Ινστ. Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών, ΕΚΕΦΕ Δ Πολλές λέξεις μπορούν να χαρακτηρίσουν τη σύγχρονη τεχνολογία, όπως: ασύρματη, περιρρέουσα, δικτυακή, αισθητηριακή, ευρέως διαδεδομένη και πανταχού παρούσα ή για να χρησιμοποιήσουμε τη διεθνή ορολογία, wireless, ambient, network, sensory, pervasive Πολλοί από τους όρους αυτούς, μας δίνουν την εντύπωση ότι η τεχνολογία είναι τόσο κοντά μας που δε μπορούμε να ξεφύγουμε από αυτήν Πού φτάνει η πανταχού παρουσία της και που ξεκινά η προστασία της ιδιωτικής μας ζωής? Εδώ έρχονται να προστεθούν νέοι όροι όπως ασφάλεια δεδομένων, προστασία (ευαίσθητων) προσωπικών δεδομένων και ασφάλεια πληροφοριών Στη παρουσίαση θα δοθούν ολοκληρωμένες λύσεις συνδυασμών και συνεργασίας όλων αυτών των μορφών τεχνολογίας με τον άνθρωπο πάντα στο επίκεντρό τους. Η συμβολή των απόλυτων χρονολογήσεων στην πολιτιστική κληρονομιά Δρ. Γ. Μανιάτης Ινστ. Επιστήμης Υλικών, ΕΚΕΦΕ Δ Χρονολογήσεις ευρημάτων της πολιτιστικής κληρονομιάς γίνονται με ποικιλία τρόπων και μεθόδων. Για παράδειγμα οι αρχαιολογικές χρονολογήσεις βασίζονται σε τυπολογικά στοιχεία, όπως σχήμα αγγείων, τεχνοτροπία ζωγραφικής ή γλυπτικής κλπ. Τα στοιχεία αυτά σε σύγκριση με αντίστοιχα στοιχεία γνωστών περιόδων, ξεκινώντας από τους Φαραώ της Αιγύπτου δίνουν αξιόπιστες χρονολογήσεις εφόσον υπάρχουν τα κατάλληλα ευρήματα. Επίσης οι ιστορικές χρονολογήσεις βασίζονται σε ιστορικά κείμενα που περιγράφουν γεγονότα και ονόματα τα οποία όταν ταυτιστούν με κάποια ευρήματα παρέχουν την χρονοόγηση. Σε αντιδιαστολή με τα παραπάνω οι Φυσικές Επιστήμες παρέχουν μία σειρά μεθόδων με τις οποίες χρονολογούνται αρχαιολογικά και παλαιοντολογικά ευρήματα με ένα αντικειμενικό τρόπο. Οι φυσικοχημικές μέθοδοι χρονολόγησης βασίζονται σε φυσικούς νόμους (π.χ. ραδιενεργές διασπάσεις, κρυσταλλικές ατέλειες κ.α.) και για αυτό τον λόγο οι χρονολογήσεις που γίνονται με αυτές ονομάζονται απόλυτες χρονολογήσεις το οποίο έχει την έννοια του αντικειμενικού. Οι χρονολογήσεις με φυσικοχημικές μεθόδου έχουν φέρει μια πραγματική επανάσταση στην Αρχαιολογία. Π.χ. οι χρονολογήσεις που παρέχει η μέθοδος του Άνθρακα-14 με μία ακρίβεια της τάξεως των ± 30-40 χρόνια έχουν συμβάλει σημαντικότατα στη μελέτη της Προϊστορικής Εποχής με τη δημιουργία μιας απόλυτης παγκοσμίου εμβέλειας κλίμακας χρονολόγησης πάνω στην οποία τοποθετούνται και συγχρονίζονται όλοι οι ανασκαφόμενοι οικισμοί. Ταυτόχρονα η χρήση επιταχυντών για μετρήσεις πολύ μικρών δειγμάτων, όπως υπολείμματα τροφής και ιστών δίνουν τη δυνατότητα αξιοποίησης κάθε οργανικού ευρήματος. Επίσης, η μέθοδος της Φωταύγειας με τις τελευταίες εξελίξεις στην μέθοδο της Οπτικής Φωταύγειας βοηθούν σημαντικότατα σε χρονολογήσεις ιζημάτων και κτιρίων με πολύ καλή ακρίβεια και συμβάλουν στην κατανόηση του παλαιοπεριβάλλοντος. Ακόμη μέθοδοι όπως η φασματοσκοπία EPR, χρονολογεί σπηλαιοιζήματα μέχρι 1 εκατομμύρια χρόνια και διάφορες άλλες μέθοδοι που φτάνουν να χρονολογούν υλικά ηλικίας σχεδόν όση και αυτή της γης. 14
Θα περιγραφούν οι μέθοδοι συγκριτικά, ο γενικότερος προβληματισμός και θα παρουσιαστούν χαρακτηριστικές εφαρμογές που έχουν συμβάλει καταλυτικά στην γνώση της εξέλιξης του ανθρώπου και του πολιτισμού. Ερευνητικές Δραστηριότητες και Προγράμματα του Ινστιτούτου Ραδιοϊσοτόπων Ραδιοδιαγνωστικών Προϊόντων : Από τα Γονίδια και τις Πρωτείνες στη Μοριακή Ραδιοφαρμακευτική και στα Ολοκληρωμένα Ανιχνευτικά Μικροσυστήματα. Δρ. Γ. Παντελιάς, Δρ. Σ. Κακαμπάκος Ινστ. Ραδιοϊσοτόπων - Ραδιοδιαγνωστικών Προϊόντων, ΕΚΕΦΕ Δ Από την ίδρυσή του το 1960, το Ινστιτούτο Ραδιοϊσοτόπων Ραδιοδιαγνωστικών Προϊόντων του Ε.ΚΕ.Φ.Ε. «Δημόκριτος» αποτελεί χώρο αναφοράς, σε εθνικό επίπεδο, για βασική και εφαρμοσμένη έρευνα καθώς και για παροχή υπηρεσιών υψηλής τεχνολογίας στη Ραδιοφαρμακευτική και στην Ανοσοχημεία Ανοσοδιάγνωση. Τα τελευταία χρόνια έχει παράλληλα αναπτύξει υψηλού επιπέδου ερευνητικά προγράμματα στην εφαρμογή Βιομοριακών Συστημάτων στη Μοριακή Διαγνωστική. Στο ερευνητικό περιβάλλον του Ινστιτούτου και σε συνεργασία με διεθνές δίκτυο ακαδημαϊκών ιδρυμάτων και βιομηχανιών αναπτύσσονται δραστηριότητες που έχουν οδηγήσει σε σημαντικά αποτελέσματα και διακρίσεις, δημοσιεύσεις διεθνούς κύρους και διπλώματα ευρεσιτεχνίας. Το 2002 το Ινστιτούτο αναδείχθηκε σε Κέντρο Ερευνητικής Αριστείας στη Βιοδιαγνωστική και στη Ραδιοφαρμακευτική, τομείς μείζονος κοινωνικό-οικονομικού ενδιαφέροντος. Τα ερευνητικά προγράμματα του Ινστιτούτου παρέχουν τη δυνατότητα για εκπόνηση Διδακτορικών Διατριβών σ ένα έντονα διεπιστημονικό περιβάλλον. Αναπτύσσονται δραστηριότητες βασικής και εφαρμοσμένης έρευνας με στόχο κυρίως νέα επιτεύγματα στη Διαγνωστική για την ανθρώπινη υγεία. Η θεματολογία καλύπτει ένα μεγάλο εύρος από τη Μοριακή Ραδιοφαρμακευτική στην Μοριακή ανάλυση γονιδίων προδιάθεσης σε κληρονομικές ασθένειες, στη Χημεία Πρωτεϊνών, σε εφαρμογές της Ανοσοχημείας σε βιοαισθητήρες. Το Ινστιτούτο συνεργάζεται άμεσα με Μεταπτυχιακά Προγράμματα του Πανεπιστημίου Αθηνών (Τμήματα Χημείας, Βιολογίας και Φαρμακευτικής), του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (Τμήμα Φαρμακευτικής), του Πανεπιστημίου Πατρών (Τμήμα Φαρμακευτικής) και του Εθνικού Μετσοβίου Πολυτεχνείου (Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών). Το Ινστιτούτο διαθέτει δεκατρείς υποτροφίες για την απόκτηση Διδακτορικού Διπλώματος. Οι υποτροφίες χορηγούνται μετά από προκήρυξη και εξετάσεις (γραπτές και προφορικές), σε φοιτητές με πολύ διαφορετική προπτυχιακή κατάρτιση. Ο μεγαλύτερος αριθμός των μεταπτυχιακών φοιτητών του Ινστιτούτου είναι απόφοιτοι Χημικών Τμημάτων και αμέσως μετά Φαρμακευτικών, ενώ υπάρχουν ακόμη Βιολόγοι, Φυσικοί και Χημικοί Μηχανικοί. Διάγνωση και Θεραπεία με Ραδιονουκλίδια Δρ. Θ. Μάϊνα Εργαστήριο Ραδιοφαρμακευτικής Χημείας, Ινστιτούτο Ραδιοϊσοτόπων Ραδιοδιαγνωστικών Προϊόντων, ΕΚΕΦΕ Δ Η Πυρηνική Ιατρική έχει συνεισφέρει καίρια στην αποτελεσματική διάγνωση και θεραπεία πολλών παθήσεων μετά από χορήγηση κατάλληλων ενώσεων ραδιονουκλιδίων, των λεγόμενων ραδιοφαρμάκων. Το βασικό πλεονέκτημα της διαγνωστικής Πυρηνικής Ιατρικής, εκτός του μη παρεμβατικού της χαρακτήρα, έγκειται στην δυνατότητα απόκτησης σημαντικών λειτουργικών 15
πληροφοριών που σχετίζονται με τη συγκεκριμένη παθολογία. Οι τελευταίες μάλιστα ραγδαίες εξελίξεις της Μοριακής Βιολογίας υπήρξαν καταλυτικές και στο πεδίο της Πυρηνικής Ιατρικής, το οποίο μετεξελίχθηκε στη σύγχρονη Μοριακή Πυρηνική Ιατρική. Η τελευταία χρησιμοποιεί νέας γενιάς ραδιοφάρμακα «μοριακής στόχευσης», ικανά να εντοπίζονται με μεγάλη εξειδίκευση και επιλεκτικότητα σε παθολογικές εστίες λόγω αλληλεπίδρασής τους με συγκεκριμένα βιομόριαστόχους. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν π.χ. ραδιοσημασμένα πεπτίδια, τα οποία χρησιμοποιούνται ως φορείς ραδιονουκλιδίων σε ειδικούς υποδοχείς στην κυτταρική μεμβράνη νεοπλαστικών κυττάρων με αποτέλεσμα την διάγνωση, σταδιοποίηση αλλά και θεραπεία του καρκίνου με χρήση ραδιονουκλιδίων. Η ταυτόχρονη ανάπτυξη της σχετικής απεικονιστικής τεχνολογίας έχει επίσης συνεισφέρει σημαντικά στην εξέλιξη της σύγχρονης Πυρηνικής Ιατρικής και έχει αναδείξει νέα σημαντικά ραδιονουκλίδια και νέες κατευθύνσεις στη διάγνωση. Δύο κύριες τεχνικές εφαρμόζονται σήμερα: η τεχνική SPET (single photon emission tomography) και η τεχνική PET (positron emission tomography) σε συνδυασμό με τα κατάλληλα ραδιονουκλίδια η κάθε μία. Σημαντικές επενδύσεις από τη βιομηχανία (Siemens, General Electric) επιταχύνουν αποτελεσματικά τις τεχνολογικές εξελίξεις προς την κατεύθυνση συνδυαστικών απεικονιστικών τεχνικών για ταυτόχρονη απόκτηση υψηλής ποιότητας ανατομικών (CT: computed tomography; MRI: magnetic resonance imaging) και λειτουργικών/βιοχημικών πληροφοριών (PET, SPET). 16
17
18
Καταγράφοντας Σπάνια Φαινόμενα με Ανιχνευτές Σωματιδιακής Φυσικής Δρ. Θ. Γέραλης Ινστ. Πυρηνικής Φυσικής, ΕΚΕΦΕ Δ Στα σύγχρονα πειράματα Σωματιδιακής Φυσικής, συνήθως ερευνώνται εξαιρετικά σπάνιες διεργασίες - εν μέσω ενός πλήθους γνωστών φυσικών διεργασιών - οι οποίες πρέπει να επιλεγούν σε πραγματικό χρόνο και να καταγραφούν για λεπτομερέστερη ανάλυση. Στον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (Large Hadron Collider LHC) στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Στοιχειωδών Σωματιδίων (CERN) ένα σωματίδιο Higgs αναμένεται να παράγεται και να επιλέγεται ανάμεσα σε 10 13 συγκρούσεις πρωτονίων. Οι συγκρούσεις επαναλαμβάνονται κάθε 25nsec και η πλήρης πληροφορία κάθε σύγκρουσης προερχόμενη από εκατοντάδες πηγές ανιχνευτών συντίθεται με ρυθμό 100Gbytes/sec. Στην ομιλία αυτή αναλύεται η γενική μεθοδολογία σκανδαλισμού και λήψης δεδομένων στα σύγχρονα πειράματα Σωματιδιακής Φυσικής δίνοντας έμφαση και στην δραστηριότητα των Ελληνικών ομάδων. Ιοντικοί Επιταχυντές και Μελέτη Υλικών Δρ. Α. Λαγογιάννης Ινστ. Πυρηνικής Φυσικής, ΕΚΕΦΕ Δ Από τα πρώτα χρόνια της γέννησης της πυρηνικής φυσικής έγινε κατανοητό ότι οι ενέργειες που παρείχαν οι φυσικές ραδιενεργές πηγές δεν ήταν αρκετές για την κατανόηση της αλληλεπίδρασης των σωματιδίων με την ύλη. Η ανάγκη για σωμάτια «βλήματα» με μεγαλύτερη διεισδυτικότητα δηλαδή με μεγαλύτερες ενέργειες και εντάσεις έκανε αναγκαία την δημιουργία των ιοντικών επιταχυντών. Από τον πρώτο γραμμικό επιταχυντή των 50 kev μέχρι τον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (Large Hadron Collider - LHC) των 14 TeV, οι ιοντικοί επιταχυντές είχαν μια ραγδαία εξέλιξη, στηριζομένοι πάντα στις ίδιες φυσικές αρχές του ηλεκτρομαγνητισμού. Ανάμεσα στις πολλαπλές εφαρμογές των ιοντικών επιταχυντών είναι και η χρήση τους για τη μελέτη υλικών. Μέθοδοι όπως η Οπισθοσκέδαση Rutherford (RBS) και η Ανάλυση μέσω Πυρηνικών Αντιδράσεων (NRA) βρίσκουν ευρεία εφαρμογή στον μη καταστροφικό χαρακτηρισμό των νέων υλικών. Μεθοδολογίες Ανάλυσης δεδομένων στη Σωματιδιακή Φυσική Δρ. Α. Κυριάκης Ινστ. Πυρηνικής Φυσικής, ΕΚΕΦΕ Δ Τα σύγχρονα πειράματα Φυσικής Υψηλών Ενεργειών απαιτούν την μελέτη μεγάλου όγκου δεδομένων με σκοπό τον έλεγχο θεωρητικών μοντέλων που προσπαθούν να δώσουν απάντηση σε θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με τη δομή της ύλης(τα συστατικά της και τις αλληλεπιδράσεις των συστατικών της). Στην ομιλία γίνεται προσπάθεια να εξηγηθεί μέσω παραδειγμάτων η μεθοδολογία που ακολουθείται για να γίνει η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων και η εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων. Συγκεκριμένα περιγράφεται πως αποδείχτηκε πειραματικά η ύπαρξη τριών μόνο γενιών νετρίνων και πως μετρήθηκε η μάζα ενός νέου σωματιδίου (B s -μεσόνιο) με δεδομένα από το πείραμα ALEPH του LEP. 19
Χρήση τεχνικών εικονικής πραγματικότητας για την ενίσχυση της ασφάλειας σε χημικά εργοστάσια. Δρ. Ζ. Νιβολιανίτου, Ινστ. Πυρηνικής Τεχνολογίας και Ακτινοπροστασίας, ΕΚΕΦΕ Δ Η συνεισφορά του ανθρώπινου παράγοντα στην έναρξη επισφαλών ακολουθιών γεγονότων και εν τέλει ατυχημάτων σε Χημικές Εγκαταστάσεις ή Πετροχημικές βιομηχανίες μπορεί να είναι σημαντική. Σε αυτό συνεισφέρει και η πολυπλοκότητα των σύγχρονων βιομηχανικών συστημάτων που ώθησε στην ανάπτυξη μεθόδων αννάλυσης του ανθρώπινου παράγοντα (Human Factor, HF) εστιάζοντας και εμβαθύνοντας σε συγκεκριμένες πτυχές του προβλήματος. Τελευταίες μελέτες έχουν επισημάνει ότι η συνεισφορά του ανθρώπινου παράγοντα μπορεί να φτάσει μέχρι και το 90% στην εκδήλωση μιας ακολουθίας ατυχήματος, δεδομένου του μεγάλου βαθμού αυτοματισμού των σύγχρονων εργοστασίων, που, είτε αποτρέπουν αυτόματα την εξέλιξη του ατυχήματος (με τα διάφορα μέσα προστασίας), είτε ξεφεύγουν εντελώς από κάθε ανθρώπινη παρέμβαση λόγω της πολυπλοκότητάς τους. Χρειάζεται, ως εκ τούτου, μια νέα τεχνολογία, η οποία θα επιτρέπει στους χειριστές και γενικά στο προσωπικό μιας εγκατάστασης να βελτιώσουν το «εσωτερικό» επίπεδο ασφάλειάς της μέσω της καλλίτερης κατανόησης διεργασιών και χειρισμού του εξοπλισμού. Η νέα αυτή τεχνολογία σχετίζεται με την εφαρμογή τεχνικών Εικονικής Πραγματικότητας (Virtual Reality, VR) και Αλληλοδραστικής Οπτικοποίησης Γεγονότων (Interactive Visualisation), οι οποίες θα επιτρέψουν την καλλίτερη δυνατή εκπαιδευση των χειριστών με το σύστημα που καλούνται να λειτουργήσουν. Θα δώσουν ακόμη την ευκαιρία στους διευθύνοντες (managers) της εγκατάστασης να εφαρμόσουν αποτελεσματικές τεχνικές διαχείρισης της ασφάλειας αλλά και να επιτύχουν ανασύνθεση των ατυχημάτων (replay, σε περίπτωση που αυτά συμβούν, με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων για την ασφαλέστερη λειτουργία των εγκαταστάσεων. Φυσική των αιωρουμένων μικροσωματιδίων Δρ. Χ. Χουσιάδας Ινστ. Πυρηνικής Τεχνολογίας και Ακτινοπροστασίας, ΕΚΕΦΕ Δ Αεροζόλ ή αερόλυμα (aerosol στην αγγλική ορολογία) ονομάζεται ένα σύστημα μικροσωματιδίων που αιωρούνται διασπαρμένα εντός ενός αερίου μέσου συνήθως αέρα. Ο όρος αεροζόλ περιγράφει τόσο τη σωματιδιακή φάση, που μπορεί να είναι υγρή ή στερεά, όσο και την αέρια φάση. Σε ένα αεροζόλ τα μικροσωματίδια έχουν διάμετρο από 0.001 μm έως 100 μm, καλύπτουν δηλαδή ένα πολύ μεγάλο φάσμα μεγεθών, από σχεδόν μοριακές κλίμακες μέχρι μακροσκοπικές κλίμακες. Έτσι, η μηχανική των αεροζόλ χρησιμοποιεί στοιχεία τόσο της κινητικής θεωρίας και της μοριακής δυναμικής, όσο και της μηχανικής του συνεχούς μέσου. Στη σύγχρονη βιβλιογραφία τα αεροζόλ θεωρούνται συστήματα διφασικής ροής, στα οποία η μία φάση (σωματιδική) είναι διασκορπισμένη και πολύ αραιωμένη. Αυτό αντιστοιχεί σε διφασικό σύστημα «μονής σύζευξης» (one-way coupled), όπου η αέρια φάση επιδρά στη φάση σε διασπορά, ενώ αντίθετα η φάση σε διασπορά έχει αμελητέα επίδραση στην αέρια φάση. Ο επιστημονικός όρος αεροζόλ έχει πολύ μεγαλύτερη ευρύτητα από τη συνηθισμένη έννοια του σπρέι σταγόνων. Ο επιστημονικός όρος περιλαμβάνει συστήματα όπως νέφη, σκόνη, ομίχλη, αιθάλη, αχλή, 20
καπνό, σπρέι, και εφαρμόζεται ακόμη και σε βιολογικά υλικά όταν μεταφέρονται από τον αέρα όπως ιοί, γύρη, βακτήρια, μύκητες κλπ. Η επιστήμη και η τεχνολογία των αεροζόλ έχει ευρύτατο πεδίο εφαρμογής σε τομείς όπως το περιβάλλον (ατμοσφαιρική ρύπανση, κλιματική αλλαγή), βιομηχανική ασφάλεια (π.χ. εκρήξεις κόνεων, μεγάλα ατυχήματα σε πυρηνικούς σταθμούς), βιομηχανική ή περιβαλλοντική υγιεινή (εισπνοή βιομηχανικών κόνεων ή σωματιδιακών ρύπων), τεχνική διεργασιών (π.χ. καύσεις, χημικοί αντιδραστήρες, σπρέι), τεχνολογία υλικών, ιατρική (εισπνεόμενα φάρμακα). Πρόσφατα, με την ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας οι εφαρμογές των αεροζόλ επεκτάθηκαν και στον σημαντικό τομέα της παραγωγής και του χαρακτηρισμού των νανοσωματιδίων [λεπτά μικροσωματίδια με διάμετρο από 1 nm (0.001 μm) έως 100 nm (0.1 μm)]. Στη διάλεξη αυτή συνοψίζεται η βασική θεωρία της φυσικής και δυναμικής των αιωρουμένων σωματιδίων (αεροζόλ). Περιλαμβάνει την περιγραφή της κατανομής μεγέθους ενός αεροζόλ και τη σύντομη περιγραφή του κάθε στοιχειώδη μηχανισμού, όπως πυρηνοποίηση, συσσωμάτωση, μεγέθυνση λόγω συμπύκνωσης, μεταφορά και εναπόθεση, για να καταλήξει στη θεωρία που περιγράφει ολοκληρωτικά ένα αεροζόλ (την Γενική Δυναμική Εξίσωση του Αεροζόλ). Παρουσιάζονται επίσης χαρακτηριστικά παραδείγματα εφαρμογών. Η Συνεισφορά της Θεωρητικής Χημείας στην Κατανόηση των Ατμοσφαιρικών Χημικών Διαδικασιών Δρ. Ι. Λαζάρου Ινστ. Φυσικοχημείας, ΕΚΕΦΕ Δ Email: lazarou@chem.demokritos.gr Τις τελευταίες δεκαετίες, έννοιες όπως "περιβαλλοντική μόλυνση", "φαινόμενο θερμοκηπίου" και "τρύπα όζοντος" αρχίζουν να αποκτούν μία σημαίνουσα θέση ανάμεσα στα διάφορα θέματα της καθημερινότητας. Όλοι σχεδόν αποκτούν την αίσθηση ότι το περιβάλλον -το σπίτι των εμβίων όντων πάνω στη γή- δεν είναι αυτόματα ανανεώσιμο και άφθαρτο αλλά μπορεί να επηρρεαστεί αρνητικά ακόμη και από ανθρώπινες δραστηριότητες. Εκτός από τα προβλήματα που έχουν δημιουργηθεί στο έδαφος και τις υδάτινες μάζες εξ' αιτίας της επιμόλυνσης από ένα πλήθος ανθρωπογενών χημικών ενώσεων, τα πιό "θεαματικά" προβλήματα έχουν δημιουργηθεί στην ατμόσφαιρα, απαιτώντας την άμεση λήψη μέτρων για την αντιμετώπιση και καταστολή τους. Η γήινη ατμόσφαιρα μπορεί να παρομοιασθεί ως ένας ζωντανός οργανισμός στον οποίο η ηλιακή ενέργεια αποτελεί το έναυσμα ενός μεγάλου αριθμού χημικών αντιδράσεων ανάμεσα σε ενώσεις των οποίων οι συγκεντρώσεις αν και εξαιρετικά μικρές επηρρεάζουν ορισμένα φυσικοχημικά της χαρακτηριστικά σε δυσανάλογα μεγάλο βαθμό. Τέτοια χαρακτηριστικά της ατμόσφαιρας είναι η ικανότητα της να απορροφά ένα μεγάλο μέρος της επικίνδυνης για τη ζωή υπεριώδους ηλιακής ακτινοβολίας καθώς και να ρυθμίζει την θερμοκρασία στην γήινη επιφάνεια σε ανεκτά για την ζωή (όπως την ξέρουμε) όρια. Η κατανόηση των μηχανισμών συντήρησης καθώς και απορρύθμισης αυτών των χαρακτηριστικών είναι ένα θέμα στο οποίο εμπλέκονται πολλές φυσικές επιστήμες, με την χημεία να κατέχει μία πρωτεύουσα θέση. Η λεπτομερής μελέτη των χημικών αντιδράσεων ανάμεσα στα ατμοσφαιρικά σωματίδια, οι μετρήσεις συγκεντρώσεων στην ατμόσφαιρα καθώς και η χρήση μαθηματικών μοντέλων προσομοίωσης είναι τρία βασικά εργαλεία για την κατανόηση των ατμοσφαιρικών διαδικασιών. Αν και η μελέτη των χημικών αντιδράσεων διενεργείται πρωτίστως με τη χρήση εργαστηριακών τεχνικών, η χρήση μεθόδων υπολογιστικής κβαντικής χημείας σαν συμπλήρωμα της εργαστηριακής μελέτης γίνεται συνεχώς και συχνότερη. Σ' αυτό συμβάλλει η αυξανόμενη πρόοδος στην διαθέσιμη υπολογιστική ισχύ σε συνδυασμό με συνεχείς βελτιώσεις των μεθόδων υπολογισμού σε επίπεδο αλγορίθμων. Θα συζητηθούν παραδείγματα των εφαρμογών της θεωρητικής κβαντικής χημείας στην κατανόηση ατμοσφαιρικών χημικών διαδικασιών, όπως α) η μελέτη φθοριομένων αιθέρων και αλκοολών, ως 21