Klíčové směry výzkumu

Přírodovědecká fakulta se podílí na výzkumu ve vědní oblasti Přírodní vědy, kde úspěšně rozvíjí nové poznatky a aplikace zejména v oboru matematika, fyzika, chemie, biologie, vědy o Zemi a environmentální vědy. Nezřídka se jedná o interdisciplinární typ výzkumu, a to nejen napříč obory přírodovědecké fakulty, ale i napříč ostatními součástmi univerzity. Velký důraz je pak kladen na spolupráci na národní i mezinárodní úrovni. Přírodovědecká fakulta se tak může pyšnit participací v mezinárodních konsorciích, jako je např. CERN-ATLAS, Pierre Auger Observatory, CTA, FAST nebo vytvořením společných pracovišť s ústavy Akademie věd ČR.

Vědecké práce vycházející z Přírodovědecké fakulty UP jsou v hojné míře publikovány ve špičkových vědeckých časopisech spadajících do prestižních nakladatelství, jako je např. American Chemical Society, Elsevier, Wiley či Nature. Na seznamu 6 600 nejcitovanějších vědců z více než 60 zemí světa Highly Cited Researchers podle Clarivate™ 2021 je i jméno odborníka na analýzu rostlinných hormonů Ondřeje Nováka z Laboratoře růstových regulátorů, což je společné pracoviště Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého a Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR, v.v.i. Profesor Radim Filip z katedry optiky pak v roce 2022 obdržel ve Valdštenjském paláci Senátu Parlamentu ČR Cenu Františka Běhounka. Toto prestižní ocenění je určeno vědcům, kteří se zasloužili o šíření dobrého jména České republiky v rámci evropského výzkumu a vývoje.

Výzkum v nejrůznějších oblastech je tradičně podporován grantovými agenturami pro základní výzkum, jako je např. Grantová agentura ČR nebo výzkum směrovaný na spolupráci s komerčním sektorem a převádění výsledků výzkumu do praxe, kam patří zejména Technologická agentura ČR. Velkou měrou se fakulta zapojuje i do výzev vyhlašovaných Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy. Na poli mezinárodních projektů se fakulta snaží zapojovat do výzev v rámci programu Horizon 2020 ať už v roli koordinátorů nebo partnerů. Jako příklad rozvoje mezinárodní spolupráce v rámci tohoto programu může sloužit projekt NONGAUSS, který se zaměřuje na spolupráci v oblasti teoretické ne-Gaussovské kvantové fyziky s vědeckými kolegy ze Sorbonne University v Paříži a Technical University of Denmark v Lyngby. Výsledky společného bádání by měly v budoucnu najít uplatnění například při konstrukci výkonných počítačů či v telekomunikacích. Jiným příkladem je projekt Adapt, který si klade za cíl identifikovat molekulární mechanismy, s jejichž pomocí se brambory dokážou přizpůsobit kombinovanému stresu životního prostředí.

Do výzkumu jsou velkou měrou zapojeni studenti, a to na všech stupních studia. Jejich výsledky jsou oceňovány v různých národních či mezinárodních soutěžích, jako jsou např. Laurus, Cena Spektroskopické společnosti Jana Marka Marci, Cena Jean-Marie Lehna, apod. Řada  Ph.D. studia se může pochlubit získáním stipendií na prestižních univerzitách, jako jsou Cambridge - UK, ETH Zurich - Švýcarsko, Max Planck Institute - Germany, CERN Geneva – Switzerland, apod. Často jsou rovněž spoluautory publikovaných vědeckých článků.

V matematice se zaměřujeme na teoretickou a výpočetní analýzu matematických modelů, rozvoj strukturální teorie algebraických a geometrických systémů a použití matematiky a statistiky při zpracování dat z širokého spektra aplikací. Aktivní výzkum se odehrává v oblasti diferenciálních rovnic a dynamických systémů, aplikované statistiky, optimalizace a aproximace dat, diferenciální geometrie nebo vícehodnotové a kvantové logiky.

V informatice zkoumáme zejména algoritmy pro náročné problémy, výpočetní složitost problémů, logiku, umělou inteligenci a nové metody analýzy a zpracování relačních dat. V těchto oblastech patříme v mezinárodním měřítku k předním pracovištím.

Na oboru fyzika se provádí teoretický i experimentální výzkum na čtyřech katedrách, jejichž zaměření se vzájemně doplňuje. Výzkum na katedře optiky zahrnuje širokou škálu témat z klasické i kvantové optiky a interakce záření s látkou. Mezi hlavní témata výzkumu patří optické kvantové zpracování informace, kvantová interakce světla se zachycenými ionty a s oblaky atomů, optimální kvantová měření a tomografie,  kvantová optomechanika, optické super-rozlišení, prostorová modulace světla, pokročilé mikroskopické metody nebo Ramanova spektroskopie a Ramanova optická aktivita. Katedra experimentální fyziky se dlouhodobě věnuje jaderným spektroskopickým metodám včetně Mössbauerovy spektroskopie, syntéze a charakterizaci nanomateriálů, elektronové litografii, zpracování obrazové informace, metrologii, numerickým simulacím fyzikálních dějů a konstrukci měřicích systémů. Na Katedře experimentální fyziky je možné studovat také didaktiku fyziky. Společná laboratoř optiky soustřeďuje svůj výzkum na oblast aplikované optiky, kvantové a nelineární optiky a vlnové optiky. Výzkumníci zde vyvíjejí speciální celooblohové kamery a zrcadla do teleskopů pro observatoře sledující průlety energetických částic atmosférou Země, účastní se i projektu ATLAS-CERN pro studium interakcí elementárních částic. Biofyzikální pracoviště zkoumá roli reaktivních forem kyslíku v živých systémech, vztah struktury a funkce proteinových komplexů, zabývá se biofyzikálními aspekty fyziologie rostlin a molekulární a buněčnou farmakologií.

Výzkum v oboru Chemie je orientován do několika směrů. Jednou z oblasti výzkumu je vývoj metod přípravy pokročilých chemických sloučenin, konjugátů a materiálů, u kterého je kladen důraz na možné aplikace v podobě léčiv s protinádorovou, antibakteriální, antituberkulotickou, antileishmaniální, či antiradikálovou aktivitou. Vedle reálné práce v laboratoři je pozornost v této oblasti věnována i využití tzv. počítačové chemie, kde lze za pomoci moderních výpočetních metod studovat interakce různých léčiv s DNA či buněčnou membránou. Kromě medicinálně zaměřených projektů je věnována pozornost i aplikacím v zemědělství nebo průmyslu úzce spojeným s vývojem nových materiálů a technologií například v oblasti životního prostředí a uhlíkově neutrální energetiky. Katedry oboru Chemie se tak zaměřují i na vývoj nových katalyzátorů založených na anorganických a organických sloučeninách, které mohou být dále ukotveny na různých polymerních nosičích a nanomateriálech. V další oblasti jsou studovány optické a magnetické vlastnosti látek, které jsou využitelné jako paměťová média nebo sensory. Významná část výzkumu je prováděna i na živých organismech na molekulární úrovni, kde jsou odhalovány zákonitosti metabolismu, vývojových procesů, obranných mechanismů a stresových faktorů i s využitím interakcí anorganických či organických nízkomolekulárních sloučenin, pokročilých konjugátů či nanomateriálů. Tyto znalosti jsou dále aplikovány při šlechtění nových odrůd rostlin, k boji proti parazitům a infekčním chorobám včel a vývoji nových pokročilých biotechnologických metod. Posouvání limitů výzkumu je neodmyslitelně spjato s vývojem nových analytických metod. V prvé řadě jsou studovány chemické a fyzikální procesy využitelné k analýze chemických sloučenin. Tyto poznatky jsou využity pro konstrukci nových analytických přístrojů v oblasti hmotnostní spektroskopie nebo mikroskopických zobrazovacích metod. Analytické metody jsou dále například aplikovány pro měření farmaceutických vzorků, markerů onemocnění, metabolitů, detekci drog, analýzu archeologických vzorků a uměleckých děl.

Biologické a ekologické obory zahrnují širokou paletu výzkumných směrů s interdisciplinárním přesahem. Botanici se věnují například taxonomii a ekologii rostlin, řas a sinic, biotechnologickým aplikacím, genetice rostlin či vlivu stresových a patologických faktorů a výzkumu genofondu vybraných skupin progenitorů kulturních rostlin. Zoologové vykazují výborné výsledky v oblasti studia speciace a hybridizace, diverzity a fylogeneze brouků a blanokřídlých, evoluce hnízdního parazitismu a biodiverzity, fylogeografie a patogenů herpetofauny. V oblasti ekologie a životního prostředí se rozvíjí výzkum populační dynamiky savců, krajinné ekologie a procesů v zemědělské krajině a půdě a v ochranářské biologii bezobratlých. Buněční biologové a genetici se věnují studiu mechanismu působení cizorodých látek na lidský organismus, mezilékovým interakcím a protinádorovým a protizánětlivým účinkům metabolitů lidského střevního mikrobiomu. Věnují se také identifikaci neznámých přírodních sloučenin a přípravě nových sloučenin využitelných pro terapii závažných lidských nemocí; pozornost zaměřují zejména na regulační enzymy ze skupiny proteinkinas. Významné jsou také práce o rostlinných hormonech a jejich fungování na molekulární a buněčné úrovni. Nové deriváty vytvářené v oblasti biologie přírodních látek a růstových derivátů na základě znalosti fyziologických procesů v rostlinách nacházejí četná uplatnění v rostlinných tkáňových kulturách a v udržitelném zemědělství.

Výzkumníci v oblasti Vědy o Zemi pracují na multidisciplinárních projektech v široké škále geografických, geologických a environmentálních disciplín s podporou geografických informačních systémů. K hlavním směrům výzkumu patří studium prostorové distribuce ekosystémů a krajin na zemském povrchu a interakce mezi nimi, dále environmentální bezkontaktní monitoring krajiny a modelování geografických jevů v prostředí GIS, vztah člověka a přírodního prostředí, rozvojová geografie, geografické aspekty migrace a mobility obyvatelstva a výzkum indikátorů udržitelnosti. Geografové se zabývají vymezováním regionů a prostorovými interakcemi, problematikou městského klimatu a zelené infrastruktury měst, obnovitelnými zdroji energie, percepcí prostoru a historickými krajinami. Geoinformatici se řadí k tuzemské špičce v atlasové kartografii, věnují se i problematice modelování ekosystémových služeb, pokročilým aplikacím 3D tisku a výzkumu čtení mapy pomocí technologie eye-tracking, která je založená na principu sledování pohybu lidských očí.  U geologů patří ke stěžejním tématům výzkum usazených hornin jako archivu informací o klimatu, povrchových geologických procesech a transportu znečišťujících látek. Z dalších oblastí geologického výzkumu je třeba zmínit aplikace mineralogie a petrografie v archeologii a regionálně-geologickém výzkumu, ložiskově-geologický a geofyzikální výzkum a nově rozvíjenou sféru týkající se ložisek přírodních uhlovodíků. Odborníci z Katedry rozvojových a environmentálních studií se zaměřují na problematiku všech tří pilířů udržitelného rozvoje v rámci ČR i v zahraničí (pilíř ekologický, ekonomický a sociální). Výzkumné směry katedry zahrnují analýzy rozvojové pomoci a měření udržitelného rozvoje, vývoj geoparticipativních prostorových nástrojů a projekty zkoumající biokulturní diverzitu a ekosystémové služby lesů v kontextu měnícího se klimatu. Výsledky základního i aplikovaného výzkumu v multidisciplinární oblasti Věd o Zemi jsou pravidelně publikovány v prestižních vědeckých časopisech, na mezinárodních konferencích a ve formě odborných monografií.