Hakowanie natury

Sama natura może nas nauczyć, jak włamać się do natury, jak pszczoły, które jak zauważyli Mark Mescher i Consuelo De Moraes z ETH w Zurychu, umiejętnie skubią liście, aby „zachęcać” rośliny do kwitnienia.

Co ciekawe, próby powtórzenia tych zabiegów na owadach za pomocą naszych metod nie powiodły się, a naukowcy zastanawiają się teraz, czy sekret skutecznego niszczenia liści przez owady leży w unikalnym schemacie, którego używają, czy może we wprowadzaniu niektórych substancji przez pszczoły. Na innych pola biohackingu radzimy sobie jednak coraz lepiej.

Na przykład inżynierowie niedawno odkryli, jak to zrobić zamienić szpinak w środowiskowe systemy sensorycznektóry może ostrzegać o obecności materiałów wybuchowych. W 2016 roku inżynier chemik Ming Hao Wong i jego zespół z MIT przeszczepili nanorurki węglowe do liści szpinaku. Ślady materiałów wybuchowychktóre roślina wchłaniała z powietrza lub wód gruntowych, tworzyła nanorurki emitować sygnał fluorescencyjny. Aby przechwycić taki sygnał z fabryki, małą kamerę na podczerwień skierowano na liść i podłączono do układu Raspberry Pi. Gdy kamera wykryła sygnał, uruchomiła alert e-mail. Po opracowaniu nanosensorów w szpinaku Wong zaczął opracowywać inne zastosowania tej technologii, zwłaszcza w rolnictwie, aby ostrzegać przed suszą lub szkodnikami.

na przykład zjawisko bioluminescencji. u kalmarów, meduz i innych stworzeń morskich. Francuska projektantka Sandra Rey przedstawia bioluminescencję jako naturalny sposób oświetlenia, czyli tworzenie „żywych” lampionów, które emitują światło bez elektryczności (2). Ray jest założycielem i dyrektorem generalnym Glowee, firmy zajmującej się oświetleniem bioluminescencyjnym. Przewiduje, że pewnego dnia będą w stanie zastąpić konwencjonalne elektryczne oświetlenie uliczne.

2. Wizualizacja oświetlenia Glowee

Do produkcji światła angażują się technicy Glowee gen bioluminescencyjny uzyskanych z mątwy hawajskiej w bakterie E. coli, a następnie hodują te bakterie. Programując DNA, inżynierowie mogą kontrolować kolor światła, gdy się wyłącza i włącza, a także wiele innych modyfikacji. Te bakterie oczywiście muszą być pielęgnowane i karmione, aby pozostały żywe i promienne, więc firma pracuje nad tym, aby światło świeciło dłużej. W tej chwili, mówi Rei z Wired, mają jeden system, który działa od sześciu dni. Obecna ograniczona żywotność opraw sprawia, że ​​w tej chwili nadają się one głównie na imprezy czy festiwale.

Zwierzęta z elektronicznymi plecakami

Możesz obserwować owady i próbować je naśladować. Możesz także spróbować je „zhakować” i wykorzystać jako… miniaturowe drony. Trzmiele są wyposażone w „plecaki” z czujnikami, takie jak te używane przez rolników do monitorowania swoich pól (3). Problemem z mikrodronami jest moc. Z owadami nie ma takiego problemu. Latają niestrudzenie. Inżynierowie załadowali swój „bagaż” czujnikami, pamięcią do przechowywania danych, odbiornikami do śledzenia lokalizacji i bateriami do zasilania elektroniki (czyli o znacznie mniejszej pojemności) – wszystko to waży 102 miligramy. Gdy owady wykonują swoje codzienne czynności, czujniki mierzą temperaturę i wilgotność, a ich pozycja jest śledzona za pomocą sygnału radiowego. Po powrocie do ula dane są pobierane, a akumulator ładowany bezprzewodowo. Zespół naukowców nazwał swoją technologię Living IoT.

3. Live IoT, czyli trzmiel z układem elektronicznym na grzbiecie

Zoolog Max Planck Instytut Ornitologii. Marcin Wikelski postanowili sprawdzić popularne przekonanie, że zwierzęta mają wrodzoną zdolność wyczuwania zbliżających się katastrof. Wikelski kieruje międzynarodowym projektem wykrywania zwierząt ICARUS. Autor projektu i badań zyskał rozgłos, gdy dołączył sygnalizatory GPS zwierząt (4), zarówno dużych, jak i małych, w celu zbadania wpływu zjawisk na ich zachowanie. Naukowcy wykazali m.in., że zwiększona obecność bocianów białych może wskazywać na inwazję szarańczy, a lokalizacja i temperatura ciała kaczek krzyżówek może wskazywać na rozprzestrzenianie się ptasiej grypy wśród ludzi.

4. Marcin Wikelski i bocian przekaźnikowy

Teraz Wikelski wykorzystuje kozy, aby dowiedzieć się, czy w starożytnych teoriach jest coś, co zwierzęta „wiedzą” o zbliżających się trzęsieniach ziemi i erupcjach wulkanów. Natychmiast po potężnym trzęsieniu ziemi w Norcia we Włoszech w 2016 r. Wikelski założył obroże dla bydła w pobliżu epicentrum, aby sprawdzić, czy zachowywały się inaczej przed wstrząsami. Każdy kołnierz zawierał oba Urządzenie śledzące GPSjak akcelerometr.

Wyjaśnił później, że przy takim całodobowym monitorowaniu można zidentyfikować „normalne” zachowanie, a następnie szukać nieprawidłowości. Wikelski i jego zespół zauważyli, że zwierzęta zwiększyły swoje przyspieszenie na kilka godzin przed uderzeniem trzęsienia ziemi. Obserwował „okresy ostrzegawcze” od 2 do 18 godzin, w zależności od odległości od epicentrum. Wikelski ubiega się o patent na system ostrzegania przed katastrofami oparty na zbiorowym zachowaniu zwierząt względem stanu wyjściowego.

Popraw wydajność fotosyntezy

Ziemia żyje, ponieważ sadzi na całym świecie uwalniają tlen jako produkt uboczny fotosyntezya niektóre z nich stają się dodatkowymi pożywnymi pokarmami. Jednak fotosynteza jest niedoskonała, pomimo wielu milionów lat ewolucji. Naukowcy z University of Illinois rozpoczęli prace nad korygowaniem defektów fotosyntezy, co ich zdaniem może zwiększyć plony nawet o 40 procent.

Skupili się na proces zwany fotooddychaniemco jest nie tyle częścią fotosyntezy, co jej konsekwencją. Podobnie jak wiele procesów biologicznych, fotosynteza nie zawsze przebiega idealnie. Podczas fotosyntezy rośliny pobierają wodę i dwutlenek węgla i zamieniają je w cukry (pożywienie) i tlen. Rośliny nie potrzebują tlenu, więc jest on usuwany.

Naukowcy wyizolowali enzym zwany karboksylazą/oksygenazą rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBisCO). Ten kompleks białkowy wiąże cząsteczkę dwutlenku węgla z rybulozo-1,5-bisfosforanem (RuBisCO). Na przestrzeni wieków atmosfera ziemska stała się bardziej utleniona, co oznacza, że ​​RuBisCO musi radzić sobie z większą ilością cząsteczek tlenu zmieszanych z dwutlenkiem węgla. W jednym na cztery przypadki RuBisCO omyłkowo wychwytuje cząsteczkę tlenu, co wpływa na wydajność.

Ze względu na niedoskonałość tego procesu, rośliny pozostają z toksycznymi produktami ubocznymi, takimi jak glikolan i amoniak. Przetwarzanie tych związków (poprzez fotooddychanie) wymaga energii, która doliczana jest do strat wynikających z nieefektywności fotosyntezy. Autorzy badania zauważają, że ryż, pszenica i soja mają z tego powodu niedobór, a RuBisCO staje się jeszcze mniej dokładny wraz ze wzrostem temperatury. Oznacza to, że w miarę nasilania się globalnego ocieplenia może dojść do zmniejszenia dostaw żywności.

To rozwiązanie jest częścią programu o nazwie (RIPE) i polega na wprowadzeniu nowych genów, które sprawiają, że fotooddychanie jest szybsze i bardziej energooszczędne. Zespół opracował trzy alternatywne ścieżki z wykorzystaniem nowych sekwencji genetycznych. Ścieżki te zostały zoptymalizowane dla 1700 różnych gatunków roślin. Przez dwa lata naukowcy testowali te sekwencje przy użyciu zmodyfikowanego tytoniu. Jest to powszechnie znana roślina w nauce, ponieważ jej genom jest wyjątkowo dobrze poznany. Więcej wydajne drogi fotooddychania pozwalają roślinom zaoszczędzić znaczną ilość energii, którą można wykorzystać do ich wzrostu. Następnym krokiem jest wprowadzenie genów do roślin uprawnych, takich jak soja, fasola, ryż i pomidory.

Sztuczne krwinki i wycinki genów

Hakowanie natury prowadzi to ostatecznie do samego człowieka. W zeszłym roku japońscy naukowcy poinformowali, że opracowali sztuczną krew, którą można zastosować u każdego pacjenta, niezależnie od grupy krwi, i która ma kilka rzeczywistych zastosowań w medycynie urazowej. Ostatnio naukowcy dokonali jeszcze większego przełomu, tworząc syntetyczne krwinki czerwone (5). Te sztuczne krwinki nie tylko wykazują właściwości swoich naturalnych odpowiedników, ale także posiadają zaawansowane możliwości. Zespół z University of New Mexico, Sandia National Laboratory i South China Polytechnic University stworzył czerwone krwinki, które mogą nie tylko przenosić tlen do różnych części ciała, ale także dostarczać leki, wykrywać toksyny i wykonywać inne zadania. .

5. Syntetyczna komórka krwi

Proces tworzenia sztucznych komórek krwi został zapoczątkowany przez naturalne komórki, które najpierw pokryto cienką warstwą krzemionki, a następnie warstwami dodatnich i ujemnych polimerów. Krzemionka jest następnie trawiona, a na koniec powierzchnia pokryta jest naturalnymi błonami erytrocytów. Doprowadziło to do powstania sztucznych erytrocytów o wielkości, kształcie, ładunku i białkach powierzchniowych zbliżonych do rzeczywistych.

Ponadto naukowcy wykazali elastyczność nowo powstałych komórek krwi, przepychając je przez maleńkie szczeliny w modelowych naczyniach włosowatych. Wreszcie, podczas testów na myszach nie stwierdzono żadnych toksycznych skutków ubocznych nawet po 48 godzinach krążenia. Testy załadowały te komórki hemoglobiną, lekami przeciwnowotworowymi, czujnikami toksyczności lub nanocząstkami magnetycznymi, aby pokazać, że mogą przenosić różne rodzaje ładunków. Sztuczne komórki mogą również działać jako przynęta na patogeny.

Hakowanie natury ostatecznie prowadzi to do idei korekty genetycznej, naprawiania i inżynierii ludzi oraz otwierania interfejsów mózgowych do bezpośredniej interakcji między mózgami.

Obecnie istnieje wiele niepokojów i obaw związanych z perspektywą modyfikacji genetycznych człowieka. Argumenty przemawiające za są również mocne, na przykład, że techniki manipulacji genetycznych mogą pomóc w wyeliminowaniu choroby. Mogą wyeliminować wiele form bólu i niepokoju. Mogą zwiększyć ludzką inteligencję i długowieczność. Niektórzy posuwają się nawet do twierdzenia, że ​​mogą zmienić skalę ludzkiego szczęścia i produktywności o wiele rzędów wielkości.

Inżynieria genetycznagdyby poważnie potraktować jego oczekiwane konsekwencje, można by je postrzegać jako wydarzenie historyczne, równe eksplozji kambryjskiej, która zmieniła tempo ewolucji. Kiedy większość ludzi myśli o ewolucji, myśli o ewolucji biologicznej poprzez dobór naturalny, ale jak się okazuje, można sobie wyobrazić inne jej formy.

Począwszy od XNUMX wieku ludzie zaczęli modyfikować DNA roślin i zwierząt (Zobacz też: ), Kreacja genetycznie modyfikowana żywnośćitd. Obecnie pół miliona dzieci rodzi się co roku dzięki in vitro. Coraz częściej procesy te obejmują również sekwencjonowanie zarodków w celu wykrycia chorób i określenie najbardziej żywotnego zarodka (forma inżynierii genetycznej, aczkolwiek bez faktycznych aktywnych zmian w genomie).

Wraz z pojawieniem się CRISPR i podobnych technologii (6) byliśmy świadkami boomu w badaniach nad dokonywaniem rzeczywistych zmian w DNA. W 2018 roku He Jiankui stworzył w Chinach pierwsze genetycznie zmodyfikowane dzieci, za co trafił do więzienia. Kwestia ta jest obecnie przedmiotem zaciekłej debaty etycznej. W 2017 roku amerykańska Narodowa Akademia Nauk i Narodowa Akademia Medyczna zatwierdziły koncepcję edycji ludzkiego genomu, ale dopiero „po znalezieniu odpowiedzi na pytania dotyczące bezpieczeństwa i wydajności” oraz „tylko w przypadku poważnych chorób i pod ścisłym nadzorem”.

Kontrowersje budzi punkt widzenia „dzieci dizajnerskich”, czyli projektowania ludzi poprzez wybór cech, które dziecko powinno się urodzić. Jest to niepożądane, ponieważ uważa się, że dostęp do takich metod będą mieli tylko bogaci i uprzywilejowani. Nawet jeśli taki projekt jest technicznie niemożliwy przez długi czas, to nawet będzie manipulacja genetyczna dotyczące delecji genów defektów i chorób nie są jednoznacznie ocenione. Ponownie, jak wielu się obawia, będzie to dostępne tylko dla nielicznych.

Nie jest to jednak takie proste wycięcie i wstawienie guzików, jak sobie wyobrażają ci, którzy znają CRISPR głównie z ilustracji w prasie. Wiele ludzkich cech i podatności na choroby nie jest kontrolowanych przez jeden lub dwa geny. Choroby wahają się od posiadanie jednego genu, stwarzając warunki dla wielu tysięcy wariantów ryzyka, zwiększając lub zmniejszając podatność na czynniki środowiskowe. Jednak chociaż wiele chorób, takich jak depresja i cukrzyca, jest wielogenowych, często pomaga nawet proste wycięcie poszczególnych genów. Na przykład firma Verve opracowuje terapię genową, która zmniejsza częstość występowania chorób układu krążenia, jednej z głównych przyczyn zgonów na świecie. stosunkowo małe edycje genomu.

Do złożonych zadań i jednego z nich wielogenowe podłoże choroby, wykorzystanie sztucznej inteligencji stało się ostatnio receptą. Opiera się na firmach takich jak ta, która zaczęła oferować rodzicom wielogenową ocenę ryzyka. Ponadto zsekwencjonowane zbiory danych genomowych stają się coraz większe (niektóre zawierają ponad milion zsekwencjonowanych genomów), co z czasem zwiększy dokładność modeli uczenia maszynowego.

sieć mózgowa

W swojej książce Miguel Nicolelis, jeden z pionierów tego, co jest obecnie znane jako „hakowanie mózgów”, nazwał komunikację przyszłością ludzkości, kolejnym etapem ewolucji naszego gatunku. Przeprowadził badania, w których połączył mózgi kilku szczurów za pomocą wyrafinowanych wszczepionych elektrod, zwanych interfejsami mózg-mózg.

Nicolelis i jego współpracownicy opisali to osiągnięcie jako pierwszy „komputer organiczny” z żywymi mózgami połączonymi ze sobą, jakby były wieloma mikroprocesorami. Zwierzęta w tej sieci nauczyły się synchronizować aktywność elektryczną swoich komórek nerwowych w taki sam sposób, jak w każdym indywidualnym mózgu. Mózg podłączony do sieci został przetestowany pod kątem takich rzeczy, jak jego zdolność do rozróżniania dwóch różnych wzorców bodźców elektrycznych i zwykle przewyższają one poszczególne zwierzęta. Jeśli połączone mózgi szczurów są „mądrzejsze” niż mózgi jakiegokolwiek pojedynczego zwierzęcia, wyobraź sobie możliwości biologicznego superkomputera połączonego ludzkim mózgiem. Taka sieć mogłaby umożliwić ludziom pracę ponad barierami językowymi. Ponadto, jeśli wyniki badań na szczurach są prawidłowe, połączenie ludzkiego mózgu w sieć może poprawić wydajność, a przynajmniej tak się wydaje.

Były ostatnio eksperymenty, wspomniane również na łamach MT, które polegały na łączeniu aktywności mózgu małej sieci ludzi. Trzy osoby siedzące w różnych pokojach pracowały razem nad prawidłowym ustawieniem bloku, aby mógł wypełnić lukę między innymi blokami w grze wideo podobnej do Tetris. Dwie osoby, które działały jako „nadawcy” z elektroencefalografami (EEG) na głowach, które rejestrowały aktywność elektryczną ich mózgów, zobaczyły lukę i wiedziały, czy blok należy obrócić, aby pasował. Osoba trzecia, działająca jako „odbiorca”, nie znała poprawnego rozwiązania i musiała polegać na instrukcjach wysyłanych bezpośrednio z mózgów nadawców. W sumie pięć grup ludzi zostało przetestowanych z tą siecią, zwaną „BrainNet” (7), i średnio osiągnęli ponad 80% dokładności w zadaniu.

7. Zdjęcie z eksperymentu BrainNet

Aby utrudnić sprawę, naukowcy czasami dodawali szum do sygnału wysyłanego przez jednego z nadawców. W obliczu sprzecznych lub niejednoznacznych wskazówek odbiorcy szybko nauczyli się identyfikować i postępować zgodnie z bardziej precyzyjnymi instrukcjami nadawcy. Naukowcy zauważają, że jest to pierwszy raport, w którym mózgi wielu ludzi zostały okablowane w całkowicie nieinwazyjny sposób. Twierdzą, że liczba ludzi, których mózgi można połączyć w sieć, jest praktycznie nieograniczona. Sugerują również, że przekazywanie informacji metodami nieinwazyjnymi można usprawnić poprzez jednoczesne obrazowanie aktywności mózgu (fMRI), ponieważ potencjalnie zwiększa to ilość informacji, które nadawca może przekazać. Jednak fMRI nie jest łatwą procedurą i skomplikuje i tak już niezwykle trudne zadanie. Naukowcy spekulują również, że sygnał może być kierowany do określonych obszarów mózgu, aby wywołać świadomość określonej treści semantycznej w mózgu odbiorcy.

Jednocześnie szybko ewoluują narzędzia do bardziej inwazyjnej i być może wydajniejszej łączności mózgowej. Elona Muska niedawno ogłosił opracowanie implantu BCI zawierającego XNUMX elektrod, aby umożliwić szeroką komunikację między komputerami a komórkami nerwowymi w mózgu. (DARPA) opracowała wszczepialny interfejs neuronowy zdolny do jednoczesnego odpalania miliona komórek nerwowych. Chociaż te moduły BCI nie zostały specjalnie zaprojektowane do współpracy mózg-mózgnietrudno sobie wyobrazić, że można je wykorzystać do takich celów.

Oprócz powyższego istnieje jeszcze inne rozumienie „biohackingu”, które jest modne zwłaszcza w Dolinie Krzemowej i polega na różnego rodzaju zabiegach odnowy biologicznej o niekiedy wątpliwych podstawach naukowych. Wśród nich są różne diety i techniki ćwiczeń, a także m.in. transfuzja młodej krwi, a także wszczepianie podskórnych czipów. W tym przypadku bogaci myślą o czymś takim jak „hacking death” lub starość. Jak dotąd nie ma przekonujących dowodów na to, że stosowane przez nich metody mogą znacząco przedłużyć życie, nie mówiąc już o nieśmiertelności, o której niektórzy marzą.