Hackende natur

Naturen selv kan lære os, hvordan man hacker naturen, såsom bier, som Mark Mescher og Consuelo De Moraes fra ETH Zürich bemærkede, er dygtige til at nippe blade for at "opmuntre" planter til at blomstre.

Interessant nok har forsøg på at kopiere disse insektbehandlinger ved hjælp af vores metoder ikke været succesfulde, og forskere spekulerer nu på, om hemmeligheden bag insekternes effektive bladbeskadigelse ligger i det unikke mønster, de bruger, eller måske i indførelsen af ​​nogle stoffer af bierne . På andre biohacking felter dog klarer vi os bedre.

For eksempel opdagede ingeniører for nylig hvordan forvandle spinat til miljømæssige sansesystemersom kan advare dig om tilstedeværelsen af ​​sprængstoffer. I 2016 transplanterede kemiingeniør Ming Hao Wong og hans team ved MIT kulstofnanorør til spinatblade. Spor af sprængstoffersom planten optog gennem luften eller grundvandet, lavede nanorør udsender et fluorescerende signal. For at fange et sådant signal fra planten blev et lille infrarødt kamera rettet mod arket og fastgjort til en Raspberry Pi-chip. Da kameraet registrerede et signal, udløste det en e-mail-alarm. Efter at have udviklet nanosensorer i spinat, begyndte Wong at udvikle andre applikationer til teknologien, især i landbruget til advarsler om tørke eller skadedyr.

fænomenet bioluminescens, for eksempel. hos blæksprutter, vandmænd og andre havdyr. Den franske designer Sandra Rey introducerer bioluminescens som en naturlig måde at belyse på, det vil sige skabelsen af ​​"levende" lanterner, der udsender lys uden elektricitet (2). Ray er grundlægger og administrerende direktør for Glowee, en bioluminescerende belysningsvirksomhed. Han forudser, at de en dag kan erstatte konventionel elektrisk gadebelysning.

2. Visualisering af Glowee belysning

Til at producere lyset ansætter Glowee-teknikere bioluminescensgen fås fra hawaiiansk blæksprutte til E. coli-bakterier, og så dyrker de bakterierne. Ved at programmere DNA'et kan ingeniører kontrollere lysets farve, hvornår det slukker og tænder, og mange andre modifikationer. Disse bakterier har naturligvis brug for pleje og fodring for at forblive i live og skinne, så virksomheden arbejder på at holde lysene tændt længere. For nu, siger Ray i Wired, har de et system, der varer seks dage. Lampernes nuværende begrænsede levetid betyder, at de primært er velegnede til begivenheder eller festivaler i øjeblikket.

Kæledyr med elektroniske rygsække

Du kan se insekter og prøve at efterligne dem. Du kan også prøve at "hacke" dem og bruge dem som... miniature droner. Humlebier er udstyret med "rygsække" af sensorer, som dem der bruges af landmænd til at overvåge deres marker (3). Problemet med mikrodroner er strøm. Der er ikke noget sådant problem med insekter. De flyver utrætteligt. Ingeniørerne fyldte deres "bagage" med sensorer, hukommelse til datalagring, modtagere til sporing af placering og batterier til at drive elektronik (det vil sige meget mindre kapacitet) - alt sammen vejede 102 milligram. Mens insekterne går i gang med deres daglige arbejde, måler sensorer temperatur og luftfugtighed, og deres position spores ved hjælp af et radiosignal. Efter at være vendt tilbage til bikuben, downloades data, og batteriet oplades trådløst. Holdet af videnskabsmænd kalder deres teknologi for Living IoT.

3. Living IoT, som er en humlebi med et elektronisk system på ryggen

Zoolog Max Planck Institut for Ornitologi. Martin Wikelski besluttede at teste den populære tro på, at dyr har en medfødt evne til at fornemme forestående katastrofer. Wikelski leder det internationale dyresensorprojekt ICARUS. Forfatteren til designet og forskningen opnåede berømmelse, da han vedhæftede GPS beacons dyr (4), både store og små, for at studere fænomeners indflydelse på deres adfærd. Forskere har blandt andet vist, at den øgede tilstedeværelse af hvide storke kan indikere græshoppeudbrud, og placeringen og kropstemperaturen for gråænder kan indikere spredning af fugleinfluenza blandt mennesker.

4. Martin Wikelski og senderstorken

Nu bruger Wikelski geder til at finde ud af, om der er noget ved gamle teorier, som dyr "ved" om forestående jordskælv og vulkanudbrud. Umiddelbart efter det massive jordskælv i Norcia i Italien i 2016, samlede Wikelski husdyr tæt på epicentret for at se, om de opførte sig anderledes før rystelserne. Hver krave indeholdt begge dele GPS-sporingsenhed, som et accelerometer.

Han forklarede senere, at med denne 2/18 overvågning kunne man identificere "normal" adfærd og derefter lede efter abnormiteter. Wikelski og hans team bemærkede, at dyrene øgede deres acceleration i timerne før jordskælvet opstod. Han observerede "advarselsperioder" fra XNUMX til XNUMX timer, afhængigt af afstanden fra epicentret. Wikelski indgiver patent på et katastrofevarslingssystem baseret på dyrs kollektive adfærd i forhold til en baseline.

Forbedre fotosynteseeffektiviteten

Jorden lever, fordi den planter over hele verden frigive ilt som et biprodukt af fotosyntesenog nogle af dem bliver til yderligere nærende fødevarer. Imidlertid er fotosyntesen ufuldkommen på trods af mange millioner års evolution. Forskere ved University of Illinois er begyndt at arbejde på at eliminere defekter i fotosyntesen, som de mener kan øge afgrødeudbyttet med op til 40 procent.

De fokuserede på en proces kaldet fotorespirationsom ikke er så meget en del af fotosyntesen som dens konsekvens. Som mange biologiske processer fungerer fotosyntesen ikke altid perfekt. Under fotosyntesen optager planter vand og kuldioxid og omdanner dem til sukker (fødevarer) og ilt. Planter har ikke brug for ilt, så det fjernes.

Forskerne isolerede et enzym kaldet ribulose-1,5-bisphosphatcarboxylase/oxygenase (RuBisCO). Dette proteinkompleks binder et kuldioxidmolekyle til ribulose-1,5-bisphosphat (RuBisCO). Gennem århundreder er Jordens atmosfære blevet mere iltet, hvilket betyder, at RuBisCO skal håndtere flere iltmolekyler blandet med kuldioxid. I et ud af fire tilfælde fanger RuBisCO fejlagtigt et iltmolekyle, og det påvirker ydeevnen.

På grund af ufuldkommenheder i denne proces efterlades planter med giftige biprodukter som glykolat og ammoniak. Forarbejdning af disse forbindelser (via fotorespiration) kræver energi, hvilket øger tabene som følge af fotosyntesens ineffektivitet. Dette får ris, hvede og soja til at være mangelfuld, og RuBisCO bliver endnu mindre nøjagtig, når temperaturerne stiger, bemærker undersøgelsesforfatterne. Det betyder, at når den globale opvarmning stiger, kan fødevareforsyningen falde.

Denne løsning er en del af et program kaldet (RIPE) og involverer introduktion af nye gener, der gør fotorespiration hurtigere og mere energieffektiv. Holdet udviklede tre alternative veje ved hjælp af nye genetiske sekvenser. Disse veje er blevet optimeret til 1700 forskellige plantearter. I to år testede forskere disse sekvenser ved hjælp af modificeret tobak. Det er en almindelig plante i videnskaben, fordi dens genom er usædvanligt godt undersøgt. Mere effektive måder til fotorespiration tillade planter at spare betydelige mængder energi, som kan bruges til deres vækst. Næste skridt er at introducere generne i fødevareafgrøder som sojabønner, bønner, ris og tomater.

Kunstige blodlegemer og genklip

Hackende natur dette fører i sidste ende til personen selv. Sidste år rapporterede japanske videnskabsmænd, at de havde udviklet kunstigt blod, der kan bruges på enhver patient, uanset blodtype, som har adskillige anvendelser i den virkelige verden inden for traumemedicin. For nylig fik forskere et endnu større gennembrud ved at skabe syntetiske røde blodlegemer (5). Disse kunstige blodlegemer de udviser ikke kun egenskaberne af deres naturlige analoger, men har også udvidede muligheder. Et hold fra University of New Mexico, Sandia National Laboratories og South China Polytechnic University har skabt røde blodlegemer, der ikke kun kan tjene som bærere af ilt til forskellige dele af kroppen, men også levere stoffer, mærke toksiner og udføre andre opgaver. .

5. Syntetiske blodlegemer

Processen med at skabe kunstige blodlegemer det blev initieret af naturlige celler, der først blev belagt med et tyndt lag silica og derefter med lag af positive og negative polymerer. Silicaen ætses derefter og til sidst belægges overfladen med naturlige røde blodlegememembraner. Dette har ført til skabelsen af ​​kunstige røde blodlegemer, der har samme størrelse, form, ladning og overfladeproteiner som den ægte vare.

Forskerne demonstrerede også fleksibiliteten af ​​nydannede blodceller ved at skubbe dem gennem små spalter i modelkapillærer. Endelig, når de blev testet på mus, blev der ikke fundet toksiske bivirkninger, selv efter 48 timers cirkulation. Tests fyldte disse celler med hæmoglobin, anti-cancermedicin, toksicitetssensorer eller magnetiske nanopartikler for at vise, at de kunne bære forskellige typer ladninger. Kunstige celler kan også fungere som lokkemad for patogener.

Hackende natur dette fører i sidste ende til ideen om genetisk korrektion, reparation og konstruktion af mennesker og åbning af hjernegrænseflader for direkte hjerne-til-hjerne-kommunikation.

Der er i øjeblikket en masse bekymring og angst for udsigten til menneskelig genetisk modifikation. Argumenterne for er også stærke, for eksempel at genetiske manipulationsteknikker kan hjælpe med at eliminere sygdom. De kan fjerne mange former for smerte og angst. De kan øge folks intelligens og levetid. Nogle mennesker går så langt som at sige, at de kan ændre omfanget af menneskelig lykke og produktivitet i mange størrelsesordener.

Genteknologihvis dets forventede konsekvenser blev taget alvorligt, kunne det ses som en historisk begivenhed svarende til den kambriske eksplosion, som ændrede udviklingstempoet. Når de fleste mennesker tænker på evolution, tænker de på biologisk evolution gennem naturlig udvælgelse, men det viser sig, at andre former for det kan forestilles.

Siden XNUMXs er folk begyndt at ændre DNA'et fra planter og dyr (se også: ), skabelse genetisk modificerede fødevarerosv. I øjeblikket bliver der født en halv million babyer hvert år gennem IVF. I stigende grad involverer disse processer også sekventering af embryoner for at screene for sygdomme og identificere det mest levedygtige embryo (en form for genteknologi, dog uden egentlige aktive ændringer af genomet).

Med fremkomsten af ​​CRISPR og lignende teknologier (6) har vi set en eksplosion af forskning i at lave reelle ændringer i DNA. I 2018 skabte He Jiankui Kinas første genetisk modificerede børn, som han blev sendt i fængsel for. Dette spørgsmål er i øjeblikket genstand for intens etisk debat. I 2017 godkendte US National Academy of Sciences og National Academy of Medicine konceptet med redigering af humant genom, men kun "efter sikkerheds- og ydeevneproblemer er blevet besvaret" og "kun i tilfælde af alvorlig sygdom og under nøje overvågning."

Kontrovers opstår ud fra synspunktet om "designer babyer", det vil sige at designe mennesker ved at vælge egenskaber, som den baby, der skal fødes, skal have. Dette er uønsket, fordi det menes, at kun rige og privilegerede mennesker vil have adgang til sådanne metoder. Selvom et sådant design er teknisk umuligt i lang tid, vil det endda være det genetisk manipulation vedrørende gendeletion for defekter og sygdomme er ikke klart vurderet. Igen, som mange frygter, vil dette kun være tilgængeligt for nogle få udvalgte.

Det er dog ikke så simpelt som klip-og-skift-knapper, som dem, der kender CRISPR mest fra presseillustrationer, forestiller sig. Mange menneskelige egenskaber og modtagelighed for sygdomme styres ikke af et eller to gener. Sygdommene er forskellige, lige fra tilstedeværelse af et gen, der skaber betingelserne for mange tusinde risikovariationer, øger eller mindsker følsomheden over for miljøfaktorer. Men selvom mange sygdomme, såsom depression og diabetes, er polygene, hjælper det ofte at fjerne individuelle gener. For eksempel udvikler Verve genterapier, der reducerer forekomsten af ​​hjerte-kar-sygdomme, en af ​​de førende dødsårsager på verdensplan. relativt små udgaver af genomet.

Til komplekse opgaver, og en af ​​dem polygenisk grundlag for sygdomme, er brugen af ​​kunstig intelligens for nylig blevet en opskrift. Den bygger på virksomheder som den, der begyndte at tilbyde polygene risikovurderinger til forældre. Derudover bliver sekventerede genomiske datasæt større og større (nogle med over en million genomer sekventeret), hvilket vil forbedre nøjagtigheden af ​​maskinlæringsmodeller over tid.

Hjernenetværk

I sin bog kalder Miguel Nicolelis, en af ​​pionererne inden for det, der nu er kendt som "brain hacking", connectivity menneskehedens fremtid, det næste trin i udviklingen af ​​vores art. Han udførte undersøgelser, hvor han forbandt hjernen på flere rotter ved hjælp af komplekse implanterede elektroder kendt som hjerne-hjerne-grænseflader.

Nicolelis og hans kolleger beskrev præstationen som den første "organiske computer" med levende hjerner koblet sammen, som om de var flere mikroprocessorer. Dyr i dette netværk har lært at synkronisere den elektriske aktivitet af deres nerveceller på samme måde som i enhver individuel hjerne. Netværkshjernen er blevet testet for ting som dens evne til at skelne mellem to forskellige mønstre af elektriske stimuli, og de udkonkurrerer generelt individuelle dyr. Hvis de indbyrdes forbundne hjerner hos rotter er "klogere" end noget enkelt dyr, så forestil dig mulighederne for en biologisk supercomputer, der er forbundet med en menneskelig hjerne. Et sådant netværk kunne give folk mulighed for at arbejde på tværs af sprogbarrierer. Derudover, hvis resultaterne af rotteundersøgelsen er korrekte, kan netværk af den menneskelige hjerne forbedre ydeevnen, eller det ser det ud til.

For nylig blev der udført eksperimenter, også nævnt på MT-siderne, som bestod i at kombinere hjerneaktiviteten hos et lille netværk af mennesker. Tre personer, der sad i forskellige rum, arbejdede sammen for at orientere en blok korrekt, så den kunne bygge bro mellem andre blokke i et Tetris-lignende videospil. To personer, der fungerede som "afsendere" med elektroencefalografer (EEG'er) på hovedet, der registrerede deres hjernes elektriske aktivitet, så spalten og vidste, om de skulle rotere blokken for at få den til at passe. Den tredje person, der fungerede som "modtager", kendte ikke den rigtige løsning og måtte stole på instruktioner sendt direkte fra afsendernes hjerner. I alt fem grupper af mennesker blev testet ved hjælp af dette netværk, kaldet "BrainNet" (7), og i gennemsnit opnåede de mere end 80% nøjagtighed på opgaven.

7. Foto fra BrainNet-eksperimentet

For at komplicere opgaven tilføjede forskerne nogle gange støj til signalet, der blev sendt af en af ​​afsenderne. Når de stod over for modstridende eller tvetydige instruktioner, lærte modtagerne hurtigt at identificere og følge afsenderens mere præcise instruktioner. Forskerne bemærker, at dette er den første rapport om, at mange menneskers hjerner er blevet forbundet på en fuldstændig ikke-invasiv måde. De hævder, at antallet af mennesker, hvis hjerner kan forbindes i netværk, er praktisk talt ubegrænset. De foreslår også, at transmissionen af ​​information ved hjælp af ikke-invasive metoder kunne forbedres ved samtidig billeddannelse af hjerneaktivitet ved hjælp af (fMRI), da dette potentielt øger mængden af ​​information, der kan formidles af tv-selskabet. Men fMRI er ikke en simpel procedure og vil komplicere en i forvejen ekstremt vanskelig opgave. Forskerne foreslår også, at signalet kan målrettes mod specifikke områder af hjernen for at udløse bevidsthed om specifikt semantisk indhold i modtagerens hjerne.

Samtidig udvikler værktøjer sig hurtigt til at forbinde til hjernen mere invasivt og måske mere effektivt. Elon Musk annoncerede for nylig udviklingen af ​​et BCI-implantat indeholdende XNUMX elektroder for at muliggøre udbredt kommunikation mellem computere og hjernenerveceller. (DARPA) har udviklet en implanterbar neural grænseflade, der samtidigt kan engagere en million nerveceller. Selvom disse BCI-moduler ikke er designet specifikt til at fungere sammen hjerne-hjernedet er ikke svært at forestille sig, at de kunne bruges til sådanne formål.

Ud over ovenstående er der en anden forståelse af "biohacking", som er moderne især i Silicon Valley og består af forskellige typer sundhedsprocedurer med til tider tvivlsomme videnskabelige grunde. Disse omfatter forskellige diæter og træningsteknikker samt... transfusion af ungt blod, samt implantation af subkutane chips. I dette tilfælde tænker de rige på noget som "death hacking" eller alderdom. Der er endnu ingen overbevisende beviser for, at de metoder, de bruger, kan forlænge livet markant, for ikke at nævne den udødelighed, som nogle drømmer om.