Узлом прыроды

Сама прырода можа навучыць нас узломваць прыроду, як, напрыклад, пчолы, якія Марк Мешер і Консуэла Дэ Мараес з ETH у Цюрыху адзначылі, што яны ўмела абгрызаюць лісце, каб «заахвоціць» расліны квітнець.

Цікава, што спробы паўтарыць гэтыя апрацоўкі казурак з дапамогай нашых метадаў не ўвянчаліся поспехам, і зараз навукоўцы задаюцца пытаннем, ці складаецца сакрэт эфектыўнага пашкоджання лісця казуркамі ва ўнікальнай схеме, якую яны выкарыстаюць, ці, магчыма, ва ўводзінах пчоламі нейкіх рэчываў. На іншых палі біяхакінгу тым не менш, мы робім лепш.

Напрыклад, інжынеры нядаўна выявілі, як ператварыць шпінат у сэнсарныя сістэмы навакольнага асяроддзяякія могуць папярэдзіць вас аб наяўнасці выбуховых рэчываў. У 2016 годзе інжынер-хімік Мін Хао Вонг і яго каманда з Масачусецкага тэхналагічнага інстытута перасадзілі вугляродныя нанатрубкі ў лісце шпінату. Сляды ўзрыўчаткіякія расліна ўвабрала праз паветра або падземныя воды, зрабіла нанатрубкі выпраменьваць флуарэсцэнтны сігнал. Каб улавіць такі сігнал з завода, на ліст навялі невялікую інфрачырвоную камеру і прымацавалі да чыпа Raspberry Pi. Калі камера выявіла сігнал, яна выклікала апавяшчэнне па электроннай пошце. Пасля распрацоўкі нанасенсараў у шпінаце Вонг пачаў распрацоўваць іншыя вобласці прымянення гэтай тэхналогіі, асабліва ў сельскай гаспадарцы, для папярэджання аб засухі або шкодніках.

з'ява біялюмінесцэнцыі, напрыклад. у кальмараў, медуз і іншых марскіх істот. Французскі дызайнер Сандра Рэй уяўляе біялюмінесцэнцыю як натуральны спосаб асвятлення, гэта значыць стварэнне «жывых» ліхтароў, якія выпраменьваюць святло без электрычнасці (2). Рэй з'яўляецца заснавальнікам і генеральным дырэктарам кампаніі Glowee, якая займаецца вытворчасцю біялюмінесцэнтнага асвятлення. Ён прадказвае, што аднойчы яны змогуць замяніць звычайнае электрычнае вулічнае асвятленне.

2. Візуалізацыя асвятлення Glowee

Для вытворчасці святла тэхнічныя адмыслоўцы Glowee прыцягваюць ген біялюмінесцэнцыі атрыманыя ад гавайскіх каракатыцы ў бактэрыі кішачнай палачкі, а затым яны вырошчваюць гэтыя бактэрыі. Праграмуючы ДНК, інжынеры могуць кіраваць колерам святла, калі ён выключаецца і ўключаецца, а таксама многімі іншымі мадыфікацыямі. Гэтыя бактэрыі, відавочна, маюць патрэбу ў доглядзе і падкорме, каб заставацца жывымі і зіхатлівымі, таму кампанія працуе над тым, каб даўжэй падтрымліваць святло. На дадзены момант, кажа Рэй у "Wired", у іх ёсць адна сістэма, якая працуе шэсць дзён. Бягучы абмежаваны тэрмін службы свяцілень азначае, што на дадзены момант яны ў асноўным падыходзяць для мерапрыемстваў ці фестываляў.

Хатнія жывёлы з электроннымі заплечнікамі

Вы можаце назіраць за казуркамі і спрабаваць пераймаць ім. Вы таксама можаце паспрабаваць іх “хакнуць” і выкарыстоўваць як… мініяцюрныя дроны. Шмялі забяспечаны «заплечнікамі» з датчыкамі, такімі як тыя, якія выкарыстоўваюцца фермерамі для назірання за сваімі палямі (3). Праблема мікрадронаў у магутнасці. З казуркамі такой праблемы няма. Яны лётаюць без стомы. Свой «багаж» інжынеры загрузілі датчыкамі, памяццю для захоўвання дадзеных, прымачамі для адсочвання месцазнаходжання і батарэямі для харчавання электронікі (гэта значыць значна меншай ёмістасці) – усё вагой 102 міліграма. Калі казуркі займаюцца сваімі паўсядзённымі справамі, датчыкі вымяраюць тэмпературу і вільготнасць, а іх становішча адсочваецца з дапамогай радыёсігналу. Пасля вяртання ў вулей адбываецца загрузка дадзеных і бесправадная зарадка акумулятара. Каманда навукоўцаў называе сваю тэхналогію – Living IoT.

3. Жывы IoT, які ўяўляе сабой чмяля з электроннай сістэмай на спіне

Заолаг Інстытут арніталогіі Макса Планка. Марцін Вікельскі вырашылі праверыць распаўсюджанае меркаванне аб тым, што жывёлы валодаюць прыроджанай здольнасцю адчуваць якія насоўваюцца бедствы. Вікельскі кіруе міжнародным праектам па ўстаноўцы датчыкаў на жывёл - ICARUS. Аўтар дызайну і даследавання атрымаў вядомасць, калі прымацаваў GPS-маякі жывёлам (4), як буйным, так і дробным, з мэтай вывучэння ўплыву з'яў на іх паводзіны. Навукоўцы паказалі, сярод іншага, што падвышаная прысутнасць белых буслоў можа сведчыць аб нашэсцях саранчы, а месцазнаходжанне і тэмпература цела качак крыжанкі могуць сведчыць аб распаўсюджванні птушынага грыпу сярод людзей.

4. Марцін Вікельскі і бусел-перадатчык

Цяпер Вікельскі выкарыстоўвае коз, каб высветліць, ці ёсць нешта ў старажытных тэорыях, што жывёлы "ведаюць" аб якія насоўваюцца землятрусах і вывяржэннях вулканаў. Адразу пасля моцнага землятрусу ў Норсіі ў Італіі ў 2016 годзе Вікельскі забяспечыў хатнюю жывёлу побач з эпіцэнтрам ашыйнікамі, каб паглядзець, ці паводзілі яны сябе па-іншаму перад штуршкамі. Кожны аброжак утрымоўваў абодва Прылада GPS-сачэння, як акселерометр.

Пазней ён патлумачыў, што пры такім кругласутачным маніторынгу можна вызначыць "нармальныя" паводзіны, а затым шукаць адхіленні. Вікельскі і яго каманда адзначылі, што жывёлы павялічылі паскарэнне руху за некалькі гадзін да таго, як адбыўся землятрус. Ён назіраў "перыяды папярэджання" ад 2 да 18 гадзін, у залежнасці ад выдалення ад эпіцэнтра. Вікельскі падае заяўку на патэнт на сістэму абвесткі аб стыхійных бедствах, заснаваную на калектыўных паводзінах жывёл у адносінах да зыходнага ўзроўню.

Палепшыць эфектыўнасць фотасінтэзу

Зямля жыве, таму што яна саджае па ўсім свеце вылучаюць кісларод як пабочны прадукт фотасінтэзуа некаторыя з іх становяцца дадатковымі пажыўнымі прадуктамі. Аднак фотасінтэз недасканалы, нягледзячы на ​​??многія мільёны гадоў эвалюцыі. Даследнікі з Універсітэта Ілінойса пачалі працу па ўхіленні дэфектаў фотасінтэзу, што, па іх меркаванні, можа падвысіць ураджайнасць да 40 адсоткаў.

Яны засяродзіліся на працэс, званы фотадыханнемякая з'яўляецца не столькі часткай фотасінтэзу, колькі яго следствам. Як і многія біялагічныя працэсы, фотасінтэз не заўсёды працуе ідэальна. Падчас фотасінтэзу расліны паглынаюць ваду і вуглякіслы газ і ператвараюць іх у цукры (ежу) і кісларод. Раслінам не патрэбен кісларод, таму яго выдаляюць.

Даследнікі вылучылі фермент пад назвай рибулозо-1,5-бісфасфаткарбаксілаза / аксігеназу (RuBisCO). Гэты бялковы комплекс звязвае малекулу вуглякіслага газу з рыбулоза-1,5-бісфасфатам (RuBisCO). На працягу стагоддзяў атмасфера Зямлі стала больш акісленай, а гэта азначае, што RuBisCO даводзіцца мець справу з вялікай колькасцю малекул кіслароду, змяшаных з вуглякіслым газам. У адным з чатырох выпадкаў RuBisCO памылкова захоплівае малекулу кіслароду, і гэта ўплывае на прадукцыйнасць.

З-за недасканаласці гэтага працэсу расліны застаюцца з таксічнымі пабочнымі прадуктамі, такімі як гліколат і аміяк. Апрацоўка гэтых злучэнняў (пасродкам фотадыхання) патрабуе энергіі, якая дадаецца да страт, якія ўзнікаюць у выніку неэфектыўнасці фотасінтэзу. Аўтары даследавання адзначаюць, што з-за гэтага рыс, пшаніца і соя маюць недахопы, а RuBisCO становіцца яшчэ менш дакладным пры павышэнні тэмпературы. Гэта азначае, што па меры ўзмацнення глабальнага пацяплення можа адбыцца скарачэнне запасаў прадуктаў харчавання.

Гэтае рашэнне з'яўляецца часткай праграмы пад назвай (RIPE) і ўключае ў сябе ўвядзенне новых генаў, якія робяць фотадыханне больш хуткім і энергаэфектыўным. Каманда распрацавала тры альтэрнатыўныя шляхі, выкарыстоўваючы новыя генетычныя паслядоўнасці. Гэтыя шляхі былі аптымізаваны для 1700 розных відаў раслін. На працягу двух гадоў навукоўцы тэсціравалі гэтыя паслядоўнасці, выкарыстоўваючы мадыфікаваны тытунь. Гэта звычайная расліна ў навуцы, таму што яго геном выключна добра вывучаны. Больш эфектыўныя шляхі фотадыхання дазваляюць раслінам эканоміць значную колькасць энергіі, якая можа быць скарыстана для іх росту. Наступным крокам з'яўляецца ўкараненне генаў у харчовыя культуры, такія як соя, фасолю, рыс і памідоры.

Штучныя клеткі крыві і выразкі генаў

Узлом прыроды гэта прыводзіць у рэшце рэшт да самога чалавека. У мінулым годзе японскія навукоўцы паведамілі, што яны распрацавалі штучную кроў, якую можна выкарыстоўваць для любога пацыента, незалежна ад групы крыві, якая мае некалькі рэальных ужыванняў у медыцыне траўмаў. Нядаўна навукоўцы здзейснілі яшчэ большы прарыў, стварыўшы сінтэтычныя эрытрацыты (5). Гэтыя штучныя клеткі крыві яны не толькі праяўляюць уласцівасці сваіх прыродных аналагаў, але і валодаюць пашыранымі магчымасцямі. Каманда з Універсітэта Нью-Мексіка, Нацыянальнай лабараторыі Сандыя і Паўднёва-Кітайскага політэхнічнага ўніверсітэта стварыла эрытрацыты, якія могуць не толькі служыць пераносчыкамі кіслароду ў розныя часткі цела, але і дастаўляць лекі, адчуваць таксіны і выконваць іншыя задачы. .

5. Сінтэтычная клетка крыві

Працэс стварэння штучных клетак крыві ён быў ініцыяваны натуральнымі клеткамі, якія спачатку былі пакрыты тонкім пластом кремнезема, а затым пластамі дадатных і адмоўных палімераў. Затым кремнезем пратручваюць і, нарэшце, паверхня пакрываюць мембранамі натуральных эрытрацытаў. Гэта прывяло да стварэння штучных эрытрацытаў, якія маюць памеры, форму, зарад і павярхоўныя вавёркі, падобныя сапраўдным.

Акрамя таго, даследнікі прадэманстравалі гнуткасць ізноў адукаваных клетак крыві, прапіхваючы іх праз малюсенькія шчыліны ў мадэльных капілярах. Нарэшце, пры тэсціраванні на мышах не было выяўлена таксічных пабочных эфектаў нават пасля 48 гадзін цыркуляцыі. Тэсты загружалі гэтыя клеткі гемаглабінам, супрацьракавымі прэпаратамі, датчыкамі таксічнасці або магнітнымі наначасціц, каб паказаць, што яны могуць несці розныя тыпы зарадаў. Штучныя клеткі таксама могуць выступаць у якасці прынады для патагенаў.

Узлом прыроды у канчатковым выніку гэта прыводзіць да думкі аб генетычнай карэкцыі, выпраўленні і канструяванні людзей, а таксама да адкрыцця інтэрфейсаў мозгу для прамога ўзаемадзеяння паміж мазгамі.

У наш час існуе шмат турботы і турботы з нагоды далягляды генетычных мадыфікацый чалавека. Аргументы на карысць таксама моцныя, напрыклад, што метады генетычных маніпуляцый могуць дапамагчы ўхіліць хваробу. Яны могуць ухіліць шматлікія формы болю і турботы. Яны могуць павялічыць інтэлект людзей і даўгалецце. Некаторыя людзі заходзяць так далёка, што гавораць, што могуць змяніць шкалу чалавечага шчасця і прадукцыйнасці на шмат парадкаў.

генная інжынерыякалі б да яго чаканых наступстваў ставіліся сур'ёзна, яго можна было б разглядаць як гістарычную падзею, роўнае кембрыйскім выбуху, які змяніў тэмп эвалюцыі. Калі большасць людзей думаюць аб эвалюцыі, яны думаюць аб біялагічнай эвалюцыі з дапамогай натуральнага адбору, але, як аказалася, можна ўявіць і іншыя яе формы.

Пачынаючы з XNUMX-х гадоў людзі пачалі мадыфікаваць ДНК раслін і жывёл (глядзіце таксама: ), стварэнне генетычна мадыфікаваныя прадуктыі г. д. У цяперашні час з дапамогай ЭКА штогод нараджаецца паўмільёна дзяцей. Усё часцей гэтыя працэсы таксама ўключаюць секвеніраванне эмбрыёнаў для скрынінга на наяўнасць хвароб і вызначэнне найбольш жыццяздольнага эмбрыёна (форма геннай інжынерыі, хоць і без рэальных актыўных змяненняў у геноме).

З з'яўленнем CRISPR і падобных тэхналогій (6) мы сталі сведкамі бурнага росту даследаванняў па занясенні рэальных змен у ДНК. У 2018 годзе Хэ Цзянькуй стварыў першых у Кітаі генетычна мадыфікаваных дзяцей, за што быў адпраўлены ў турму. У цяперашні час гэтае пытанне з'яўляецца прадметам разлютаваных этычных спрэчак. У 2017 годзе Нацыянальная акадэмія навук ЗША і Нацыянальная акадэмія медыцыны адобрылі канцэпцыю рэдагавання геному чалавека, але толькі "пасля знаходжання адказаў на пытанні бяспекі і прадукцыйнасці" і "толькі ў выпадку сур'ёзных захворванняў і пад пільным наглядам".

Спрэчкі выклікаюць пункты гледжання «дызайнерскіх немаўлятаў», гэта значыць праектавання людзей шляхам выбару рыс, якімі павінна валодаць дзіця, якое павінна нарадзіцца. Гэта непажадана, бо лічыцца, што толькі багатыя і прывілеяваныя людзі будуць мець доступ да такіх метадаў. Нават калі такое праектаванне доўгі час будзе тэхнічна немагчыма, яно нават будзе генетычныя маніпуляцыі адносна выдаленні генаў па дэфектах і захворванням дакладна не ацэньваюцца. Ізноў жа, як многія асцерагаюцца, гэта будзе даступна толькі абраным.

Аднак гэта не такі просты выраз і ўключэнне кнопак, як уяўляюць сабе тыя, хто знаёмы з CRISPR у асноўным па ілюстрацыях ў прэсе. Многія чалавечыя характарыстыкі і ўспрымальнасць да хвароб не кантралююцца адным ці двума генамі. Захворванні шматстайныя, пачынаючы ад наяўнасць аднаго гена, Ствараючы ўмовы для многіх тысяч варыянтаў рызыкі, павышэння або паніжэння ўспрымальнасці да фактараў навакольнага асяроддзя. Аднак, хоць многія хваробы, такія як дэпрэсія і дыябет, палігенны, часта дапамагае нават простае выразанне асобных генаў. Напрыклад, Verve распрацоўвае генную тэрапію, якая зніжае распаўсюджанасць сардэчна-сасудзістых захворванняў, адной з асноўных прычын смерці ва ўсім свеце. адносна невялікія выданні геному.

Для складаных задач, і адна з іх палігенная аснова хвароб, выкарыстанне штучнага інтэлекту ў апошні час стала рэцэптам. Ён заснаваны на кампаніях, падобных той, што пачала прапаноўваць бацькам адзнаку рызыкі палігенных фактараў. Акрамя таго, наборы секвенаваных геномных дадзеных становяцца ўсё больш і больш (у некаторых з іх секвенаваць больш за мільён геномаў), што з часам павысіць дакладнасць мадэляў машыннага навучання.

Мазгавая сетка

У сваёй кнізе Мігель Нікалеліс, адзін з піянераў таго, што цяпер вядома як «узлом мозгу», назваў сувязь будучыняй чалавецтва, наступным этапам эвалюцыі нашага віду. Ён правёў даследаванні, у якіх злучыў мозг некалькіх пацукоў з дапамогай складаных імплантаваных электродаў, вядомых як інтэрфейсы мозг-мозг.

Нікалеліс і яго калегі апісалі гэта дасягненне як першы «арганічны кампутар» з жывымі мазгамі, звязанымі разам, як калі б яны былі некалькімі мікрапрацэсарамі. Жывёлы ў гэтай сетцы навучыліся сінхранізаваць электрычную актыўнасць сваіх нервовых клетак сапраўды гэтак жа, як і ў любым асобным мозгу. Сеткавы мозг быў правераны на такія рэчы, як яго здольнасць адрозніваць два розныя ўзоры электрычных раздражняльнікаў, і яны звычайна пераўзыходзілі асобных жывёл. Калі ўзаемазвязаныя мазгі пацукоў "разумнейшыя", чым у любой асобнай жывёлы, прадстаўце магчымасці біялагічнага суперкампутара, злучаныя паміж сабой чалавечым мозгам. Такая сетка магла б дазволіць людзям працаваць, пераадольваючы моўныя бар'еры. Акрамя таго, калі вынікі даследавання на пацуках дакладныя, аб'яднанне чалавечага мозгу ў сетку можа палепшыць прадукцыйнасць, прынамсі, так здаецца.

Нядаўна былі праведзены эксперыменты, таксама згаданыя на старонках МТ, якія складаліся ў аб'яднанні мазгавой актыўнасці невялікай сеткі людзей. Тры чалавекі, якія сядзяць у розных пакоях, працавалі разам, каб правільна зарыентаваць блок, каб ён мог пераадолець разрыў паміж іншымі блокамі ў відэагульні, падобнай на тэтрыс. Два чалавекі, якія дзейнічалі як "адпраўнікі", з электраэнцэфалографамі (ЭЭГ) на галовах, якія запісвалі электрычную актыўнасць іх мозгу, бачылі шчыліну і ведалі, ці трэба паварочваць блок, каб ён падыходзіў. Трэці чалавек, які выступаў у ролі "атрымальніка", не ведаў правільнага рашэння і павінен быў спадзявацца на інструкцыі, якія пасылаюцца прама з мазгоў адпраўнікоў. У агульнай складанасці пяць груп людзей былі пратэставаны з дапамогай гэтай сеткі, званай «BrainNet» (7), і ў сярэднім яны дасягнулі дакладнасці больш за 80% пры выкананні задання.

7. Фота з эксперыменту BrainNet

Каб ускладніць задачу, даследнікі часам дадавалі шум да сігналу, які адпраўляецца адным з адпраўнікаў. Сутыкнуўшыся з супярэчлівымі або двухсэнсоўнымі ўказаннямі, атрымальнікі хутка навучыліся вызначаць і прытрымлівацца больш дакладным інструкцыям адпраўніка. Даследнікі адзначаюць, што гэта першае паведамленне аб тым, што мозг многіх людзей быў падключаны зусім неінвазіўным чынам. Яны сцвярджаюць, што колькасць людзей, чый мозг можна аб'яднаць у сетку, практычна не абмежавана. Яны таксама мяркуюць, што перадача інфармацыі з выкарыстаннем неінвазіўных метадаў можа быць палепшана за кошт адначасовай візуалізацыі актыўнасці мозгу з дапамогай (ФМРТ), паколькі гэта патэнцыйна павялічвае аб'ём інфармацыі, якую можа перадаць вяшчальнік. Аднак ФМРТ - няпростая працэдура, і яна ўскладніць і без таго надзвычай складаную задачу. Даследнікі таксама мяркуюць, што сігнал можа быць накіраваны на пэўныя вобласці мозгу, каб выклікаць ўсведамленне пэўнага семантычнага зместу ў мозгу атрымальніка.

У той жа час хутка развіваюцца прылады для больш інвазіўнага і, магчыма, больш эфектыўнага падлучэння да мозгу. Ілон Маск нядаўна абвясціла аб распрацоўцы імплантата BCI, які змяшчае XNUMX электродаў, для забеспячэння шырокага ўзаемадзеяння паміж кампутарамі і нервовымі клеткамі мозгу. (DARPA) распрацавала імплантаваны нейронавы інтэрфейс, здольны адначасова задзейнічаць мільён нервовых клетак. Хоць гэтыя модулі BCI не распрацоўваліся спецыяльна для ўзаемадзеяння мозг-мозгняцяжка ўявіць, што яны могуць быць выкарыстаны для такіх мэт.

Апроч вышэйпералічанага, існуе і іншае разуменне «біяхакінгу», моднае асабліва ў Крамянёвай даліне і якое складаецца ў розных выглядах аздараўленчых працэдур з часам сумнеўнымі навуковымі падставамі. Сярод іх розныя дыеты і тэхнікі практыкаванняў, а таксама ў т.л. пераліванне маладой крыві, а таксама імплантацыя падскурных чыпаў. У гэтым выпадку багатыя думаюць пра нешта накшталт «узлому смерці» ці старасці. Пакуль няма пераканаўчых доказаў таго, што выкарыстоўваныя імі метады дазваляюць значна падоўжыць жыццё, не кажучы ўжо пра якое марыцца некаторымі неўміручасці.