פריצה לטבע

הטבע עצמו יכול ללמד אותנו איך לפרוץ לטבע, כמו דבורים, שמארק משר וקונסואלו דה מוראס מ-ETH בציריך ציינו שהם נוגסים במומחיות עלים כדי "לעודד" צמחים לפרוח.

באופן מעניין, ניסיונות לשכפל את הטיפולים הללו בחרקים בשיטות שלנו לא צלחו, ומדענים תוהים כעת האם הסוד לפגיעה יעילה של חרקים בעלים טמון בדפוס הייחודי שהם משתמשים בהם, או אולי בהחדרת חומרים מסוימים על ידי הדבורים. על אחרים שדות ביוהאקינג עם זאת, מצבנו טוב יותר.

לדוגמה, מהנדסים גילו לאחרונה איך להפוך את התרד למערכות חושיות סביבתיותמה שיכול להתריע על נוכחותם של חומרי נפץ. בשנת 2016, המהנדס הכימי מינג האו וונג וצוותו ב-MIT השתילו ננו-צינוריות פחמן בעלי תרד. עקבות של חומרי נפץשהצמח ספג דרך האוויר או מי התהום, יצר ננו-צינורות פולט אות ניאון. כדי ללכוד אות כזה מהמפעל, כוונה מצלמת אינפרא אדום קטנה לעבר העלה וחוברה לשבב Raspberry Pi. כאשר המצלמה זיהתה אות, היא הפעילה התראה בדוא"ל. לאחר פיתוח ננו-חיישנים בתרד, וונג החל לפתח יישומים אחרים לטכנולוגיה, במיוחד בחקלאות כדי להתריע מפני בצורת או מזיקים.

תופעת הביו-אור, למשל. בדיונונים, מדוזות ויצורי ים אחרים. המעצבת הצרפתייה סנדרה ריי מציגה את ה-bioluminescence כדרך טבעית לתאורה, כלומר יצירת פנסים "חיים" הפולטים אור ללא חשמל (2). ריי הוא המייסד והמנכ"ל של Glowee, חברת תאורה ביולוגית. הוא צופה שיום אחד הם יוכלו להחליף את תאורת הרחוב החשמלית הקונבנציונלית.

2. הדמיית תאורה Glowee

לייצור אור, טכנאי Glowee מעורבים גן ביולוגיות מתקבל מדיונון הוואי לתוך חיידקי E. coli, ואז הם מגדלים את החיידקים האלה. על ידי תכנות ה-DNA, המהנדסים יכולים לשלוט בצבע האור כאשר הוא נכבה ונדלק, כמו גם שינויים רבים אחרים. ברור שצריך לטפל בחיידקים האלה ולהאכיל אותם כדי להישאר בחיים וזוהרים, ולכן החברה פועלת לשמור על האור דולק זמן רב יותר. כרגע, אומר Rei ב-Wired, יש להם מערכת אחת שפועלת כבר שישה ימים. אורך החיים המוגבל הנוכחי של המתקנים אומר שהם מתאימים בעיקר לאירועים או פסטיבלים כרגע.

חיות מחמד עם תיקי גב אלקטרוניים

אפשר לצפות בחרקים ולנסות לחקות אותם. אתה יכול גם לנסות "לפרוץ" אותם ולהשתמש בהם בתור... מזל"טים מיניאטוריים. דבורי הבומבוס מצוידות ב"תרמילים" עם חיישנים, כמו אלה המשמשים את החקלאים לניטור השדות שלהם (3). הבעיה עם מיקרודרונים היא כוח. אין בעיה כזו עם חרקים. הם עפים ללא לאות. מהנדסים העמיסו את ה"מטען" שלהם בחיישנים, זיכרון לאחסון נתונים, מקלטים למעקב אחר מיקום וסוללות להפעלת אלקטרוניקה (כלומר, קיבולת קטנה בהרבה) - כולם במשקל 102 מיליגרם. בזמן שהחרקים מבצעים את הפעילות היומיומית שלהם, חיישנים מודדים טמפרטורה ולחות, ומיקומם מתבצע באמצעות אות רדיו. לאחר החזרה לכוורת, הנתונים יורדים והסוללה נטענת באופן אלחוטי. צוות המדענים מכנה את הטכנולוגיה שלהם Living IoT.

3. Live IoT, שהיא דבורת בומבוס עם מערכת אלקטרונית על הגב

הזואולוג מקס פלאנק מכון צפר. מרטין ויקלסקי החליט לבדוק את האמונה הרווחת שלבעלי חיים יש יכולת מולדת לחוש אסונות צפויים. ויקלסקי מוביל את פרויקט חישת החיות הבינלאומי, ICARUS. מחבר העיצוב והמחקר זכה לשמצה כאשר צירף משואות GPS בעלי חיים (4), גדולים וקטנים כאחד, במטרה לחקור את השפעתן של תופעות על התנהגותן. מדענים הראו, בין היתר, כי נוכחות מוגברת של חסידות לבנה עשויה להעיד על נגיעות ארבה, ומיקומם וטמפרטורת הגוף של ברווזי הברזל עשויים להעיד על התפשטות שפעת העופות בקרב בני אדם.

4. מרטין ויקלסקי וחסידות המשדר

כעת משתמש ויקלסקי בעזים כדי לברר אם יש משהו בתיאוריות העתיקות שבעלי חיים "יודעים" על רעידות אדמה מתקרבות והתפרצויות געשיות. מיד לאחר רעידת האדמה האדירה ב-Norcia באיטליה בשנת 2016, ויקלסקי עיקם בעלי חיים ליד המוקד כדי לראות אם הם התנהגו אחרת לפני הזעזועים. כל צווארון הכיל את שניהם מכשיר מעקב GPSכמו מד תאוצה.

מאוחר יותר הוא הסביר שעם ניטור כזה מסביב לשעון, אפשר לקבוע התנהגות "נורמלית" ואז לחפש חריגות. ויקלסקי וצוותו ציינו כי בעלי החיים הגבירו את תאוצתם בשעות שלפני פגיעת רעידת האדמה. הוא צפה ב"תקופות אזהרה" בין שעתיים ל-2 שעות, בהתאם למרחק מהמוקד. ויקלסקי מבקשת פטנט על מערכת התרעה על אסונות המבוססת על התנהגות קולקטיבית של בעלי חיים ביחס לקו הבסיס.

שפר את יעילות הפוטוסינתזה

כדור הארץ חי כי הוא נוטע בכל העולם לשחרר חמצן כתוצר לוואי של פוטוסינתזהוחלקם הופכים למזונות מזינים נוספים. עם זאת, הפוטוסינתזה אינה מושלמת, למרות מיליוני שנים רבות של אבולוציה. חוקרים מאוניברסיטת אילינוי החלו לעבוד על תיקון הפגמים בפוטוסינתזה, שלדעתם יכול להגדיל את תפוקת היבול ב-40 אחוזים.

הם התמקדו תהליך הנקרא photorespirationשהיא לא כל כך חלק מהפוטוסינתזה אלא התוצאה שלה. כמו תהליכים ביולוגיים רבים, הפוטוסינתזה לא תמיד עובדת בצורה מושלמת. במהלך הפוטוסינתזה, צמחים קולטים מים ופחמן דו חמצני והופכים אותם לסוכרים (מזון) וחמצן. צמחים אינם זקוקים לחמצן, ולכן הוא מוסר.

החוקרים בודדו אנזים בשם ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCO). קומפלקס חלבון זה קושר מולקולת פחמן דו חמצני ל-ribulose-1,5-bisphosphate (RuBisCO). במהלך מאות השנים, האטמוספירה של כדור הארץ התחמצנה יותר, כלומר RuBisCO נאלץ להתמודד עם יותר מולקולות חמצן מעורבות בפחמן דו חמצני. באחד מכל ארבעה מקרים, RuBisCO לוכד בטעות מולקולת חמצן, וזה משפיע על הביצועים.

בשל חוסר השלמות של תהליך זה, צמחים נותרים עם תוצרי לוואי רעילים כגון גליקולט ואמוניה. העיבוד של תרכובות אלו (באמצעות photorespiration) דורש אנרגיה, שמתווספת להפסדים הנובעים מחוסר היעילות של הפוטוסינתזה. מחברי המחקר מציינים כי לאורז, חיטה ופולי סויה יש מחסור בשל כך, ו-RuBisCO הופך אפילו פחות מדויק ככל שהטמפרטורה עולה. המשמעות היא שככל שההתחממות הגלובלית מתעצמת, תיתכן ירידה באספקת המזון.

פתרון זה הוא חלק מתוכנית שנקראת (RIPE) וכוללת החדרת גנים חדשים שהופכים את הפוטו-נשימה למהירה יותר וחסכונית יותר באנרגיה. הצוות פיתח שלושה מסלולים חלופיים באמצעות הרצפים הגנטיים החדשים. מסלולים אלה עברו אופטימיזציה עבור 1700 מיני צמחים שונים. במשך שנתיים, המדענים בדקו את הרצפים הללו באמצעות טבק שונה. זהו צמח נפוץ במדע מכיוון שהגנום שלו מובן בצורה יוצאת דופן. יותר מסלולים יעילים עבור photorespiration לאפשר לצמחים לחסוך כמות משמעותית של אנרגיה שיכולה לשמש לצמיחתם. השלב הבא הוא הכנסת גנים לגידולי מזון כגון פולי סויה, שעועית, אורז ועגבניות.

תאי דם מלאכותיים וגזירי גנים

פריצה לטבע זה מוביל בסופו של דבר לאדם עצמו. בשנה שעברה דיווחו מדענים יפנים שהם פיתחו דם מלאכותי שניתן להשתמש בו על כל חולה, ללא קשר לסוג הדם, שיש לו כמה יישומים אמיתיים ברפואת טראומה. לאחרונה, מדענים עשו פריצת דרך גדולה עוד יותר על ידי יצירת תאי דם אדומים סינתטיים (5). אלה תאי דם מלאכותיים הם לא רק מראים את המאפיינים של עמיתיהם הטבעיים, אלא גם בעלי יכולות מתקדמות. צוות מאוניברסיטת ניו מקסיקו, המעבדה הלאומית של Sandia ואוניברסיטת דרום סין הפוליטכנית יצרו תאי דם אדומים שיכולים לא רק לשאת חמצן לחלקים שונים בגוף, אלא גם להעביר תרופות, לחוש רעלים ולבצע משימות אחרות. .

5. תאי דם סינתטיים

תהליך יצירת תאי דם מלאכותיים זה נוצר על ידי תאים טבעיים שצופו תחילה בשכבה דקה של סיליקה ולאחר מכן בשכבות של פולימרים חיוביים ושליליים. לאחר מכן נצרבת הסיליקה ולבסוף מכוסה פני השטח בקרום אריתרוציטים טבעיים. זה הוביל ליצירת אריתרוציטים מלאכותיים, בעלי גודל, צורה, מטען וחלבוני פני השטח דומים לאלה האמיתיים.

בנוסף, החוקרים הדגימו את הגמישות של תאי דם שזה עתה נוצרו על ידי דחיפתם דרך פערים זעירים בנימי דגם. לבסוף, כאשר נבדקו בעכברים, לא נמצאו תופעות לוואי רעילות גם לאחר 48 שעות של מחזור. הבדיקות העמיסו על התאים הללו המוגלובין, תרופות אנטי-סרטניות, חיישני רעילות או ננו-חלקיקים מגנטיים כדי להראות שהם יכולים לשאת מטענים מסוגים שונים. תאים מלאכותיים יכולים לשמש גם כפיתיון לפתוגנים.

פריצה לטבע זה מוביל בסופו של דבר לרעיון של תיקון גנטי, תיקון והנדסה של בני אדם, ופתיחת ממשקי מוח לתקשורת ישירה בין מוחות.

נכון לעכשיו, יש הרבה חרדה ודאגה לגבי הסיכוי של שינוי גנטי אנושי. הטיעונים בעד הם גם חזקים, כמו שטכניקות מניפולציה גנטית יכולות לעזור לחסל את המחלה. הם יכולים לחסל צורות רבות של כאב וחרדה. הם יכולים להגביר את האינטליגנציה ואת אריכות החיים של אנשים. יש אנשים שמרחיקים לכת ואומרים שהם יכולים לשנות את קנה המידה של האושר והפרודוקטיביות האנושית בסדרי גודל רבים.

הנדסה גנטיתאם ההשלכות הצפויות שלו היו לוקחות ברצינות, אפשר היה להתייחס אליו כאירוע היסטורי, השווה לפיצוץ הקמבריון, ששינה את קצב האבולוציה. כאשר רוב האנשים חושבים על אבולוציה, הם חושבים על אבולוציה ביולוגית באמצעות ברירה טבעית, אך כפי שמתברר, ניתן לדמיין צורות אחרות שלה.

החל מ- XNUMX, אנשים החלו לשנות את ה-DNA של צמחים ובעלי חיים (ראה גם: ), יצירה מאכלים מהונדסים גנטיתוכו' נכון להיום, חצי מיליון ילדים נולדים מדי שנה בעזרת הפריה חוץ גופית. יותר ויותר, תהליכים אלה כוללים גם ריצוף של עוברים לבדיקת מחלות וקביעת העובר הכי קיימא (סוג של הנדסה גנטית, אם כי ללא שינויים פעילים ממשיים בגנום).

עם הופעתן של CRISPR וטכנולוגיות דומות (6), ראינו פריחה במחקר לביצוע שינויים אמיתיים ב-DNA. בשנת 2018, He Jiankui יצר את הילדים המהונדסים גנטית הראשונים בסין, שבגינם הוא נשלח לכלא. נושא זה נתון כיום לוויכוח אתי חריף. בשנת 2017, האקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית והאקדמיה הלאומית לרפואה אישרו את הרעיון של עריכת הגנום האנושי, אך רק "לאחר מציאת תשובות לשאלות של בטיחות וביצועים" ו"רק במקרה של מחלות קשות ותחת פיקוח צמוד. "

נקודת המבט של "תינוקות מעצבים", כלומר, עיצוב אנשים על ידי בחירת התכונות שילד צריך להיוולד, מעוררת מחלוקת. זה לא רצוי שכן מאמינים שרק לעשירים ומיוחסים תהיה גישה לשיטות כאלה. גם אם עיצוב כזה הוא בלתי אפשרי מבחינה טכנית במשך זמן רב, זה יהיה אפילו מניפולציה גנטית לגבי מחיקת גנים לפגמים ומחלות אינם מוערכים בבירור. שוב, כפי שרבים חוששים, זה יהיה זמין רק למעטים נבחרים.

עם זאת, לא מדובר בחיתוך והכללת כפתורים פשוטים כפי שמדמיינים מי שמכיר את CRISPR בעיקר מאיורים בעיתונות. מאפיינים אנושיים רבים ורגישות למחלות אינם נשלטים על ידי גן אחד או שניים. מחלות נעות בין בעל גן אחד, יצירת תנאים לאלפים רבים של אפשרויות סיכון, הגדלת או הקטנת הרגישות לגורמים סביבתיים. עם זאת, בעוד שמחלות רבות, כגון דיכאון וסוכרת, הן פוליגניות, אפילו חיתוך גנים בודדים עוזר לעתים קרובות. לדוגמה, Verve מפתחת טיפול גנטי שמפחית את השכיחות של מחלות לב וכלי דם, אחת מגורמי המוות המובילים בעולם. מהדורות קטנות יחסית של הגנום.

למשימות מורכבות, ואחת מהן בסיס פוליגני של מחלה, השימוש בבינה מלאכותית הפך לאחרונה למתכון. זה מבוסס על חברות כמו זו שהחלו להציע להורים הערכת סיכונים פוליגנית. בנוסף, מערכי נתונים גנומיים ברצף הולכים וגדלים (חלקם עם יותר ממיליון גנומים ברצף), מה שיגדיל את הדיוק של מודלים של למידת מכונה לאורך זמן.

רשת מוח

בספרו, מיגל ניקולליס, אחד מחלוצי מה שמכונה כיום "פריצת מוח", כינה את התקשורת עתיד האנושות, השלב הבא באבולוציה של המין שלנו. הוא ערך מחקר שבו חיבר את המוח של כמה חולדות באמצעות אלקטרודות מושתלות מתוחכמות הידועות כממשקי מוח-מוח.

ניקולליס ועמיתיו תיארו את ההישג כ"מחשב אורגני" הראשון עם מוחות חיים המקושרים זה לזה כאילו היו מיקרו-מעבדים מרובים. בעלי החיים ברשת זו למדו לסנכרן את הפעילות החשמלית של תאי העצב שלהם באותו אופן שבו הם עושים בכל מוח בודד. המוח המרושת נבדק על דברים כמו יכולתו להבחין בין שני דפוסים שונים של גירויים חשמליים, והם בדרך כלל מתגברים על בעלי חיים בודדים. אם המוח המקושר זה לזה של חולדות "חכם" יותר מאלה של כל חיה בודדת, דמיינו את היכולות של מחשב-על ביולוגי המחובר זה לזה במוח אנושי. רשת כזו יכולה לאפשר לאנשים לעבוד על פני מחסומי שפה. כמו כן, אם התוצאות של מחקר החולדות נכונות, חיבור המוח האנושי ברשת עשוי לשפר את הביצועים, או כך לפחות נראה.

היו ניסויים לאחרונה, שהוזכרו גם בדפי MT, שכללו איגום פעילות מוחית של רשת קטנה של אנשים. שלושה אנשים שישבו בחדרים שונים עבדו יחד כדי לכוון את הבלוק בצורה נכונה כדי שיוכל לגשר על הפער בין בלוקים אחרים במשחק וידאו דמוי טטריס. שני אנשים שפעלו כ"שולחים", עם אלקטרואנצפלוגרפים (EEG) על ראשם שתיעדו את הפעילות החשמלית של המוח שלהם, ראו את הפער וידעו אם צריך לסובב את הבלוק כדי להתאים. האדם השלישי, המשמש כ"מקבל", לא ידע את הפתרון הנכון ונאלץ להסתמך על הוראות שנשלחו ישירות ממוחם של השולחים. בסך הכל נבדקו חמש קבוצות של אנשים ברשת זו, הנקראת "BrainNet" (7), ובממוצע הם השיגו דיוק של למעלה מ-80% במשימה.

7. תמונה מניסוי BrainNet

כדי להקשות, החוקרים הוסיפו לפעמים רעש לאות שנשלח על ידי אחד השולחים. מול כיוונים סותרים או מעורפלים, הנמענים למדו במהירות לזהות ולעקוב אחר ההוראות המדויקות יותר של השולח. החוקרים מציינים שזהו הדיווח הראשון לפיו מוחותיהם של אנשים רבים חווטו בצורה לא פולשנית לחלוטין. הם טוענים שמספר האנשים שניתן לרשת את מוחותיהם הוא כמעט בלתי מוגבל. הם גם מציעים שניתן לשפר את העברת המידע בשיטות לא פולשניות על ידי הדמיית פעילות מוחית סימולטנית (fMRI), שכן הדבר עשוי להגדיל את כמות המידע שגוף שידור יכול להעביר. עם זאת, fMRI אינו הליך קל, והוא יסבך משימה קשה מאוד. החוקרים גם משערים שניתן לכוון את האות לאזורים ספציפיים במוח כדי לעורר מודעות לתוכן סמנטי ספציפי במוחו של הנמען.

במקביל, כלים לקישוריות מוח פולשנית יותר ואולי יעילה יותר מתפתחים במהירות. אילון מאסק הודיעה לאחרונה על פיתוח שתל BCI המכיל XNUMX אלקטרודות כדי לאפשר תקשורת רחבה בין מחשבים ותאי עצב במוח. (DARPA) פיתחה ממשק עצבי מושתל המסוגל לירות בו זמנית מיליון תאי עצב. למרות שמודולי BCI אלה לא תוכננו במיוחד לעבודה הדדית מוח-מוחלא קשה לדמיין שניתן להשתמש בהם למטרות כאלה.

בנוסף לאמור לעיל, ישנה הבנה נוספת של "ביו-האקינג", שהוא אופנתי במיוחד בעמק הסיליקון ומורכב מסוגים שונים של הליכי בריאות עם יסודות מדעיים מפוקפקים לעתים. ביניהם דיאטות שונות וטכניקות פעילות גופנית, כמו גם כולל. עירוי של דם צעיר, כמו גם השתלת שבבים תת עוריים. במקרה זה, העשירים חושבים על משהו כמו "מוות פריצה" או זקנה. עד כה, אין הוכחות משכנעות לכך שהשיטות בהן הן משתמשות יכולות להאריך את החיים באופן משמעותי, שלא לדבר על האלמוות שיש חולמים עליה.