Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Hakowanie natury

Hakowanie natury
Hakowania natury może nauczyć nas sama natura, choćby pszczoły, które jak zauważyli Mark Mescher i Consuelo De Moraes, z ETH w Zurychu, w umiejętny sposób nadgryzają liście tak, aby "skłonić" rośliny do kwitnienia.

Co ciekawe, próby powtórzenia tych owadzich zabiegów za pomocą naszych technik nie dały rezultatu i teraz uczeni zachodzą w głowę, czy tajemnica skutecznego uszkadzania liści przez owady tkwi w unikatowym wzorze stosowanym przez nie, czy może we wstrzykiwaniu przez pszczoły jakichś substancji. Na innych polach biohakerskich idzie nam jednak lepiej.

Na przykład niedawno inżynierowie odkryli, jak przekształcić szpinak w systemy czujników środowiskowych, które mogą ostrzegać o obecności materiałów wybuchowych. W 2016 r. inżynier chemik Min Hao Wong i jego zespół w MIT transplantowali nanorurki węglowe do liści szpinaku. Ślady materiałów wybuchowych, które roślina absorbowała przez powietrze lub wody gruntowe, powodowały, że nanorurki emitowały sygnał fluorescencyjny. Aby odebrać taki sygnał od rośliny, skierowano małą kamerę na podczerwień na liście i dołączono ją do układu Raspberry Pi. Kiedy kamera wykryła sygnał, uruchomiało to alarm e-mailowy. Po opracowaniu nanosensorów w szpinaku Wong zaczął rozwijać inne zastosowania tej technologii, szczególnie w rolnictwie, do ostrzegania przed suszą lub szkodnikami.

Hakuje się też do celów użytkowych zjawisko bioluminescencji, występująa m.in. u kałamarnic, meduz i innych morskich stworzeń. Francuska projektantka Sandry Rey wyobraża sobie bioluminescencję jako naturalny sposób na oświetlenie, czyli tworzenie źródeł "żywych" latarni, które emitują blask bez elektryczności (2). Rey jest założycielką i dyrektorem generalnym firmy Glowee, która chce produkować oświetlenie bioluminescencyjne. Przewiduje ona, że pewnego dnia mogą one zastąpić zwykłe elektryczne oświetlenie uliczne.

2. Wizualizacja oświetlenia Glowee

Aby wytworzyć światło, technicy Glowee wprowadzają gen bioluminescencji pochodzący z hawajskiej mątwy ogoniastej do bakterii E. coli, a następnie hodują te bakterie. Przez zaprogramowanie DNA inżynierowie mogą kontrolować kolor światła, kiedy się ono wyłącza i włącza, oraz wiele innych modyfikacji. Bakterie te potrzebują oczywiście opieki i karmienia, aby żyły i świeciły, więc firma pracuje nad sposobami, które pozwolą utrzymać światło przez dłuższy czas. W tym momencie, opowiada w "Wired" Rey, mają jeden system, który działa sześć dni. Obecny ograniczony czas życia świateł sprawia, że są one na razie dostosowane głównie do imprez lub festiwali.

Zwierzęta z elektronicznymi plecakami

Można owady podpatrywać i próbować je naśladować. Można też spróbować je "zhakować" i wykorzystać jako… miniaturowe drony. Trzmiele wyposażone w "plecaki" z czujnikami mają zastąpić drony, których np. rolnicy używają do monitorowania pól (3). Problemem mikrodronów jest zasilanie. Z owadami nie ma tego problemu. Latają bez wytchnienia. Inżynierowie załadowali do ich "bagażu" czujniki, pamięci do zapisu danych, odbiorniki do śledzenia lokalizacji oraz akumulatorki do zasilania elektroniki (czyli o znacznie mniejszej pojemności) - wszystko o masie 102 miligramów. 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 i bateria ładuje się bezprzewodowo. Zespół naukowców nazywa swoją technologię - Living IoT (żywy Internet Rzeczy).

3. Living IoT, czyli trzmiel z układem elektronicznym na plecach

Zoolog z Instytutu Ornitologii Maxa Plancka Martin Wikelski postanowił sprawdzić obiegowe przekonania, że zwierzęta mają wrodzoną zdolność do wyczuwania nadchodzących katastrof. Wikelski kieruje międzynarodowym projektem polegającym na instalowaniu na zwierzętach sensorów - ICARUS. Projekt i autor badań zyskali rozgłos, gdy przymocowano sygnalizatory GPS do zwierząt (4), zarówno dużych i małych w celu badania wpływu zjawisk na ich zachowania. Naukowcy wykazali m.in., że zwiększona obecność białych bocianów może oznaczać ogniska szarańczy, a lokalizacja i temperatura ciała kaczek krzyżówek mogą świadczyć o rozprzestrzenianiu się ptasiej grypy u ludzi.

4. Martin Wikelski i nadajnik na bocianie

Teraz Wikelski wykorzystuje kozy, aby sprawdzić, czy jest coś w starożytnych teoriach, że zwierzęta "wiedzą" o zbliżających się trzęsieniach ziemi i wybuchach wulkanów. Natychmiast po tym, jak potężne trzęsienie ziemi wstrząsnęło Norcią we Włoszech, w 2016 roku, Wikelski wyposażył zwierzęta hodowlane w pobliżu epicentrum w obroże, aby sprawdzić, czy zachowywały się inaczej przed wstrząsami wtórnymi. Każda obroża zawierała zarówno urządzenie śledzące GPS, jak i akcelerometr.

Dzięki temu całodobowemu monitorowaniu, wyjaśniał potem, można rozpoznawać "normalne" zachowania a następnie szukać odchyleń. Wikelski i jego zespół odnotowali, że zwierzęta zwiększyły przyspieszenie przemieszczania się na kilka godzin przed wystąpieniem trzęsienia ziemi. Zaobserwował "okresy ostrzegawcze" od 2 do 18 godzin, zależnie od odległości od epicentrum. Wikelski ubiega się o patent na system ostrzegania o katastrofach oparty na zbiorowym zachowaniu zwierząt w stosunku do stanu wyjściowego.

Poprawić wydajność fotosyntezy

Ziemia żyje, ponieważ rośliny na całym świecie emitują tlen jako produkt uboczny fotosyntezy, a niektóre z nich stają się dodatkowo pożywnymi produktami spożywczymi. Jednak fotosynteza nie jest idealna pomimo wielu milionów lat ewolucji. Naukowcy z uniwersytetu w Illinois podjęli prace nad usunięciem wad fotosyntezy, co, według nich, mogłoby poprawić plony nawet o 40 proc.

Skupili się na procesie zwanym fotorespiracją, który jest nie tyle częścią fotosyntezy, co jej konsekwencją. Jak wiele procesów biologicznych, fotosynteza nie działa idealnie przez cały czas. W procesie fotosyntezy rośliny pobierają wodę i dwutlenek węgla oraz przetwarzają je na cukry (pożywienie) i tlen. Rośliny nie potrzebują tlenu, więc jest on usuwany.

Uczeni zwrócili uwagę na enzym, zwany karboksylaza/ oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBisCO). Ten kompleks białkowy wiąże cząsteczkę dwutlenku węgla z rybulozo-1,5-bisfosforanem (RuBisCO). Na przestrzeni wieków atmosfera Ziemi stała się bardziej utleniona, co oznacza, że RuBisCO musi radzić sobie z większą ilością cząsteczek tlenu zmieszanych z dwutlenkiem węgla. W jednym na cztery przypadku RuBisCO chwyta przez pomyłkę cząsteczkę tlenu, a to ma konsekwencje wydajnościowe.

Wskutek niedoskonałości tego procesu rośliny pozostają z toksycznymi produktami ubocznymi, takimi jak glikolan i amoniak. Przetwarzanie tych związków (poprzez fotorespirację) wymaga energii, która jest dodawana do strat wynikających z nieefektywności fotosyntezy. Autorzy badań zauważają, że ryż, pszenica i soja mają z tego powodu wady, a RuBisCO staje się jeszcze mniej dokładne w miarę wzrostu temperatury. Oznacza to, że wraz z nasilaniem się globalnego ocieplenia może dojść do spadku dostaw żywności.

Rozwiązanie to jest częścią programu o nazwie Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) i polega na wprowadzeniu nowych genów, które sprawiają, że fotorespiracja staje się szybsza i bardziej efektywna energetycznie. Zespół opracował trzy alternatywne ścieżki wykorzystujące nowe sekwencje genetyczne. Zoptymalizowano te ścieżki w 1700 różnych gatunkach roślin. W ciągu dwóch lat naukowcy testowali te sekwencje przy użyciu zmodyfikowanego tytoniu. Jest to powszechna roślina w nauce, ponieważ jej genom jest wyjątkowo dobrze poznany. Bardziej wydajne ścieżki fotorespiracji pozwalają roślinom zaoszczędzić znaczną ilość energii, która może być wykorzystana do ich wzrostu. Następnym krokiem jest włączenie genów do roślin spożywczych, takich jak soja, fasola, ryż i pomidory.

Sztuczne krwinki i genowe wycinanki

Hakowanie natury prowadzi w końcu do samego człowieka. W zeszłym roku japońscy naukowcy zgłosili, że opracowali sztuczną krew, która może być użyta u każdego pacjenta, niezależnie od grupy krwi - co ma kilka rzeczywistych zastosowań w medycynie urazowej. Naukowcy dokonali ostatnio jeszcze większego przełomu, tworząc syntetyczne czerwone krwinki (5). Te sztuczne krwinki nie tylko wykazują właściwości swoich naturalnych odpowiedników, ale mają również rozszerzone możliwości. Zespół z uniwersytetu w Nowym Meksyku, Narodowych Laboratoriów w Sandii i Politechniki Południowochińskiej stworzył czerwone krwinki, które mogą nie tylko działać jako nośniki tlenu do różnych części ciała, ale mogą dostarczać leki, wyczuwać toksyny i wykonywać inne zadania.

5. Syntetyczna krwinka

Proces tworzenia sztucznych krwinek został zainicjowany przez naturalne komórki, które najpierw pokryto cienką warstwą krzemionki, a następnie warstwami polimerów o dodatnim i ujemnym ładunku. Krzemionka jest następnie wytrawiana, a na koniec powierzchnia jest powlekana naturalnymi membranami czerwonych krwinek. Doprowadziło to do stworzenia sztucznych czerwonych krwinek, które mają wielkość, kształt, ładunek i białka powierzchniowe podobne do prawdziwych.

Ponadto uczeni udowodnili elastyczność nowo utworzonych krwinek przeciskając je przez maleńkie szczeliny w modelowych kapilarach. I wreszcie, podczas testów na zwierzętach przeprowadzonych na myszach, nie wykryto żadnych toksycznych skutków ubocznych, nawet po 48 godzinach krążenia. W testach "załadowano" na pokład tych komórek hemoglobinę, leki przeciwnowotworowe, czujniki toksyczności lub nanocząsteczki magnetyczne, aby wykazać, że mogą one przenosić różne rodzaje ładunków. Sztuczne komórki mogą również działać jako przynęta dla patogenów.

Hakowanie natury prowadzi ostatecznie do myśli o genetycznych poprawianiu, naprawianiu i projektowaniu ludzi oraz do otwarcia interfejsów mózgowych aż do komunikacji bezpośredniej mózgu z mózgiem.

Obecnie pojawia się wiele obaw i niepokoju wokół perspektywy genetycznej modyfikacji człowieka. Argumenty "za" też są i to silne, np. takie, że techniki manipulacji genetycznych mogą pomóc w eliminacji chorób. Mogą wyeliminować wiele form bólu i lęku. Mogą zwiększyć inteligencję i długowieczność ludzi. Niektórzy posuwają się do twierdzenia, że mogłyby zmienić skalę ludzkiego szczęścia i produktywności o wiele rzędów wielkości.

Inżynieria genetyczna, gdyby brać serio jej przewidywane konsekwencje, mogłaby być postrzegana jako wydarzenie historyczne o randze równej kambryjskiej eksplozji, która zmieniła tempo ewolucji. Kiedy większość ludzi myśli o ewolucji, to myśli o ewolucji biologicznej poprzez selekcję naturalną, ale jak się okazuje, można wyobrazić sobie inne jej formy.

Począwszy od lat siedemdziesiątych XX wieku ludzie zaczęli modyfikować DNA roślin i zwierząt (zobacz także: Genesis artificialis - tworzymy DNA, którego natura nie zna), tworząc genetycznie zmodyfikowaną żywność, itp. Obecnie co roku rodzi się pół miliona dzieci przy użyciu zapłodnienia in vitro. Coraz częściej procesy te obejmują także sekwencjonowanie embrionów w celu zbadania ich pod kątem występowania chorób oraz doprowadzenie do rozpoznania najbardziej żywotnego embrionu (jest to forma inżynierii genetycznej, choć bez faktycznych aktywnych zmian w genomie).

Wraz z powstaniem CRISPR i podobnych technik (6) byliśmy świadkami eksplozji badań nad dokonywaniem rzeczywistych zmian w DNA. W 2018 roku He Jiankui stworzył pierwsze genetycznie zmodyfikowane dzieci w Chinach, za co trafił do więzienia. Kwestia ta jest obecnie przedmiotem zażartych sporów etycznych. W 2017 roku Amerykańska Narodowa Akademia Nauk i Narodowa Akademia Medyczna wsparły koncepcję edycji ludzkiego genomu, jednak dopiero "po znalezieniu odpowiedzi na problemy związane z bezpieczeństwem i wydajnością" oraz "jedynie w przypadku poważnych schorzeń i pod ścisłym nadzorem".

6. Modyfikacje w DNA

Kontrowersje budzi perspektywa "designer babies", czyli projektowania ludzi przez dobór cech, jakie miałoby mieć dziecko, które się urodzi. Budzi to sprzeciw, ponieważ uważa się, że do technik tego rodzaju dostęp będą mieć jedynie bogaci i uprzywilejowani. Nawet jeśli takie projektowanie długo będzie technicznie niewykonalne, to nawet manipulacje genetyczne dotyczące usuwania genów wad i chorób nie są jednoznacznie oceniane. Znów, jak obawia się wielu, dostępne będzie tylko dla wybranych.

Nie jest to jednak tak prosta wycinanka i włączanie guzików, jak sobie wyobrażają ci, którzy CRISPR znają głównie z ilustracji w prasie. Wiele cech ludzkich i podatności na choroby jest kontrolowanych nie przez jeden lub dwa geny. Choroby mają wielopłaszczyznowe podłoże, począwszy od posiadania pojedynczego genu, stwarzającego warunek do wielu tysięcy wariantów ryzyka, zwiększają lub zmniejszają podatność na czynniki środowiskowe. Jednak choć wiele schorzeń, np. depresja czy cukrzyca, mają podłoże poligenowe, to nawet proste wycinanki pojedynczych genów często pomagają. Na przykład firma Verve opracowuje terapie genowe, które sprawiają, że choroby serca, jedna z głównych przyczyn śmierci na świecie, są mniej powszechne przy stosunkowo niewielkich edycjach genomu.

Na złożone problemy, a do takich należy poligenowe podłoże chorób, receptą w ostatnim czasie staje się stosowanie sztucznej inteligencji. Opierają się na niej firmy takie jak GenomicPrediction, które rodzicom zaczęły oferować ocenę ryzyka związanego z czynnikami poligenowymi. Ponadto, zestawy danych sekwencjonowanych genomów stają się coraz większe (niektóre z nich mają ponad milion sekwencjonowanych genomów), co z czasem poprawi dokładność modeli maszynowego uczenia się.

Sieć mózgów

W swojej książce Beyond Boundaries, Miguel Nicolelis, jeden z pionierów dziedziny nazywanej dziś niekiedy "hakowaniem mózgu", opisał połączenie aktywności ludzkich mózgów jako przyszłość ludzkości, kolejny etap ewolucji naszego gatunku. Przeprowadził on badania, w których połączył mózgi kilku szczurów za pomocą skomplikowanych wszczepionych elektrod znanych jako interfejsy mózg-mózg.

Nicolelis i jego współpracownicy opisali to osiągnięcie jako pierwszy "organiczny komputer" z żywymi mózgami połączonymi ze sobą tak, jakby były one wieloma mikroprocesorami. Zwierzęta w tej sieci nauczyły się synchronizować aktywność elektryczną swoich komórek nerwowych w takim samym stopniu, jak te w pojedynczym mózgu. Sieciowe mózgi były testowane na takie rzeczy, jak ich zdolność do rozróżnienia pomiędzy dwoma różnymi wzorcami bodźców elektrycznych, i rutynowo przewyższały one indywidualne zwierzęta. Jeśli połączone w sieci mózgi szczurów są "inteligentniejsze" niż pojedyncze zwierzę, wyobraźmy sobie możliwości biologicznego superkomputera połączonych w sieć ludzkich mózgów. Taka sieć mogłaby umożliwić ludziom pracę ponad barierami językowymi. Ponadto, jeśli badanie na szczurach jest poprawne, połączenie w sieć ludzkich mózgów mogłoby poprawić wydajność, tak się przynajmniej wydaje.

Niedawno przeprowadzono eksperymenty wspominane również na łamach MT, polegające na łączeniu ze sobą aktywności mózgów niewielkiej sieci ludzi. Trzy osoby siedzące w oddzielnych pomieszczeniach współpracowały w celu właściwego ukierunkowania bloku, tak aby mógł on wypełnić lukę pomiędzy innymi blokami w grze wideo podobnej do Tetrisa. Dwie osoby, które działały jako "nadawcy", z elektroencefalografami (EEG) na głowach, które rejestrowały aktywność elektryczną ich mózgu, widziały tę lukę i wiedziały, czy blok trzeba obrócić, aby go dopasować. Trzecia osoba, która pełniła funkcję "odbiorcy", nie znała poprawnego rozwiązania i musiała polegać na instrukcjach wysyłanych bezpośrednio z mózgów nadawców. Przy użyciu tej sieci, zwanej "BrainNet" (7), zostało przetestowanych w sumie pięć grup osób, i średnio osiągnęły one ponad 80-procentową dokładność w wykonaniu zadania.

7. Zdjęcie z eksperymentu BrainNet

W celu eskalacji wyzwania badacze 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 instrukcjami dokładniejszego nadawcy. Badacze zwracają uwagę, że jest to pierwszy raport, w którym mózgi wielu ludzi zostały połączone w sposób całkowicie nieinwazyjny. Twierdzą, że liczba osób, których mózgi mogłyby zostać połączone w sieć, jest zasadniczo nieograniczona. Sugerują też, że przekazywanie informacji przy użyciu nieinwazyjnych metod mogłoby zostać usprawnione przez jednoczesne obrazowanie aktywności mózgu przy użyciu funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI), gdyż potencjalnie zwiększa ilość informacji, które nadawca mógłby przekazać. Jednak fMRI nie jest prostą procedurą i zwiększyłoby to złożoność i tak już niezwykle złożonego zadania. Badacze proponują również, aby sygnał mógł być dostarczany w sposób ukierunkowany do określonych regionów mózgu w celu wywołania świadomości na temat konkretnych treści semantycznych w mózgu odbiorcy.

Jednocześnie szybko rozwijają się narzędzia do bardziej inwazyjnego, być może skuteczniejszego, łączenia się z mózgiem. Elon Musk niedawno ogłosił opracowanie implantu BCI zawierającego trzy tysiące elektrod w celu zapewnienia szerokiej interakcji pomiędzy komputerami a komórkami nerwowymi w mózgu. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) prowadziła prace inżynieryjne mające na celu opracowanie wszczepialnego interfejsu neuronowego zdolnego do zaangażowania miliona komórek nerwowych jednocześnie. Chociaż te moduły BCI nie są opracowywane specjalnie dla interakcji mózg-mózg, nietrudno sobie wyobrazić, że mogą być one zatrudnione do takich celów.

Poza wyżej opisanymi jest też inne rozumienie "biohackingu", modne zwłaszcza w Dolinie Krzemowej a polegające na różnego rodzaju zabiegach prozdrowotnych o niekiedy wątpliwych naukowych podstawach. Wśród nich są przeróżne diety i techniki ćwiczeń fizycznych ale też m.in. przetaczanie młodej krwi jak również wszczepianie sobie podskórnych chipów. W tym przypadku bogacze myślą o czymś w rodzaju "hakowania śmierci" albo starości. Jak na razie nie ma ostatecznych dowodów, że stosowane przez nich metody pozwalają znacząco przedłużać życie, o wymarzonej przez niektórych nieśmiertelności nie wspominając.

Mirosław Usidus