數字糾纏時代 作者：丹尼·希利斯
2009年11月19日，鹽湖城一臺計算機路由器內部的一個電路板發生故障。這個小故障像滾雪球一樣蔓延，導致全國各地的空中交通管制計算機無法通訊。數百個航班被取消。2010年5月6日，道瓊斯工業平均指數莫名其妙地在幾分鐘內暴跌近1000點，然後在當天結束前又神秘地回升。如果“閃電崩盤”沒有逆轉，全球金融崩潰就會隨之而來。
我們人類已經將我們的命運與機器聯絡在一起。我們的技術變得如此複雜，以至於我們不再能夠理解它或完全控制它。我們已經進入了糾纏時代。
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當人類生活在叢林中時，他們認為自然的展示源於神秘的品質。在黑暗時代，人類將改變人們生活的意外事件歸咎於神靈。但啟蒙運動帶來了理性；科學分析使世界變得越來越有意義。我們開始感到受到控制，我們的理解使我們有能力構建我們自己複雜的科技環境。
網際網路就是一個典型的例子。大多數人可能沒有意識到，當他們打電話或乘坐飛機時，他們依賴於網際網路。在我們相互交織的世界中，越來越難以理解我們構建的系統本身或如何修復它們。金融危機發生幾周後，監管機構安裝了新的交易斷路器，他們希望這將防止另一次崩潰，但他們不能確定這些修復措施是否真的有效。
回到 20 世紀，程式設計師可以準確地告訴計算機該做什麼。他們在他們完全理解的系統中行使絕對控制權。如今，程式設計師連結由其他人開發的複雜模組，但並不完全瞭解這些模組的功能。例如，一個指示卡車為商店補貨的程式需要找到卡車和倉庫的位置、街道地圖以及商店的庫存。該程式透過連線到網際網路上的其他程式來跟蹤這些資訊。它還可能支援跟蹤包裹、支付司機工資和跟蹤卡車維護的系統。
將這張圖景擴充套件到包括工廠和發電廠，以及銷售人員、廣告商、保險公司、監管機構和股票交易員，您就開始看到如此多日常決策背後的糾纏系統。雖然我們創造了它，但我們並沒有完全設計它。它是進化而來的。我們是依賴性的，並且並非完全處於控制之中。每個專家都知道拼圖的一部分，但大局太大而無法理解。
現在是開始反潮流的時候了。我們應該開始構建一個人可以真正理解的簡單備份系統，以便在關鍵系統出現故障時保護自己。在過去的幾十年裡，如果商業通訊崩潰，業餘無線電操作員可以保持世界互聯互通。我們應該開發一個獨立於網際網路的簡單通訊系統，以便在網路攻擊、計算機病毒或不可預見的突發行為使網路空間癱瘓後，文明能夠繼續運作。
當人們意識到我們又回到了叢林——我們自己創造的數字叢林——時，有些人會回到神秘主義。大多數人只會接受這種複雜性並學習如何應對它。其他人會嘗試“脫離電網”生活，儘管他們中很少有人會放棄網路訪問、手機、電燈或青黴素。
不管喜歡與否，依賴性都太強，不允許我們斷開連線。我們的命運彼此糾纏，也與我們的技術糾纏在一起。
按需設計的生命 作者：亞瑟·卡普蘭
J·克雷格·文特爾在五月份宣佈，他和他的同事們用他們解碼、人工重建，然後塞進支原體細菌的去核殘骸中的基因組製造出了一種新的活細菌。當這種混合細菌開始繁殖時，它成為了第一個人造生物，從而否定了古老而頑固的自負，即只有神或某種特殊力量才能創造生命的火花。
這是合成生物學力量的最引人注目的演示，合成生物學是一個新興領域，有望解決我們許多最緊迫的問題。研究人員希望製造出能夠消化洩漏和溢位的石油和化學汙染的細菌，或者利用陽光生產氫氣或液體燃料的細菌，或者吞噬我們體內積累的膽固醇和其他危險物質的細菌。
儘管這項技術仍處於起步階段，但現在就需要對其進行監督。意圖製造有害細菌的壞人和對安全馬虎的好人可能會對我們的健康和環境構成嚴重風險。文特爾和他的團隊小心地使用微小的分子變化來“水印”他們的創造物；對於任何使用合成生物學技術的科學家或公司來說，這種識別應該是強制性的。解決這些問題將需要廣泛的國家和國際努力。
有些人可能會覺得創造新的生物體在某種程度上損害了生命的尊嚴。我不這麼認為。歸根結底，這是一場知識的勝利。當我們更好地瞭解生命如何運作時，我們確認了我們對生命的重視。
無限儲存時代 作者：愛德華·費爾滕
想象一下，把人類有史以來錄製的所有音樂都裝在你的口袋裡。到本十年末，這將成為可能。如果你想要所有的電影和電視節目，那也只需要幾年時間。或者想象一下錄製你一生的音訊，從開始到結束：這已經可以負擔得起了。影片將在幾年內成為可能。硬碟驅動器和快閃記憶體等資料儲存裝置的密度和價格都變得如此之低，以至於對於大多數用途而言，它們的儲存容量很快將是無限的。無限儲存時代即將開始。
雖然記憶體成本呈指數級下降，但手機等無處不在的小工具也使資料收集變得容易。新增索引軟體和一個好的搜尋引擎，你就會擁有你所見所聞的一切的檔案。新增資料分析工具，你就會對你的人生有一個新的視角。
我們思考資訊的方式也在改變。與其必須決定保留什麼，我們可以保留一切。與其決定記錄什麼，我們可以記錄一切。
你不再需要費力記住三年前在克利夫蘭吃過飯的餐廳的名字。你可以查閱你的影片檔案，立即找到答案。一些技術愛好者已經記錄了他們生活的每一個平凡細節，並使用軟體分析來發現趨勢——幫助他們改善飲食、監測鍛鍊計劃或弄清楚是什麼影響了他們的情緒。
無限儲存將挑戰我們對隱私的概念。很多時候，你會在別人的記錄中出現在某個地方。除非你採取措施刪除它，否則每一個失誤和尷尬都將永遠可見。我們需要一個新的共識，以及可能的新規則，來管理我們對資訊的儲存和使用。而且我們很快就需要它們。
意識之謎的答案 作者：克里斯托夫·科赫
自柏拉圖和亞里士多德時代以來，身心問題一直困擾著人類最偉大的思想家。頭骨內的一塊物質怎麼能散發出意識？意識是否需要某種非物質的東西，一個非物質的靈魂？我們能創造一個魔像並賦予它感情嗎？幾個世紀以來，學者們不得不在缺乏事實的情況下進行推測，但那些日子已經結束了。科學家們現在正在揭示意識的物質基礎。在未來的幾年裡，他們將逐漸填補細節，使大部分的紙上談兵變得毫無意義。
幾條研究途徑正在提供令人信服的結果。神經學家正在使用功能性腦成像和腦電圖來確定一個醒著但對世界沒有反應的腦損傷患者在多大程度上具有精神生活或感覺。科學家們正在分離神經元相關物——獨特神經元集合中的特定放電——這些神經元相關物支撐著對來自感官的刺激的任何有意識的識別，無論是小黃方塊還是著名電影明星的刺激。最新的技術熱潮是光遺傳學：研究人員將編碼光敏蛋白的基因插入動物大腦中的神經元，然後發出短暫的彩色光脈衝來開啟或關閉神經細胞，要麼是為了仔細檢查大腦的工作，要麼是為了操縱大腦。神經科學家現在可以從僅僅觀察大腦轉向干預其精細的網路。
這些研究已經產生了基於資訊科學和數學的意識新理論，這些理論可以描述一個物理系統（例如神經元網路）必須具備哪些特徵才能被認為是意識的。這些理論將為長期困擾我們的問題提供定量答案：一個嚴重受損的病人是否有意識？新生嬰兒什麼時候開始有意識？胎兒有意識嗎？狗是否意識到自己是一個有思想的存在？擁有數十億互聯計算機的網際網路呢？我們的社會很快就會有答案。那將是一件幸事。
石油的過時 作者：邁克爾·韋伯和丹尼爾·卡門
一個多世紀以來，原油一直是我們交通運輸部門的支柱。隨著幾種力量匯聚，這種主導地位可能很快就會結束。新的石油礦藏位於越來越難以到達的地方。環境法規正在收緊，並且在墨西哥灣英國石油公司漏油事件之後可能會進一步收緊。以電力或天然氣為動力的汽車正在上市。美國國會已授權到 2022 年，所有液體運輸燃料的五分之一來自非石油生物燃料。這些因素幾乎可以確保對汽油的需求將達到峰值（或已經達到峰值）；對輕質低硫原油的需求下降應該為期不遠。
向其他燃料的過渡很可能開始。這種過渡對我們的經濟和環境有利還是不利，取決於我們今天做出的決定。我們並非註定會使用比汽油更清潔的替代燃料，因為存在許多廉價的選擇，但這些選擇並不清潔。重質固體燃料，如油頁岩、油砂和煤制液體燃料可以填補這一空白，但可能會加劇環境影響。使用這些固體燃料的誘惑將很高，因為其儲量遠超輕質低硫原油，而且將其轉化為液態形式的技術隨著時間的推移變得越來越便宜。
當然，問題在於，從這些來源獲得的每桶液體燃料都需要比輕質低硫原油更多的能量來提煉，這意味著除非我們在大規模實施碳捕獲系統，否則每單位能源產生的碳排放量將會上升。而且，由於採礦和生產技術與傳統石油的採礦和生產技術根本不同，因此可能會影響大片陸地和水域。
可以想象一個更有希望的場景，其中電力、天然氣、下一代生物燃料和其他相對清潔的能源，以及提高燃油經濟性，逐漸削弱輕質低硫原油的戰略價值。然而，為了實現更光明的未來，我們需要妥善管理轉型。一整套能源政策可以幫助我們建立一個更清潔、更安全、更具彈性和更便宜的能源系統。
如果我們能夠制定這樣的政策，我們的孫子孫女們將會從他們安靜、清潔、國內燃料驅動的汽車中向外看，並嘲笑那些國家實際上為那些毫無用處的石油儲備而戰的想法。
不損害健康的能源 作者：R·詹姆斯·伍爾西
石油在交通運輸領域的主導地位時代可能正在結束，但以目前的速度來看，結束將會緩慢到來。與此同時，我們的消費將繼續破壞環境，並造成巨大的戰略和經濟問題。美國可以透過以下方式更快、更輕鬆地實現轉型：提高內燃機的效率；鼓勵電動汽車以及在車隊車輛和州際貨運中使用天然氣；向乙醇和甲醇等當前生物燃料開放燃料市場競爭；以及資助利用廢物和藻類生產新型生物燃料的研究。
如此大膽的舉動將需要政治意願，而政治意願在華盛頓卻供不應求。然而，如果國家領導人也強調從石油轉向其他能源的健康益處：減少癌症、疾病和肥胖，這種情況可能會改變。
石油對公眾健康的危害有多種形式。美國前歐亞能源特使 C·博伊登·格雷和華盛頓特區律師安德魯·瓦爾科表示，根據《清潔空氣法》的監管不作為，石油公司正在使用已知的致癌物——所謂的芳烴，如苯、甲苯和二甲苯——來提高汽油的辛烷值成分。他們得出結論，與醫療保健和美國人壽命縮短相關的額外成本每年超過 1000 億美元。
轉向生物燃料也會使我們更健康。批評人士經常斷言，用於生物燃料的作物取代了用於食品的作物。但用於消費的玉米中，有 95% 是為動物飼料種植的，而不是為人類種植的。用玉米的澱粉成分餵養牛可以使它們的肉更肥，從而被認為味道更好。然而，脂肪會大大提高我們的膽固醇。
此外，玉米澱粉對於牛來說是一種不自然的食物，會導致消化不良，從而導致疾病，促使大量使用抗生素。在某些情況下，這種做法會導致耐藥細菌，從而降低藥物對人類傳染病的療效。我們可以利用玉米的澱粉生產生物燃料，同時仍然利用玉米蛋白作為動物飼料，而不會產生負面的健康影響。
將玉米澱粉充斥食品市場，而不是將其用於生物燃料，也會使果糖更便宜，從而降低製造垃圾食品的成本，而垃圾食品正是肥胖流行病，尤其是兒童肥胖流行的驅動因素。
石油不僅會造成戰略和環境問題；它還會增加我們患癌症的風險，並有助於促進動脈阻塞、傳染病和兒童糖尿病。石油還能為我們做些什麼呢？
人類起源的新視窗 作者：萊斯利·艾埃洛
長期以來，人類進化領域的學者們一直依靠古代人類的化石骨骼和文化遺蹟，以及現存人類和猿的生物學和行為，來努力重建過去。今年五月，我們最近的親戚尼安德特人的基因組的測序，為我們共同的史前史打開了一個非凡的新視窗。
有了人類和尼安德特人的基因組，科學家們現在不僅可以研究那些已經寫在骨骼和石頭上的進化變化的外部物理表現，還可以研究編碼這些特徵的實際遺傳資訊。透過這樣做，我們將在基因層面上確切地瞭解是什麼將我們與所有其他生物區分開來，以及這些定義特徵是如何以及何時出現的。與幾年前遺傳學家開發出從遠古時代組裝人類基因組的技術之前相比，這些見解將提供比大多數古人類學家所能夢想的更詳細的關於我們人類進化的描述。
透過將尼安德特人序列與現代人的序列進行比較，德國萊比錫馬克斯·普朗克進化人類學研究所的斯萬特·帕博的團隊發現了現代人類基因組的 200 個區域，這些區域自兩個群體分化以來經歷了適應性進化。這些 DNA 片段——包括參與代謝以及認知和骨骼發育的基因——掌握著使現代人類獨一無二的關鍵。遺傳學家尚不清楚最近的變化如何影響了這些基因組區域的功能，但他們揭示這些聯絡只是時間問題。
我自己的研究領域——代謝和體溫調節——是眾多將從這一新資料來源中受益的領域之一。尼安德特人生活在冰河時代歐洲寒冷的條件下。我們中的許多人都在想，生理適應是否能夠讓他們在沒有精緻服裝的情況下保持溫暖。一旦科學家們弄清了體溫調節的遺傳學原理，我們就可以尋找這種適應的證據。許多人類學家還推測，現代人類之所以能夠部分地勝過尼安德特人，是因為他們的身體能夠更有效地利用食物能量——當資源不可預測或難以獲得時，這是一種優勢。尼安德特人基因組為檢驗這些假設提供了一種新穎的方法。它還將幫助我們理解為什麼現代人類的骨骼比尼安德特人更輕，頭部形狀也不同，以及我們是否真的比我們大腦發達的親戚在認知上更先進，正如一些研究人員所認為的那樣。
更多線索可能來自其他已滅絕人類物種的基因組。帕博的團隊目前正在對從西伯利亞阿爾泰山脈丹尼索瓦洞穴發現的一塊有 30,000 至 50,000 年曆史的指骨中提取的 DNA 進行測序，這可能代表一個新物種。它也暗示了早期人類從非洲遷徙到歐亞大陸的次數比之前認為的要多。隨著越來越多的研究小組加入到古代人類 DNA 的測序和分析工作中，來自古遺傳學的啟示無疑將在未來幾十年繼續塑造我們對人類奧德賽的理解。
我可以稱之為我自己的醫學 作者：喬治·丘奇
自 2003 年耗資 30 億美元的人類基因組計劃正式完成後，人類基因組測序的成本已暴跌一百萬倍。操縱和改造基因的技術也變得廣泛普及。因此，生物學現在正在經歷一場自發活動的爆發，讓人想起 20 世紀 80 年代早期，主要是自學成才的書呆子在他們的車庫裡辛勤工作，為我們帶來了個人電腦時代。
隨著生物技術的民主化程序繼續推進，我們在過去 100 年裡看到的一刀切的醫學將讓位於為每個人量身定製的醫學。醫生將根據每位患者的基因、細菌、過敏原、真菌、病毒和免疫系統開出定製的預防方案並做出全面的診斷。正如偏遠的村莊現在利用網際網路的力量和複雜性一樣，他們也將能夠組裝適合其習俗、地理位置和個人的醫療保健解決方案。研究基因和環境因素的特定組合可以導致飲食、藥物和行為的改變，幫助我們延長健康壽命。
在不久的將來，一個由醫療保健和軟體提供商組成的複雜生態系統將使醫生能夠將每位患者視為獨特的個體。您的幹細胞將被製成臨時治療方法。您的基因組將每年左右進行一次測序，以檢查是否出現癌細胞、自身免疫細胞、炎症等，並將有助於預測哪種治療方法在疾病出現時可能最有效。不僅瞭解而且塑造您的生物學將成為您生活的一部分。
農業的下一次革命 作者：約翰·雷甘諾德
隨著地球人口預計將在本世紀中葉達到 90 億，一些專家聲稱只有傳統農業才能為所有人生產足夠的食物。但走這條路將對環境造成不可彌補的損害。幸運的是，我們還有其他選擇。透過從資源密集型實踐轉向知識密集型實踐，我們可以結束不可持續的耕作，併為所有人提供健康的食物和健康的環境。
傳統農業會侵蝕和退化土壤。其化肥的生產需要消耗大量能源，並且經常汙染水道、湖泊和海洋，而其殺蟲劑會增加農場工人的健康風險。另一方面，有機耕作技術——無論是在經過認證的有機農場中使用，還是與傳統方法相結合——都可以消除或減少對化學品的需求。例如，穀物與豆科植物輪作有助於恢復土壤中的氮，從而減少對化肥的需求，在輪作中新增第三種或第四種作物，在收穫後在土壤中留下更多的植物殘茬，或將土地轉化為草地用於放牧，也能起到同樣的作用。在美國，我們需要調整聯邦農業補貼——這些補貼現在主要獎勵農民種植玉米、棉花、大豆、小麥和水稻——以鼓勵更長的輪作。
此外，為了保持土壤健康並減少侵蝕，許多農民可以採用免耕耕作，即在不進行任何先前耕作或犁地的情況下種植作物。最後，我們需要減少浪費。我們浪費了所有食物的 30% 到 40%，無論是在發展中國家（由於道路和儲存系統落後，食物在運輸途中變質）還是在富裕國家（我們在富裕國家丟棄食物是因為食物略有瑕疵，或剩餘食物，或過了“保質期”，即使仍然完全完好）。
透過這些改變，我們仍然可以為每個人每天提供 2,350 卡路里的健康食物——正如聯合國糧食及農業組織建議的那樣。為了取得成功，我們需要將全球注意力集中在食物和生態系統問題上，並開展更多研究。當然，我們需要政治意願來推動這場農業革命的發生。