技術無處不在，不斷拓展著可能的界限。但有時，某些發明或洞見會產生超乎尋常的影響；它會造成巨大的斷裂，將歷史劃分為“之前”和“之後”。蒸汽機、電晶體、全球資訊網——這些理念似乎都橫空出世，從根本上改變了我們的世界。在當今浩如煙海的創新浪潮中，哪項關鍵技術將脫穎而出，成為明日改變世界的理念？當然，我們不可能知道，但我們知道它終將到來。
以下是 10 個候選理念——10 項可能改寫規則的新思想和新技術。如果我們能製造出將廢物轉化為燃料的機器人會怎樣？或者利用影片遊戲（是的，影片遊戲）的力量來促使我們做正確的事情會怎樣？如果我們 DNA 中的“垃圾”實際上與我們的基因一樣重要會怎樣？如果昆蟲掌握著抵禦網路攻擊的秘密會怎樣？歡迎來到“改變世界的理念 2010”特輯。——編輯部
人生遊戲
將操縱桿和記分牌引入我們的日常生活，可能是讓我們成為更好的人的關鍵
作者：約翰·帕夫勒斯
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不久的將來，當您站在浴室鏡子前刷牙時，您可能會在早間新聞旁邊看到一個記分牌，上面顯示您家當前的碳足跡與鄰居的排名。您的電動牙刷會發出嗶嗶聲，通知您過去六個月每天兩次的盡責刷牙已為您贏得了足夠積分，可以在下次體檢時享受 10% 的折扣。您淋浴（時間很短，以免危及您家令人羨慕的能源消耗評分及其帶來的稅收優惠），穿好衣服，登入家裡的辦公電腦參加早會。現在您和您的同事以個性化虛擬形象出現在螢幕上，您可以在會議期間回覆電子郵件而不會顯得粗魯。自從任意銷售配額被個性化的“生命計量器”（它會在螢幕上膨脹，以反映來自客戶的即時積極反饋）取代以來，您對自己的日常任務感到更有目標和主人翁意識。這將是美好的一天。
影片遊戲設計師兼卡內基梅隆大學研究員傑西·謝爾說，幾乎您生活的方方面面都包含遊戲體驗的未來幾乎不可避免。他和一群遊戲設計師和心理學家確信，讓社會公民更健康、更高效、更積極參與的關鍵在於將遊戲引入日常生活。“我們認為遊戲是微不足道的，但它們實際上只是一種快速調動我們解決問題能力的方式，”謝爾說。“如果遊戲設計得足夠好，任何問題都可以放進去，”從改變飲食或學習新語言，到理解中東衝突或減少碳足跡。“這些都是我們很多人無法或不想參與的問題，但遊戲可以改變這一點，因為根據定義，任何成功的互動系統都會讓人想要參與其中。”
這種新的人生遊戲的一個重要組成部分是來自支援 GPS 的移動裝置、廉價聯網感測器和其他技術的即時資料的普及。“所有這些個性化資料讓我們能夠開始衡量以前只能在遊戲或虛擬世界中衡量的行為，”麻省理工學院的行為經濟學家丹·艾瑞里說。“我們可以非常詳細地瞭解是什麼激勵和吸引人們，並將這些知識應用於人們不常覺得有吸引力的事情，例如記住服藥或跟蹤能源使用。”
“遊戲化”現實世界的系統仍然需要不僅僅是新增虛擬形象和積分。它需要快速、個性化的反饋。臨床心理學家理查德·瑞安指出，有效的遊戲“以優雅的方式利用了人類的基本動機傾向”。例如，積分與其說是獎勵，不如說是一種為建立能力提供即時反饋的方法。“人類是好奇的動物，天生具有玩耍和掌握環境的動力，”瑞安觀察到。“遊戲很好地利用了進化賦予我們的內在動機。”心理學家認為，挖掘這些內在激勵因素會讓我們感覺自己處於掌控之中，並且我們的行為具有可理解的後果。
然而，謝爾承認，理論上執行良好的遊戲可能會很快變得令人沮喪和適得其反。他甚至對這種動機適得其反變得普遍的未來有一個稱呼：“遊戲末日”。他說，避免這種情況的最佳保險是在娛樂領域之外的天才遊戲設計師和技術領導者之間架起橋樑。心理學家和遊戲專家拜倫·裡夫斯同意：“沒有適用於遊戲但不適用於現實生活的心理機制。我們只有一個大腦。設計精良的遊戲點亮的獎勵中心，在我們參與任何設計精良的互動系統時都會被點亮。它們不必被標記為帶有大寫 ‘G’ 的 ‘遊戲’。”
這就是為什麼研究人員對遊戲化作為一種從根本上改善我們世界的方式感到樂觀。微軟使用了一個類似遊戲的程式，將其一個部門的員工保留率提高了 50%。First Things First 是一項在堪薩斯州和得克薩斯州五所學校使用的實驗性數學課程，它將高中代數和幾何呈現為一系列 101 個級別，鼓勵學生按照自己的節奏掌握基本概念，然後再升級，就像在影片遊戲中一樣。在該計劃實施的四年裡，所有五所學校都看到學生在州數學測試中的成績出現了兩位數的增長；一所學校的學生成績提高了近 40%。瑞安正在與醫療保健遊戲諮詢公司 Immersyve 合作，建立一個“虛擬臨床醫生”，該醫生使用虛擬形象驅動的介面，讓患者在尋求醫療諮詢時感覺不那麼膽怯。
“一切事物的遊戲化不會因為一個系統而發生——它將是數百萬個不同方向的創新，每次都有新的感測器被髮明出來，”謝爾說。每一次都讓我們變得更好一點。
人類數字運算器
當研究像影片遊戲一樣時，計算機只能屈居第二
作者：約翰·帕夫勒斯
多年來，關於人類和機器相對認知優勢的傳統觀點認為，人類擅長識別面孔和其他型別的模式匹配，而計算機則在任何帶有數字運算色彩的事情上稱霸。這種情況可能不再存在。Foldit 的成功——華盛頓大學的生物學家和計算機科學家建立的一個線上謎題——證明了人類的直覺可以在複雜的科學問題上勝過計算機演算法。
Foldit 向玩家（所有非科學家）展示螢幕上部分摺疊的蛋白質，並挑戰他們根據簡單的規則將其扭曲成理想的形狀。玩家不僅比任何演算法都能更快地預測正確的蛋白質結構（對所有可能性進行暴力搜尋將花費數百萬年），而且他們還能夠直覺地找到計算機可能永遠找不到的解決方案。“要將蛋白質摺疊成正確的形狀，您可能首先必須在幾個看起來完全錯誤的方向彎曲它，”Foldit 的發明者之一、華盛頓大學計算機科學家塞思·庫珀說。“玩虛擬物體的人可以看到大局，並識別出那些棘手的解決方案。”
在大學的遊戲科學中心，庫珀和他的同事們現在正在開發新一波遊戲，以加速生物資訊學、藥物發現甚至奈米工程領域的研究步伐。“目前世界上只有 15 個人知道如何用 DNA 設計分子機器，”華盛頓大學計算機科學家佐蘭·波波維奇說。“這些遊戲可以將這個數字增加兩個數量級——我們將有成千上萬的人做出新的發現。”遊戲玩家有一天會分享諾貝爾獎嗎？庫珀說，“那是我們最大的希望。”
萬事通收費公路
修建更多道路不會消除交通擁堵。智慧定價才會
作者：湯姆·範德比爾特
未來的道路看起來將與現在的道路非常相似，但它肯定不會是免費的。多倫多一家建立支援 GPS 的裝置以測量道路使用情況的公司 Skymeter 的創始人伯恩·格拉什說：“您可以擁有自己的車道，但如果您要過來拜訪我，您需要付費才能從您的住處到達我的住處。”
隨著 GPS 等無線、基於位置的技術的出現，現在可以衡量駕駛的真實成本和道路的真實價值。總稱是動態道路使用收費，這基本上意味著駕駛員將按英里數支付道路使用費，而不是透過其他機制（如註冊費或汽油稅）。目前只有少數試點專案正在執行，但城市規劃師認為，這個想法可以改變我們對駕駛的體驗，使其從令人神經緊張的挫敗感轉變為更接近於兜風的樂趣。麻省理工學院和通用汽車的研究人員在今年早些時候釋出的“重塑汽車”研究報告中提出了這樣一個願景，該研究報告認為，透明的行程定價將最佳化道路使用，減少交通擁堵和高速公路死亡事故。
將駕駛的真實成本轉移到駕駛員身上，將與現在的情況截然不同。駕駛員使用擁擠道路的費用與使用空曠道路的費用相同，每月開車一次的人支付的保險費與每天開車的人一樣多，停車計時器在最繁忙時段的費用與最安靜時段的費用相同。卡託研究所分析師蘭德爾·奧圖爾在他的著作《交通擁堵：我們為何陷入交通擁堵以及如何擺脫》中寫道，一個世紀以來一直為美國高速公路提供資金的聯邦汽油稅，實際上已從每英里 3.9 美分（2007 年美元）的峰值降至今天的 0.9 美分。因此，城市和郊區的擁堵程度穩步上升。正如哈佛大學經濟學家愛德華·格萊澤指出的那樣，您可以按價格或按排隊（也稱為堵在路上）來定量配給稀缺商品（如城市道路）。到目前為止，事實上的選擇一直是交通擁堵。
第一次試點研究的結果令人鼓舞。荷蘭政府計劃到 2016 年在荷蘭所有道路上實施基於 GPS 的全國性“按公里”定價。去年在埃因霍溫進行的為期六個月的試點試驗表明，70% 的使用者因定價而改變了他們的行為，要麼在非高峰時段出行，要麼在不太擁擠的道路上行駛。一旦該計劃擴充套件到該國其他地區，荷蘭政府預計交通延誤將減少 58%。
按英里定價計劃也可用於造福環境。在德國，重型卡車不僅按英里收費，還按排放量收費（排放量較高的卡車每英里費用較高），低排放卡車行駛的行程百分比從 2005 年該計劃開始時的不到 1% 躍升至 55% 以上。
然而，荷蘭政府今年早些時候的垮臺，使其實施道路定價計劃的未來蒙上陰影——這提醒人們，政客們希望被看到修建新道路，而不是新的收費站。所需的技術也可能非常昂貴。在一次試驗中，英國保險公司諾維奇聯合（現名 Aviva）使用車載裝置不僅測量年輕駕駛員的駕駛地點和時間，還測量他們的駕駛方式。該公司使用車載加速度計來懲罰激進駕駛員，提高他們的保險費率。即使在試驗期間事故索賠下降了 30%，所需的車載資訊處理系統也過於昂貴，無法使該計劃可持續。
智慧收費可以幫助緩解城市交通的另一個原因：路邊停車。加州大學洛杉磯分校的唐納德·舒普等研究人員認為，路邊停車價格過低會導致城市擁堵，因為駕駛員會四處尋找廉價停車位。為了避免這種做法，舊金山正在實施“動態停車”，該系統使用感測器跟蹤汽車在停車位上的存在並統計總體需求；然後，該市將價格設定在確保 85% 恆定佔用率的水平。費率可以隨時間和星期幾而變化，但它們總是會提前設定——這使得它們比您原本會浪費在交通上的時間更容易預測。
DNA 電晶體
一種新的 DNA 測序方法可能會徹底改變我們對遺傳學的理解
對遺傳學的理解
作者：伊麗莎白·斯沃博達
自從研究人員首次對人類基因組進行測序以來的十年裡，基因與個體疾病之間的明顯聯絡進展緩慢[參見斯蒂芬·S·霍爾的“革命延期”；《大眾科學》，10 月刊]。許多研究人員現在認為，基因組學的真正進展將不是來自簡單的 X 導致 Y 的相關性，而是來自對數百萬基因組序列的深入統計理解——這一集合揭示了我們的遺傳密碼如何可能與環境相互作用，從而造就我們現在的樣子。
反過來，這需要一種廉價的基因組測序儀，一種可以以低於 1000 美元的價格完成這項工作的儀器。目前，測序一個基因組的成本在 5000 美元到 15000 美元之間——與最初 27 億美元的成本相比，這是一個巨大的進步，但仍然遠未達到目標。IBM 和羅氏的研究人員正試圖透過徹底重新設計基因測序儀來實現這一目標。現有的洗碗機大小的測序儀需要昂貴的化學試劑來分析已被切成數千個小片段的基因，而所謂的 DNA 電晶體採用了一種幾乎天真地簡單的方法。在其中，完整的 DNA 分子穿過矽晶片中間一個三奈米寬的間隙。當 DNA 透過奈米孔時，電感測器一次讀取一個分子單元，即鹼基。
其他實驗室也嘗試過類似的基於奈米孔的測序方法，但發現很難控制 DNA 鏈穿過奈米級孔洞的速度。IBM 團隊找到了一種利用 DNA 自然產生的負電荷的方法。“我們認為，如果該裝置在孔洞本身包含電極——由絕緣材料隔開的薄金屬層——那麼電場將與 DNA 相互作用，”正在該專案上工作的研究科學家古斯塔沃·A·斯托洛維茨基說。電場抓住帶負電荷的 DNA 並將其固定到位。當電場關閉時，鏈條繼續穿過孔洞，直到下一個鹼基排列好進行測序。此時，電場重新出現，並且該過程沿著鏈條一直重複下去。
該技術並非易如反掌。孔洞必須產生強大的電場才能將 DNA 固定到位。但是，產生該電場所需的高電壓可能會導致所謂的介質擊穿，即火花飛濺且電場短路，這種情況尤其可能發生在如此短的距離內。“這就像您有一片非常靠近地球的雲——閃電更容易擊中，”斯托洛維茨基說。研究人員正在尋找一種能夠承受必要電荷的電極材料。
儘管存在這些問題，但行業觀察家認為，DNA 電晶體可能是一種快速、廉價、高效的基因組測序方法。“這減少了測序所需的步驟——它只是字面上觀察 DNA 本身，”評估生物技術創新商業潛力的顧問布魯斯·沙姆伯格說。“不需要試劑成本或光學儀器來讀取熒光標籤。事情完成得更快。”
DNA 電晶體有望在未來幾年內以低於 1000 美元的價格提供完整的基因組序列。斯托洛維茨基認為，該裝置將幫助科學界更輕鬆地建立基因、健康脆弱性和理想藥物治療之間的聯絡。透過對基因與疾病之間聯絡的統計理解，製藥公司可以更好地確定藥物開發的靶點，因為他們已經知道他們的新藥需要關注哪些區域。他指出了早期成功案例之一：赫賽汀，一種乳腺癌治療藥物，可阻止 HER2 基因過表達患者的腫瘤生長。“有很多這樣的例子，”斯托洛維茨基說。“我們希望它成為一種非常普遍的事情。”
殺手級淨水器
新型材料有望改善世界各地獲得清潔水的機會
作者：梅琳達·韋納·莫耶
全球六分之一的人口缺乏清潔用水，導致腹瀉疾病——這是衛生條件差的直接結果——成為全球主要的死亡原因。淨水器可以解決問題，但它們通常過於昂貴，無法大量分發。然而，透過將奈米技術與棉花和茶包等廉價材料相結合，研究人員最近開發出了移動淨水器，其製造成本不到一美分。
大多數傳統淨水器都配備有“捕獲”細菌的小孔，但這些孔洞往往容易堵塞，需要昂貴的維護。崔屹找到了一種利用銀和電力殺死細菌的方法。崔屹是斯坦福大學的材料科學家，他將他在沃爾瑪購買的梭織棉浸入導電碳奈米管和銀奈米線的混合物中。銀作為一種有效的殺菌劑，部分原因是銀離子會損害遺傳物質。額外的殺滅能力來自微弱的電流（由兩節九伏電池供電），它可以破壞細菌細胞膜。在實驗室中，崔屹的過濾器殺死了水中 98% 以上的大腸桿菌。由於棉花中的孔洞很大，該過濾器的速度比捕獲微生物的過濾器快 80,000 倍。
更便宜的發明是一種裝滿塗有殺菌劑的碳顆粒的茶包。南非斯泰倫博斯大學的研究人員找到了一種將化學物質封裝在奈米纖維內的方法，以增加其表面積並幫助它們捕獲有毒物質和細菌。該過濾器可以安裝在普通瓶子的瓶頸中，每個成本約為 0.5 美分。每個袋子可用於清潔一升受汙染的水。該技術目前正在接受南非標準局的測試，之後研究人員計劃將其分發給有需要的社群。
漫遊的食草機器人
它吞噬木屑、樹葉和其他“生物質”，併產生電力
作者：約翰·帕夫勒斯
自主機器人在地球上漫遊，尋找原始生物質以供發電的日子可能很快就會到來。這就是能量自主戰術機器人系統 (Energetically Autonomous Tactical Robot system) 的願景，儘管您可以稱其為 EATR。“想象一下電影《機器人瓦力》中的機器人——但它不僅僅是壓縮垃圾，而是燃燒垃圾以獲取電能，”馬里蘭大學克拉克工程學院智慧系統實驗室主任兼開發 EATR 的機器人技術公司總裁羅伯特·芬克爾斯坦說。該機器人使用智慧軟體來區分其首選“食物”——木屑、幹樹葉和其他植物生物質——與無用材料，如岩石、動物物質和金屬。然後，EATR 使用由近距離雷射制導系統引導的機械臂，抓住植被並將其放入通往外燃機的料斗中，外燃機為車載電池充電。
芬克爾斯坦說，這種自主定向發電機可以徹底改變許多軍事、民用甚至科學行動。“在未來幾年內，每位美國士兵每天將使用相當於 120 節 AA 電池的電量來為其通訊和支援裝置供電，”他說。“使用 EATR 將大大減輕在偏遠地區供應能源的後勤負擔，因為 [機器人] 可以在部隊休息時外出消耗植被。”EATR 的資金來自國防高階研究計劃局。
食草機器人也可以為環境服務。美國林務局希望將 EATR 安裝在腿上，而不是悍馬上。這樣，它就可以在鄉間漫遊，尋找入侵植物物種，而不會留下履帶印。“腿可以讓它在不平坦的地形上行走，而不會像輪胎或履帶那樣對地形造成太大損害，”芬克爾斯坦說。
EATR 目前僅限於馬里蘭大學的固定測試平臺，但芬克爾斯坦預計，完全移動、覓食的模型將在 2012 年的某個時候投入執行。這個前景聽起來令人毛骨悚然，但他認為，機器人能夠自給自足的世界不僅是可取的，而且是不可避免的。“我們已經有家用機器人可以將自己插入插座充電，而不會打擾我們，”芬克爾斯坦說。“這只是相同的想法，提升到了一個新的水平。”
借用自然的密碼
受大自然啟發的演算法幫助我們執行龐大的數字生物圈
作者：約翰·帕夫勒斯
當計算機科學家試圖找出如何管理日益複雜的數字世界時，他們越來越多地轉向大自然尋求靈感。“生命靠陽光和資訊執行，”蒙大拿州米蘇拉市生物模仿研究所所長珍妮·本尤斯說。一個物種不斷進化，以找到在特定棲息地生存的最佳方式。“生物體確實適合那些尋找解決資訊處理問題的新方法的人們，”她說。
例如，樹突狀細胞乍一看似乎與計算機安全無關。但這些細胞是哺乳動物免疫系統的保羅·裡維爾，對入侵病原體發出警報。英國諾丁漢大學的計算機科學家朱莉·格林斯密斯設計了一種“樹突狀細胞演算法”，該演算法以與我們的免疫系統感知真實病毒相同的方式檢測計算機病毒和其他惡意程式碼。
螞蟻和其他社會性昆蟲啟發了另一支網路安全研究團隊，該團隊來自華盛頓州里奇蘭太平洋西北國家實驗室。他們建立了“數字螞蟻”，這些螞蟻可以在計算機網路中漫遊，就像真正的螞蟻巡邏蟻巢並在任何感知到的威脅周圍迅速聚集一樣。
波特蘭州立大學的計算機科學家梅蘭妮·米切爾說，這種“仿生”演算法與圖靈機和其他經典計算模型一樣古老。但在一個網路互聯的世界中，每年生成數百萬兆位元組的資訊，並且“大資料”日益飽和，基於自然的編碼可能是處理負載的最佳方式。“生物學和計算機科學之間的新合作引起了極大的興趣，因為人們意識到計算超越了我們所說的‘計算機’，”米切爾解釋說。“所有這些生物系統做得如此出色的一件事是模式識別——即使在資訊氾濫的情況下，也能從噪聲中提取訊號。大腦可以做到，單個細胞可以做到，昆蟲群落可以做到——這就是所有生物系統為了生存而做的事情。我們也希望計算機也能做到這一點。”
一百項測試
一種廉價的診斷方法警告夫婦不要將罕見的遺傳疾病遺傳給他們的後代
作者：瑪麗·卡邁克爾
您願意支付多少錢來確保您的孩子不會患有致殘或致命的隱性遺傳疾病？顯而易見的答案是“任何代價”，但這並不是大多數人實際會做的。個體篩查測試已經可以識別許多單個缺陷隱性基因的沉默攜帶者——這種基因如果以雙份（父母雙方各一份）遺傳，可能會導致囊性纖維化和泰-薩克斯病等疾病。但是，幾乎沒有人會在懷孕前接受所有這些突變的檢測，因為這會太昂貴——幾十項測試的費用為每項數百美元。由於每種潛在的危險突變都很罕見，大多數人選擇碰運氣，並希望他們的孩子會健康——這種策略有時會導致悲劇。
多虧了一家名為 Counsyl 的公司推出的一項簡單的唾液測試，這種情況不再是必要的，該測試可以詢問基因組中 100 多種致病隱性性狀。從某種意義上說，它就像將許多傳統的、單獨的測試組合在一起；從醫學角度來看，它產生的基本上是相同的結果。但它一次性完成，費用為 350 美元。
傳統的隱性變異測試透過放大與每種疾病相關的特定基因組區域來工作。在某些情況下，測試會對基因進行測序，以確定是否存在突變。另一方面，Counsyl 的測試不涉及測序。相反，它尋找單核苷酸多型性 (SNP)，即基因組中的微小錯誤，其中一個鹼基已被另一個鹼基替換。一些 SNP 會導致疾病；另一些 SNP 則與導致疾病的基因相關。由於 SNP 很小，因此識別一個 SNP 比對整個基因或染色體區域（可能由數百萬個鹼基組成）進行測序要便宜。該公司表示，該測試檢測突變的靈敏度和特異性均高於 99%——也就是說，它很少產生假陽性或假陰性結果——並且最近已開始公佈有關該效果的結果。
到目前為止，Counsyl 的測試主要用於不孕症患者。耶魯大學生育中心主任帕斯誇萊·帕特里齊奧是提供該測試的醫生之一。（他也是 Counsyl 顧問委員會的成員。）他說，該測試對於治療反覆流產但不知道原因的夫婦很有用。在某些情況下，他們的流產可能最終被證明是由隱性基因引起的，這些基因阻止了胎兒足月分娩。“對於我們來說，擁有如此全面的篩查測試真是一項突破，”帕特里齊奧說。但當然，許多攜帶隱性基因的人在沒有生育診所幫助的情況下也能成功懷孕。他們會在晚些時候，在他們的孩子生病後才發現自己的遺傳厄運。
檢測呈陽性的夫婦可以提前計劃。他們可能會選擇體外受精，結合植入前基因診斷，以選擇不攜帶疾病基因的胚胎。或者他們可能會決定收養。無論哪種方式，整個人群中患病兒童的數量都會下降。大多數雙隱性疾病都是研究“孤兒”；由於它們很罕見，因此投入研究它們的資金很少。Counsyl 測試是確保減少受其折磨的人數的最佳希望。
Counsyl 在廣泛使用的道路上可能會遇到一些障礙。有些人擔心它會開啟“定製嬰兒”的大門。有人認為，對罕見遺傳疾病進行廣泛的測試，會開啟對非疾病性狀（如身高和智力）進行測試的大門。
Counsyl 的技術無法制造定製嬰兒，因為它檢測的是單基因，而不是參與智力等複雜現象的、知之甚少的、多層次的基因網路。“不會存在智商基因或音樂能力基因，”哈佛大學心理學家 Steven Pinker 說，他正在就個人基因組學引發的倫理問題為該公司提供諮詢。此外，他指出，“如果說哪個群體會對優生學感到擔憂，那應該是猶太人”——然而作為一個群體，他們已經接受了舊式的、昂貴的隱性基因測試，因為德系猶太人更有可能攜帶一些有害的隱性變異。Pinker 本人是猶太人，攜帶一種導致家族性自主神經功能障礙的基因變異，這是一種無法治癒的疾病，會阻止神經元發育。他是在接受 Counsyl 測試時才發現的。“我的妻子也是攜帶者，”他說。“我們相遇太晚，無法生育孩子，但如果我們早幾年相遇，我們就會像在玩輪盤賭一樣。” 至少現在其他夫婦可以選擇不這樣做了。
垃圾變氣體
改造微生物吞噬垃圾並“分泌”燃料
作者：Matthew L. Wald
如今，製造汽油、柴油和航空燃料的工廠是巨大的鋼鐵管道和儲罐群，它們消耗驚人的能量，釋放有毒氣體，並依賴於一種會枯竭的資源——石油。但未來，它們可能會變得微小，而且可能會以我們周圍隨處可見的垃圾碳氫化合物為原料執行——比如這本雜誌的紙張、建築專案的廢木料，或者你上個月從草坪上耙下來的樹葉。
訣竅在於將這些日常用品內部的氫和碳基分子轉化為室溫下的液體，從而使其適用於內燃機。最有希望的努力是基因改造單細胞生物，讓它們為我們完成這項轉化工作。許多這類生物已經利用環境中存在的原材料構建碳氫化合物，但產品並非以人類可以利用的方式存在。例如，藻類非常擅長將二氧化碳轉化為可以提煉成燃料的脂肪酸，但將藻類從水中分離出來，並將脂肪酸從藻類中提取出來需要付出巨大的努力，因此該工藝主要用於生產昂貴的產品，如化妝品。
更好的解決方案是創造可以直接“分泌”碳氫化合物的生物。（商業公司可以理解地不喜歡更準確，但不太令人愉快的“排洩”一詞。）能源部官員 Eric Toone 負責向擁有新型生物燃料理念的公司提供資助，他說，有了分泌碳氫化合物的生物，“你就將從收穫的生物質轉化為來自小型化工廠的東西。”
然而，創造基因改造燃料工廠也帶來了其他複雜問題。許多人擔心工程改造的生物會進入環境；成桶的單細胞細菌幾乎不可能被控制住。
這些生物也必須得到充分的餵養——問題是用什麼餵養？一種方法是利用陽光。9 月，位於馬薩諸塞州劍橋市的生物技術初創公司 Joule Unlimited 獲得了一項基因改造細菌的專利，該細菌利用陽光和二氧化碳製造柴油燃料的成分。
另一種策略是使用糖類。當植物捕獲能量時，它們以化學方式將能量鎖定在作物木質部分的糖類中。許多研究人員正在設計方法，從這些“纖維素來源”中回收糖類，並將其轉化為乙醇，乙醇可以獲得稅收抵免，但其能量密度低於汽油，並且在高濃度下在傳統汽車中執行不佳。
相反，科學家和工程師希望直接從這些糖類中製造更有用的化學物質。7 月，位於南舊金山的 LS9 公司科學家表示，他們已經改造了大腸桿菌，使這些生物能夠將糖類轉化為烷烴，烷烴是一類碳氫化合物，與標準煉油廠生產的許多分子相同。再對基因組進行一些調整，你油箱裡的燃料甚至可能來自廢品堆裡的糖類。
垃圾 DNA 的重要性
生物學家們不斷對曾經被視為浪費空間的東西感到驚訝
作者：梅琳達·韋納·莫耶
基因只佔人類基因組的約 2%。多年來，其餘部分被忽略為“垃圾 DNA”。但過去十年，生物學家們逐漸認識到，這個空間是遺傳密碼中極其重要的組成部分，是大量未經檢驗的資訊寶庫的所在地，這些資訊控制著基因的行為方式。對垃圾 DNA 進行更徹底的研究可能會顛覆我們對基因與環境之間微妙相互作用的理解，並可能為醫學界與疾病的無休止鬥爭帶來全新的策略。
關於垃圾 DNA 重要性的新例子似乎每隔幾個月就會出現。發表在 9 月份《自然醫學》雜誌上的研究人員報告稱，罕見的神經系統癌症神經母細胞瘤可能部分歸咎於垃圾 DNA；一小段由垃圾 DNA 製成的 RNA 會使患有該疾病的人體內的抑癌基因失效。同樣，那些患有罕見形式肌肉萎縮症的人，在第四條染色體的末端有 1 到 10 個特定片段的垃圾 DNA。垃圾 DNA 也不僅僅與罕見疾病有關：今年 2 月份發表在《自然》雜誌上的一篇論文將第九條染色體上的一個垃圾 DNA 區域與心臟病風險聯絡起來。
垃圾 DNA 也可能幫助生物適應不斷變化的環境。2009 年 5 月，比利時魯汶大學的科學家報告稱，酵母染色體上的基因活性直接受垃圾 DNA 片段中重複次數的控制。由於重複次數的變化頻率高於其他 DNA 片段，這種設定使生物能夠更快地進化。
那麼，垃圾 DNA 是否應該獲得一個更尊重的新名稱呢？科學家們意見不一。一些垃圾 DNA 可能顯然是有用的，但其餘部分的潛在益處“可能更加微妙且難以追蹤”，酵母研究的共同作者 Kevin Verstrepen 說。不過，隨著時間的推移，一位生物學家的垃圾可能會變成另一位生物學家的寶石。
改變世界的影片
輪椅和風力渦輪機是 2010 年“改變世界的創意影片大賽”的獲獎者，該比賽由《大眾科學》和線上科學影片網站 SciVee.tv 贊助。參賽作品展示了構建更清潔、更健康或更安全世界的創新方法。
獲獎者
槓桿式自由輪椅
創意：麻省理工學院移動實驗室
影片：Amos Winter 和麻省理工學院新聞辦公室
這款輪椅採用槓桿驅動的齒輪傳動系統，使其能夠越過發展中國家經常遇到的沙地、泥土和崎嶇地形。評委們稱讚它“巧妙、簡單且現在就能實現。它可能會改變一個人的整個世界。”
亞軍
溯源地圖
創意和影片：Leonardo Bonanni
他的眾包網站跟蹤產品供應鏈的環境足跡。
城市電力
創意：Mark Maynard
影片：Michael Garjian
這款後院風力渦輪機在慢速和快速微風中都能發電。