数字纠缠时代 作者：丹尼·希利斯
2009年11月19日，盐湖城一台计算机路由器内部的一个电路板发生故障。这个小故障像滚雪球一样蔓延，导致全国各地的空中交通管制计算机无法通信。数百个航班被取消。2010年5月6日，道琼斯工业平均指数莫名其妙地在几分钟内暴跌近1000点，然后在当天结束前又神秘地回升。如果“闪电崩盘”没有逆转，全球金融崩溃就会随之而来。
我们人类已经将我们的命运与机器联系在一起。我们的技术变得如此复杂，以至于我们不再能够理解它或完全控制它。我们已经进入了纠缠时代。
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当人类生活在丛林中时，他们认为自然的展示源于神秘的品质。在黑暗时代，人类将改变人们生活的意外事件归咎于神灵。但启蒙运动带来了理性；科学分析使世界变得越来越有意义。我们开始感到受到控制，我们的理解使我们有能力构建我们自己复杂的科技环境。
互联网就是一个典型的例子。大多数人可能没有意识到，当他们打电话或乘坐飞机时，他们依赖于互联网。在我们相互交织的世界中，越来越难以理解我们构建的系统本身或如何修复它们。金融危机发生几周后，监管机构安装了新的交易断路器，他们希望这将防止另一次崩溃，但他们不能确定这些修复措施是否真的有效。
回到 20 世纪，程序员可以准确地告诉计算机该做什么。他们在他们完全理解的系统中行使绝对控制权。如今，程序员链接由其他人开发的复杂模块，但并不完全了解这些模块的功能。例如，一个指示卡车为商店补货的程序需要找到卡车和仓库的位置、街道地图以及商店的库存。该程序通过连接到互联网上的其他程序来跟踪这些信息。它还可能支持跟踪包裹、支付司机工资和跟踪卡车维护的系统。
将这张图景扩展到包括工厂和发电厂，以及销售人员、广告商、保险公司、监管机构和股票交易员，您就开始看到如此多日常决策背后的纠缠系统。虽然我们创造了它，但我们并没有完全设计它。它是进化而来的。我们是依赖性的，并且并非完全处于控制之中。每个专家都知道拼图的一部分，但大局太大而无法理解。
现在是开始反潮流的时候了。我们应该开始构建一个人可以真正理解的简单备份系统，以便在关键系统出现故障时保护自己。在过去的几十年里，如果商业通信崩溃，业余无线电操作员可以保持世界互联互通。我们应该开发一个独立于互联网的简单通信系统，以便在网络攻击、计算机病毒或不可预见的突发行为使网络空间瘫痪后，文明能够继续运作。
当人们意识到我们又回到了丛林——我们自己创造的数字丛林——时，有些人会回到神秘主义。大多数人只会接受这种复杂性并学习如何应对它。其他人会尝试“脱离电网”生活，尽管他们中很少有人会放弃网络访问、手机、电灯或青霉素。
不管喜欢与否，依赖性都太强，不允许我们断开连接。我们的命运彼此纠缠，也与我们的技术纠缠在一起。
按需设计的生命 作者：亚瑟·卡普兰
J·克雷格·文特尔在五月份宣布，他和他的同事们用他们解码、人工重建，然后塞进支原体细菌的去核残骸中的基因组制造出了一种新的活细菌。当这种混合细菌开始繁殖时，它成为了第一个人造生物，从而否定了古老而顽固的自负，即只有神或某种特殊力量才能创造生命的火花。
这是合成生物学力量的最引人注目的演示，合成生物学是一个新兴领域，有望解决我们许多最紧迫的问题。研究人员希望制造出能够消化泄漏和溢出的石油和化学污染的细菌，或者利用阳光生产氢气或液体燃料的细菌，或者吞噬我们体内积累的胆固醇和其他危险物质的细菌。
尽管这项技术仍处于起步阶段，但现在就需要对其进行监督。意图制造有害细菌的坏人和对安全马虎的好人可能会对我们的健康和环境构成严重风险。文特尔和他的团队小心地使用微小的分子变化来“水印”他们的创造物；对于任何使用合成生物学技术的科学家或公司来说，这种识别应该是强制性的。解决这些问题将需要广泛的国家和国际努力。
有些人可能会觉得创造新的生物体在某种程度上损害了生命的尊严。我不这么认为。归根结底，这是一场知识的胜利。当我们更好地了解生命如何运作时，我们确认了我们对生命的重视。
无限存储时代 作者：爱德华·费尔滕
想象一下，把人类有史以来录制的所有音乐都装在你的口袋里。到本十年末，这将成为可能。如果你想要所有的电影和电视节目，那也只需要几年时间。或者想象一下录制你一生的音频，从开始到结束：这已经可以负担得起了。视频将在几年内成为可能。硬盘驱动器和闪存等数据存储设备的密度和价格都变得如此之低，以至于对于大多数用途而言，它们的存储容量很快将是无限的。无限存储时代即将开始。
虽然内存成本呈指数级下降，但手机等无处不在的小工具也使数据收集变得容易。添加索引软件和一个好的搜索引擎，你就会拥有你所见所闻的一切的档案。添加数据分析工具，你就会对你的人生有一个新的视角。
我们思考信息的方式也在改变。与其必须决定保留什么，我们可以保留一切。与其决定记录什么，我们可以记录一切。
你不再需要费力记住三年前在克利夫兰吃过饭的餐厅的名字。你可以查阅你的视频档案，立即找到答案。一些技术爱好者已经记录了他们生活的每一个平凡细节，并使用软件分析来发现趋势——帮助他们改善饮食、监测锻炼计划或弄清楚是什么影响了他们的情绪。
无限存储将挑战我们对隐私的概念。很多时候，你会在别人的记录中出现在某个地方。除非你采取措施删除它，否则每一个失误和尴尬都将永远可见。我们需要一个新的共识，以及可能的新规则，来管理我们对信息的存储和使用。而且我们很快就需要它们。
意识之谜的答案 作者：克里斯托夫·科赫
自柏拉图和亚里士多德时代以来，身心问题一直困扰着人类最伟大的思想家。头骨内的一块物质怎么能散发出意识？意识是否需要某种非物质的东西，一个非物质的灵魂？我们能创造一个魔像并赋予它感情吗？几个世纪以来，学者们不得不在缺乏事实的情况下进行推测，但那些日子已经结束了。科学家们现在正在揭示意识的物质基础。在未来的几年里，他们将逐渐填补细节，使大部分的纸上谈兵变得毫无意义。
几条研究途径正在提供令人信服的结果。神经学家正在使用功能性脑成像和脑电图来确定一个醒着但对世界没有反应的脑损伤患者在多大程度上具有精神生活或感觉。科学家们正在分离神经元相关物——独特神经元集合中的特定放电——这些神经元相关物支撑着对来自感官的刺激的任何有意识的识别，无论是小黄方块还是著名电影明星的刺激。最新的技术热潮是光遗传学：研究人员将编码光敏蛋白的基因插入动物大脑中的神经元，然后发出短暂的彩色光脉冲来打开或关闭神经细胞，要么是为了仔细检查大脑的工作，要么是为了操纵大脑。神经科学家现在可以从仅仅观察大脑转向干预其精细的网络。
这些研究已经产生了基于信息科学和数学的意识新理论，这些理论可以描述一个物理系统（例如神经元网络）必须具备哪些特征才能被认为是意识的。这些理论将为长期困扰我们的问题提供定量答案：一个严重受损的病人是否有意识？新生婴儿什么时候开始有意识？胎儿有意识吗？狗是否意识到自己是一个有思想的存在？拥有数十亿互联计算机的互联网呢？我们的社会很快就会有答案。那将是一件幸事。
石油的过时 作者：迈克尔·韦伯和丹尼尔·卡门
一个多世纪以来，原油一直是我们交通运输部门的支柱。随着几种力量汇聚，这种主导地位可能很快就会结束。新的石油矿藏位于越来越难以到达的地方。环境法规正在收紧，并且在墨西哥湾英国石油公司漏油事件之后可能会进一步收紧。以电力或天然气为动力的汽车正在上市。美国国会已授权到 2022 年，所有液体运输燃料的五分之一来自非石油生物燃料。这些因素几乎可以确保对汽油的需求将达到峰值（或已经达到峰值）；对轻质低硫原油的需求下降应该为期不远。
向其他燃料的过渡很可能开始。这种过渡对我们的经济和环境有利还是不利，取决于我们今天做出的决定。我们并非注定会使用比汽油更清洁的替代燃料，因为存在许多廉价的选择，但这些选择并不清洁。重质固体燃料，如油页岩、油砂和煤制液体燃料可以填补这一空白，但可能会加剧环境影响。使用这些固体燃料的诱惑将很高，因为其储量远超轻质低硫原油，而且将其转化为液态形式的技术随着时间的推移变得越来越便宜。
当然，问题在于，从这些来源获得的每桶液体燃料都需要比轻质低硫原油更多的能量来提炼，这意味着除非我们在大规模实施碳捕获系统，否则每单位能源产生的碳排放量将会上升。而且，由于采矿和生产技术与传统石油的采矿和生产技术根本不同，因此可能会影响大片陆地和水域。
可以想象一个更有希望的场景，其中电力、天然气、下一代生物燃料和其他相对清洁的能源，以及提高燃油经济性，逐渐削弱轻质低硫原油的战略价值。然而，为了实现更光明的未来，我们需要妥善管理转型。一整套能源政策可以帮助我们建立一个更清洁、更安全、更具弹性和更便宜的能源系统。
如果我们能够制定这样的政策，我们的孙子孙女们将会从他们安静、清洁、国内燃料驱动的汽车中向外看，并嘲笑那些国家实际上为那些毫无用处的石油储备而战的想法。
不损害健康的能源 作者：R·詹姆斯·伍尔西
石油在交通运输领域的主导地位时代可能正在结束，但以目前的速度来看，结束将会缓慢到来。与此同时，我们的消费将继续破坏环境，并造成巨大的战略和经济问题。美国可以通过以下方式更快、更轻松地实现转型：提高内燃机的效率；鼓励电动汽车以及在车队车辆和州际货运中使用天然气；向乙醇和甲醇等当前生物燃料开放燃料市场竞争；以及资助利用废物和藻类生产新型生物燃料的研究。
如此大胆的举动将需要政治意愿，而政治意愿在华盛顿却供不应求。然而，如果国家领导人也强调从石油转向其他能源的健康益处：减少癌症、疾病和肥胖，这种情况可能会改变。
石油对公众健康的危害有多种形式。美国前欧亚能源特使 C·博伊登·格雷和华盛顿特区律师安德鲁·瓦尔科表示，根据《清洁空气法》的监管不作为，石油公司正在使用已知的致癌物——所谓的芳烃，如苯、甲苯和二甲苯——来提高汽油的辛烷值成分。他们得出结论，与医疗保健和美国人寿命缩短相关的额外成本每年超过 1000 亿美元。
转向生物燃料也会使我们更健康。批评人士经常断言，用于生物燃料的作物取代了用于食品的作物。但用于消费的玉米中，有 95% 是为动物饲料种植的，而不是为人类种植的。用玉米的淀粉成分喂养牛可以使它们的肉更肥，从而被认为味道更好。然而，脂肪会大大提高我们的胆固醇。
此外，玉米淀粉对于牛来说是一种不自然的食物，会导致消化不良，从而导致疾病，促使大量使用抗生素。在某些情况下，这种做法会导致耐药细菌，从而降低药物对人类传染病的疗效。我们可以利用玉米的淀粉生产生物燃料，同时仍然利用玉米蛋白作为动物饲料，而不会产生负面的健康影响。
将玉米淀粉充斥食品市场，而不是将其用于生物燃料，也会使果糖更便宜，从而降低制造垃圾食品的成本，而垃圾食品正是肥胖流行病，尤其是儿童肥胖流行的驱动因素。
石油不仅会造成战略和环境问题；它还会增加我们患癌症的风险，并有助于促进动脉阻塞、传染病和儿童糖尿病。石油还能为我们做些什么呢？
人类起源的新窗口 作者：莱斯利·艾埃洛
长期以来，人类进化领域的学者们一直依靠古代人类的化石骨骼和文化遗迹，以及现存人类和猿的生物学和行为，来努力重建过去。今年五月，我们最近的亲戚尼安德特人的基因组的测序，为我们共同的史前史打开了一个非凡的新窗口。
有了人类和尼安德特人的基因组，科学家们现在不仅可以研究那些已经写在骨骼和石头上的进化变化的外部物理表现，还可以研究编码这些特征的实际遗传信息。通过这样做，我们将在基因层面上确切地了解是什么将我们与所有其他生物区分开来，以及这些定义特征是如何以及何时出现的。与几年前遗传学家开发出从远古时代组装人类基因组的技术之前相比，这些见解将提供比大多数古人类学家所能梦想的更详细的关于我们人类进化的描述。
通过将尼安德特人序列与现代人的序列进行比较，德国莱比锡马克斯·普朗克进化人类学研究所的斯万特·帕博的团队发现了现代人类基因组的 200 个区域，这些区域自两个群体分化以来经历了适应性进化。这些 DNA 片段——包括参与代谢以及认知和骨骼发育的基因——掌握着使现代人类独一无二的关键。遗传学家尚不清楚最近的变化如何影响了这些基因组区域的功能，但他们揭示这些联系只是时间问题。
我自己的研究领域——代谢和体温调节——是众多将从这一新数据来源中受益的领域之一。尼安德特人生活在冰河时代欧洲寒冷的条件下。我们中的许多人都在想，生理适应是否能够让他们在没有精致服装的情况下保持温暖。一旦科学家们弄清了体温调节的遗传学原理，我们就可以寻找这种适应的证据。许多人类学家还推测，现代人类之所以能够部分地胜过尼安德特人，是因为他们的身体能够更有效地利用食物能量——当资源不可预测或难以获得时，这是一种优势。尼安德特人基因组为检验这些假设提供了一种新颖的方法。它还将帮助我们理解为什么现代人类的骨骼比尼安德特人更轻，头部形状也不同，以及我们是否真的比我们大脑发达的亲戚在认知上更先进，正如一些研究人员所认为的那样。
更多线索可能来自其他已灭绝人类物种的基因组。帕博的团队目前正在对从西伯利亚阿尔泰山脉丹尼索瓦洞穴发现的一块有 30,000 至 50,000 年历史的指骨中提取的 DNA 进行测序，这可能代表一个新物种。它也暗示了早期人类从非洲迁徙到欧亚大陆的次数比之前认为的要多。随着越来越多的研究小组加入到古代人类 DNA 的测序和分析工作中，来自古遗传学的启示无疑将在未来几十年继续塑造我们对人类奥德赛的理解。
我可以称之为我自己的医学 作者：乔治·丘奇
自 2003 年耗资 30 亿美元的人类基因组计划正式完成后，人类基因组测序的成本已暴跌一百万倍。操纵和改造基因的技术也变得广泛普及。因此，生物学现在正在经历一场自发活动的爆发，让人想起 20 世纪 80 年代早期，主要是自学成才的书呆子在他们的车库里辛勤工作，为我们带来了个人电脑时代。
随着生物技术的民主化进程继续推进，我们在过去 100 年里看到的一刀切的医学将让位于为每个人量身定制的医学。医生将根据每位患者的基因、细菌、过敏原、真菌、病毒和免疫系统开出定制的预防方案并做出全面的诊断。正如偏远的村庄现在利用互联网的力量和复杂性一样，他们也将能够组装适合其习俗、地理位置和个人的医疗保健解决方案。研究基因和环境因素的特定组合可以导致饮食、药物和行为的改变，帮助我们延长健康寿命。
在不久的将来，一个由医疗保健和软件提供商组成的复杂生态系统将使医生能够将每位患者视为独特的个体。您的干细胞将被制成临时治疗方法。您的基因组将每年左右进行一次测序，以检查是否出现癌细胞、自身免疫细胞、炎症等，并将有助于预测哪种治疗方法在疾病出现时可能最有效。不仅了解而且塑造您的生物学将成为您生活的一部分。
农业的下一次革命 作者：约翰·雷甘诺德
随着地球人口预计将在本世纪中叶达到 90 亿，一些专家声称只有传统农业才能为所有人生产足够的食物。但走这条路将对环境造成不可弥补的损害。幸运的是，我们还有其他选择。通过从资源密集型实践转向知识密集型实践，我们可以结束不可持续的耕作，并为所有人提供健康的食物和健康的环境。
传统农业会侵蚀和退化土壤。其化肥的生产需要消耗大量能源，并且经常污染水道、湖泊和海洋，而其杀虫剂会增加农场工人的健康风险。另一方面，有机耕作技术——无论是在经过认证的有机农场中使用，还是与传统方法相结合——都可以消除或减少对化学品的需求。例如，谷物与豆科植物轮作有助于恢复土壤中的氮，从而减少对化肥的需求，在轮作中添加第三种或第四种作物，在收获后在土壤中留下更多的植物残茬，或将土地转化为草地用于放牧，也能起到同样的作用。在美国，我们需要调整联邦农业补贴——这些补贴现在主要奖励农民种植玉米、棉花、大豆、小麦和水稻——以鼓励更长的轮作。
此外，为了保持土壤健康并减少侵蚀，许多农民可以采用免耕耕作，即在不进行任何先前耕作或犁地的情况下种植作物。最后，我们需要减少浪费。我们浪费了所有食物的 30% 到 40%，无论是在发展中国家（由于道路和储存系统落后，食物在运输途中变质）还是在富裕国家（我们在富裕国家丢弃食物是因为食物略有瑕疵，或剩余食物，或过了“保质期”，即使仍然完全完好）。
通过这些改变，我们仍然可以为每个人每天提供 2,350 卡路里的健康食物——正如联合国粮食及农业组织建议的那样。为了取得成功，我们需要将全球注意力集中在食物和生态系统问题上，并开展更多研究。当然，我们需要政治意愿来推动这场农业革命的发生。