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Gibt es Organismen, die Konformationen wahrnehmen, die wir Menschen nicht direkt wahrnehmen können?


Gibt es Organismen, die die Konformationen wahrnehmen können, die wir Menschen nicht direkt, also ohne Geräte, wahrnehmen können?

Wenn es Organismen gibt, die Konformationen ("die Form oder Struktur von etwas"; Objekte; Beispiel: Elementarteilchen, Atome oder irgendetwas) mit Größen wahrnehmen können, die wir Menschen nicht direkt wahrnehmen können, können wir dann wissen, was sie wahrnehmen, um vergleichen, was theoretisch oder indirekt über Geräte bekannt ist, um sie genauer zu kennen als bisher?

Sensing (in diesem Kontext) = Wissen darüber, wie Objekte auf niedrigerem Maßstab sind; das Wissen um Form, Geruch (!), Geschmack, Berührung, Klang usw.

Was ist zu spüren? = Es können die Eigenschaften der Konformationen auf niedrigerer Skala sein, die vom Menschen möglicherweise nicht direkt wahrgenommen werden.

Organismus (aus Wiki) = ein Organismus (aus dem Griechischen: οργανισμός, organismos) ist jede einzelne Einheit, die die Eigenschaften des Lebens aufweist. Es ist ein Synonym für "Lebensform".

HINWEIS: Ich hatte zuvor nach den Organismen gefragt, die Konformationen wahrnehmen, die Menschen möglicherweise nicht haben, selbst wenn sie Geräte verwenden. Da der Nutzen, der benötigt wird, darin besteht, die Elementarteilchen genau zu kennen, habe ich die Frage geändert, um die Konformationen von Organismen zu kennen, die wir Menschen nicht direkt wahrnehmen können, um sie mit dem zu vergleichen, was aus Theorie oder Ausrüstung bekannt ist, und zu wissen genaue Angaben. Und wenn ich die Frage darauf beschränkt hätte, welche Organismen wahrnehmen können, was Menschen nicht einmal durch Ausrüstung können, scheint sie völlig verengt zu sein, da Menschen, wie von anderen in den Kommentaren und Antworten gesagt, die meisten der kleinsten spüren können nach Ausrüstung.


Technisch gesehen ermöglichte der Large Hadron Collider den Menschen, eine Menge Informationen über Partikel zu erfassen. Außerdem können wir mit anderen Werkzeugen ziemlich gut spüren, wie sich Elektronen und Photonen verhalten. Wir können sogar spüren, wie sie sich in Abwesenheit von Teilchen verhalten (das nennt man theoretische Physik).

Näher an Ihrem Punkt wird jedoch bestätigt, dass das menschliche Auge (und das Gehirn) einzelne Photonen erkennen können. Es gibt wahrscheinlich ähnliche Studien zu Gerüchen, vielleicht sogar zu Elektronen oder elektrischen Strömen.

Mein wichtigster Punkt ist, dass Sie genau angeben müssen, was Sie fragen. Im Moment ist es unklar.


Wie Zecken Krankheiten verbreiten

Die meisten Zecken durchlaufen vier Lebensstadien: Ei, sechsbeinige Larve, achtbeinige Nymphe und Erwachsene. Nach dem Schlüpfen aus den Eiern müssen Zecken in jedem Stadium Blut fressen, um zu überleben. Zecken, die so viele Wirte benötigen, können bis zu 3 Jahre brauchen, um ihren vollen Lebenszyklus zu vollenden, und die meisten werden sterben, weil sie keinen Wirt für ihre nächste Fütterung finden.

Der Lebenszyklus von Ixodes scapularis Zecken dauert in der Regel zwei Jahre. Während dieser Zeit durchlaufen sie vier Lebensstadien: Ei, Larve, Nymphe und Erwachsene. Nachdem die Eier geschlüpft sind, müssen die Zecken in jedem Stadium eine Blutmahlzeit einnehmen, um zu überleben. Schwarzbeinige Zecken können sich von Säugetieren, Vögeln, Reptilien und Amphibien ernähren. Die Zecken brauchen in jeder Lebensphase einen neuen Wirt.

Der Lebenszyklus von Ixodes Pazifik Zecken dauert in der Regel drei Jahre. Während dieser Zeit durchlaufen sie vier Lebensstadien: Ei, Larve, Nymphe und Erwachsene. Nachdem die Eier geschlüpft sind, müssen die Zecken in jedem Stadium eine Blutmahlzeit einnehmen, um zu überleben. Schwarzbeinige Zecken können sich von Säugetieren, Vögeln, Reptilien und Amphibien ernähren. Die Zecken brauchen in jeder Lebensphase einen neuen Wirt.


Was ist Bewusstsein eigentlich und wie hat es sich entwickelt?

Die Menschen haben lange darüber nachgedacht, was Bewusstsein eigentlich ist. Bewusstsein scheint sich sehr von anderen biologischen Funktionen zu unterscheiden – wie eine Art immaterielle Essenz in unserem Kopf. Gedanken und Gefühle wirken ätherisch, losgelöst von allem Körperlichen. Selbstbewusstsein scheint ein Phänomen zu sein, das völlig losgelöst von allem ist, was möglicherweise von Zellen produziert werden könnte, die aus physischen Partikeln bestehen.

Früher dachten die Menschen auch so über das Leben selbst, und viele tun es immer noch. Aber Biologen haben Mitte des 20. Jahrhunderts das Rätsel dessen gelöst, was die Dinge lebendig macht, denn die Grundlagen dieses Verständnisses wurden im vorigen Jahrhundert gelegt. Vorher glaubte man, dass Lebewesen eine Art belebende Essenz besitzen, die ihren Unterschied zur unbelebten Materie erklärt. Die Menschen konnten sich nicht vorstellen, wie die gleichen materiellen Teilchen, die aus unbelebter Materie bestehen, so angeordnet werden könnten, dass etwas entsteht lebendig, ohne diese besondere, mysteriöse immaterielle Essenz hinzuzufügen. Ganz zu schweigen davon, wie sich die unbelebte Materie durch völlig ungelenkte, spontane Prozesse auf so kluge und komplizierte Weise organisieren konnte. Die Intuitionen der Menschen sagen ihnen, dass eine solche Komplexität sicherlich einen intelligenten Designer erfordert. So viel zur Intuition. 1

Jetzt, im gegenwärtigen Jahrhundert, wendet sich die Wissenschaft der Entschlüsselung des Rätsels des Bewusstseins zu. Es wendet dieselbe systematische Schritt-für-Schritt-Methodik an, um zu dekonstruieren, was auf den ersten Blick wie ein unüberwindbares Mysterium aussieht.

Aus der klinischen Neurologie und aus meinem Fachgebiet, der klinischen Psychiatrie, wissen wir schon seit langem, dass es zweifelsfrei keinen Aspekt des Geistes gibt, der nicht vollständig das Produkt des physischen Gehirns ist und von diesem völlig abhängig ist . Eine Störung, Demontage oder Verbesserung von Gehirnschaltkreisen (subtil oder bedeutend) kann sich radikal verändern irgendein Aspekt des Geistes. Und doch ist das Geheimnis, wie genau das Gehirn Bewusstsein produziert, ungeklärt geblieben.

Was verstehen wir überhaupt unter Bewusstsein? Die meisten Definitionen von Bewusstsein beinhalten ein gewisses Maß an Bewusstsein oder subjektiver Erfahrung. Wir Menschen haben ein besonders hoch entwickeltes subjektives Selbst- und Selbstbewusstsein. Wie entsteht das aus einer etwa drei Kilo schweren Orgel mit der Konsistenz von Tofu? 2

Wie kann ein rein physisches Ding Gefühl wie etwas? Gewiss ist Bewusstsein eine Art von Anderssein? Vielleicht ist das Bewusstsein eine noch unentdeckte fundamentale Eigenschaft des Universums, die das Universum wie elektromagnetische Strahlung durchdringt? Wenn ja, existiert es vielleicht „da draußen“, unabhängig vom physischen Gehirn, und erfordert nur ein Gehirn, um es zu empfangen und zu senden – wie ein Radio in Bezug auf Radiowellen? Ich habe an anderer Stelle erklärt, warum solche Ideen von Mainstream-Wissenschaftlern als völlig unvereinbar mit dem angesehen werden, was uns die Wissenschaft tatsächlich sagt. Die Verbreitung und Popularität solcher volkswissenschaftlicher Ideen weisen auf das Versagen hin, moderne neurowissenschaftliche Erkenntnisse in Begriffe zu übersetzen, die der allgemein gebildeten Öffentlichkeit zugänglich sind.

Der Versuch, die Natur des Bewusstseins zu verstehen und darüber zu spekulieren, ohne ein ziemlich tiefes Verständnis von Biologie und Neurowissenschaften zu haben, ist ein vergebliches Unterfangen. Diese Blog-Reihe ist einer von vielen Versuchen von Wissenschaftsautoren, diese Art von Wissen einer breiten Leserschaft zumindest in sehr allgemeiner Form zugänglich zu machen. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass jeder Versuch, einen so großen, komplexen und sich ständig ändernden Wissensschatz in Zusammenfassungen in Blog-Länge zu destillieren, notwendigerweise Details, Untermauerung, Feinheit und Nuancen opfern muss. Trotzdem geht hier:

Einer von mehreren fruchtbaren wissenschaftlichen Ansätzen zum Verständnis des Bewusstseins ist die Untersuchung seiner evolutionären Ursprünge. Sobald wir alle magischen Gedanken über die Natur des Bewusstseins ablegen und versuchen, es als biologisches Phänomen zu verstehen, wird sofort klar, dass es sich wie alle anderen biologischen Phänomene und wie das Leben selbst in Abstufungen entwickelt haben muss.

Am Anfang

Wie weit sollten wir also in der Evolutionsgeschichte zurückgehen, um nach den Ursprüngen des Bewusstseins zu suchen?

Den ganzen Weg zurück. Fast vier Milliarden Jahre. Lange bevor Tiere ein Gehirn oder sogar ein Nervensystem hatten. Zurück zu einfachen einzelligen Organismen wie Bakterien. Zurück zum Ursprung des Lebens selbst.

Dies soll nicht bedeuten, dass einfache einzellige Organismen Bewusstsein oder auch nur ein Minimum davon besaßen. Nicht das Bewusstsein, sondern seine Bausteine: Verhalten und die Vorläufer von Erkennen, Lernen und Gedächtnis.

Richtig verstanden, Verhalten, Erkennung (Wahrnehmung), Lernen und Gedächtnis benötigen kein Nervensystem. Später kamen die Nervensysteme hinzu, gefolgt von den zentralen Nervensystemen. Dies waren evolutionäre Anpassungen, die dem Verhalten von Organismen bei ihren Reaktionen auf Reize eine größere Koordination und Flexibilität verliehen. Auf der grundlegendsten Ebene können Reaktionen auf Reize entweder als Annäherung (z. B. an einen Nährstoff) oder als Rückzug (von etwas Schädlichem oder Gefährlichem) charakterisiert werden. Verhaltensweisen in komplexeren Organismen sind im Grunde nur kompliziertere Versionen davon. Tatsächlich sind einige der am Lernen beteiligten Gene bei komplexen Tieren dieselben wie bei Protozoen, bei denen es sich um sehr primitive einzellige Organismen ohne Nervensystem handelt, die sich vor mindestens 1,5 Milliarden Jahren entwickelt haben. 3

Nervensysteme und insbesondere komplexere Gehirne ermöglichten es Organismen letztendlich, ihre Verhaltensreaktionen durch folgende Fähigkeiten zu regulieren:

  • Vorhersage
  • Planung
  • verzögern (hindern)
  • Erinnern (Speichern von Informationsmustern aus vergangenen Begegnungen)
  • Lernen (Veränderung des Verhaltens durch Konditionierung oder durch Erinnerung an frühere Ergebnisse oder bei höheren Tieren durch Nachahmung)
  • Abwägen verschiedener Verhaltensreaktionen (vergleichen, „überlegen“).
  • Bewertung von Verhaltensergebnissen

Das Bewusstsein hat sich wahrscheinlich als eine Möglichkeit für Organismen entwickelt, weit über die bloße reflexive Reaktion auf Reize hinauszugehen – um flexibler, verzögerter und geplanter reagieren zu können. Eine Schlüsselfunktion des Bewusstseins besteht wahrscheinlich darin, nicht-reflexives Verhalten zuzulassen, wie z. B. nach einer Verzögerung zu reagieren oder eine Aktion basierend auf intern generierten Plänen auszuführen. 4

Es gibt Bewusstseinsgrade und verschiedene Varianten davon. Und selbst bei höheren Tieren wie uns werden die meisten Verhaltensweisen immer noch durch unbewusste, automatische Prozesse ausgeführt. Was ein Verhalten in die bewusste Wahrnehmung und Kontrolle bringt und warum, ist Gegenstand vieler Forschungen.

Mehrere Bücher prominenter Wissenschaftler haben in den letzten Jahren den evolutionären Ansatz zum Verständnis des Bewusstseins gewählt. Darunter sind (in der Reihenfolge der Diskussion in dieser Blogserie): Die Ursprünge des Bewusstseins: Wie das Gehirn Erfahrungen geschaffen hat (2016) von Todd Feinberg und Jon Mallatt und das Folgebuch Bewusstsein entmystifiziert (2018) von denselben Autoren, Die tiefe Geschichte von uns selbst: Die Vier-Milliarden-Jahres-Geschichte, wie wir bewusste Gehirne bekamen (2019) von Joseph LeDoux, Von Bakterien zu Bach und zurück: Die Evolution des Geistes (2017) von Daniel Dennett, Die seltsame Ordnung der Dinge: Leben, Fühlen und die Entstehung von Kulturen (2018) von Antonio Damasio und Bewusstsein neu denken: Eine wissenschaftliche Theorie der subjektiven Erfahrung (2019) von Michael Graziano. 5

Diese Bücher zeichnen einen evolutionären Kurs durch:

  • primitiver Zellsignalisierung beginnend vor 3,5 bis 3,8 Milliarden Jahren bei den ersten Einzellern (Prokaryoten, nämlich Bakterien und Archaeen, die sich durch einfache Zellteilung ungeschlechtlich vermehren) gefolgt von größeren, relativ komplexeren Einzellern ( Eukaryoten, wie Protozoen Eukaryoten enthalten einen Kern und Organellen und vermehren sich sexuell, was zu mehr genetischer Vielfalt führt)
  • zur Evolution des ersten diffusen (nicht zentralisierten) Nervensystems in vielzelligen Organismen (in Hydra und quallenähnlichen Lebewesen) vor etwa 600-700 Millionen Jahren
  • zu den Vorläufern des zentralisierten Nervensystems bei primitiven wurmartigen Kreaturen im Kambrium, das vor fast 550 Millionen Jahren begann
  • zu stärker vernetzten Zentralnervensystemen bei komplexeren Wirbellosen und Wirbeltieren ab dem Kambrium
  • zu den immer ausgeklügelteren Fähigkeiten der Gehirne größerer Tiere (Fische, Amphibien, Reptilien, Vögel, Säugetiere und auch Kopffüßer) in den letzten paar hundert Millionen Jahren, die in der Lage sind, interne Repräsentationen ihrer Umwelt und ihrer selbst zu bilden (dh Karten oder Modelle ihrer äußeren Umgebung und des eigenen Körpers und Handelns) mit entsprechend flexibleren Verhaltensweisen
  • bis zu dem Stadium, in dem sich solche inneren Repräsentationen bei höheren Säugetieren zu einem grundlegenden Selbstgefühl entwickelten
  • auf die Fähigkeit bei Primaten und insbesondere beim Menschen, die eigenen Denkmuster innerlich reflektierter darzustellen. Und, wahrscheinlich nur beim Menschen, sich des Bewusstseins bewusst zu sein, über die eigene Existenz als bewusste Wesen nachzudenken.

Es ist wichtig zu verstehen, dass eine interne Vertretung grundsätzlich körperlich Ding – eine physikalische Repräsentation innerhalb des Nervensystems, verkörpert in molekularen Veränderungen innerhalb von Neuronen und auf neuronalen Membranen und in den Verbindungen, die diese Neuronen miteinander bilden. Für weitere Erklärungen und Diskussionen über die physikalische Natur interner Repräsentationen und wie selbst hochabstrakte Konzepte und Selbstkonzepte als Repräsentationen von Repräsentationen von Repräsentationen (usw.) aufgebaut werden, siehe meinen Blogbeitrag „Was ist eigentlich ein Gedanke? Und wie sind Informationen physisch?“ Wie dort gesagt: Gedanken sind physische Repräsentationen oder Landkarten. Sie haben Form und Gewicht. 6

Dies wird eine fünfteilige Serie über die evolutionären Ursprünge des Bewusstseins sein, die zeigt, wie die evolutionäre Perspektive viel Licht auf das Geheimnis wirft, was Bewusstsein eigentlich ist und wie es aus rein physischen, biologischen Prozessen entstehen könnte. In Teilen 2, 3, 4 und 5 (klicken Sie auf Hypertext-Links), werde ich die verschiedenen Theorien, die in den oben aufgeführten Büchern entwickelt wurden, überprüfen, gegenüberstellen und zusammenfassen. Am Ende dieser Serie werden Sie besser in der Lage sein, über die Natur des Bewusstseins zu spekulieren, ohne auf phantasievolle Ideen zurückzugreifen, die nicht wissenschaftlich fundiert sind, wie die oben beschriebene Radiotheorie. Aber ich möchte Sie ermutigen, die tatsächlichen Bücher und die vielen anderen verfügbaren soliden wissenschaftlichen Quellen zu lesen (achten Sie nur auf wissenschaftlich klingende Pseudowissenschaft). 7 Diese Blog-Serie ist nur eine Zusammenfassung, um Ihnen den Einstieg zu erleichtern, um zu verstehen, wo sich die Wissenschaft bisher auf einem ihrer vielversprechendsten Wege zur Beantwortung einer der größten wissenschaftlichen und philosophischen Fragen überhaupt befindet. 8

1. Die Erklärungen der Wissenschaft dafür, dass das Universum, das Leben und das Bewusstsein vollständig das Produkt spontaner, ungelenkter Prozesse sind, werden in meinem Buch Finding Purpose in a Godless World: Why We Care Even If The Universe Doesn't (Amherst, NY: Prometheus) ausgearbeitet Bücher, 2018) und in diesem YouTube-Video zusammengefasst. Das Buch und das Video befassen sich mit Fragen des Zwecks, der Bedeutung und der Moral in einem zufälligen, zwecklosen, gottlosen Universum.

3. Joseph E. LeDoux, Die tiefe Geschichte von uns selbst: Die Vier-Milliarden-Jahres-Geschichte, wie wir bewusste Gehirne bekamen (New York City: Wikinger, 2019). LeDoux bietet diese hilfreiche Unterscheidung auch in einem seiner eigenen Blog-Posts von Psychology Today zwischen verschiedenen Arten von Verhaltensweisen an, die von den automatischsten bis zu den kontrolliertesten und flexibelsten aufgeführt sind:

"Es gibt viele verschiedene Arten von Verhaltensweisen, und jedes hängt von verschiedenen Gehirnschaltkreisen ab. Wichtige Beispiele sind: Reflexe angeborene und konditionierte Reaktionsmuster instrumentell erworbene Gewohnheiten instrumentelle zielgerichtete Handlungen basierend auf Versuch-und-Irrtum-Lernen und instrumentelle zielgerichtete Handlungen abhängig auf kognitiver Modellierung, d. h. auf der Simulation möglicher Handlungsergebnisse durch Verwendung interner Repräsentationen."

[KLICKEN SIE AUF 'MEHR', UM DIE FUSSNOTEN 4-8]

4. Kanai, R., Chang, A., Yu, Y., Magrans de Abril, I., Biehl, M., & Guttenberg, N. (2019). Informationsgenerierung als funktionale Grundlage des Bewusstseins. Neurowissenschaft des Bewusstseins, 2019(1), niz016. https://doi.org/10.1093/nc/niz016

5. Todd E. Feinberg und Jon Mallatt, Die Ursprünge des Bewusstseins: Wie das Gehirn Erfahrungen geschaffen hat (Cambridge, MA: MIT Press, 2016) Todd E. Feinberg und Jon M. Mallatt, Bewusstsein entmystifiziert (Cambridge, MA: MIT Press, 2018) Daniel C. Dennett, Von Bakterien zu Bach und zurück: Die Evolution des Geistes (New York: W.W. Norton & Company, 2017) Antonio R. Damasio, Die seltsame Ordnung der Dinge: Leben, Fühlen und die Entstehung von Kulturen (New York: Pantheon Books, 2018) Joseph E. LeDoux, Die tiefe Geschichte von uns selbst: Die Vier-Milliarden-Jahres-Geschichte, wie wir bewusste Gehirne bekamen (New York City: Viking, 2019) Michael S. A. Graziano, Bewusstsein neu denken: Eine wissenschaftliche Theorie der subjektiven Erfahrung (New York: W. W. Norton & Company, 2019). Siehe auch Arthur S. Reber, Die ersten Gedanken: Raupen, Karyoten und Bewusstsein (New York: Oxford University Press, 2019).

6. Der Neurowissenschaftler Stanislas Dehaene spekuliert, dass vielleicht das, was die menschliche Kognition einzigartig macht, „die eigentümliche Art und Weise ist, wie wir unsere Ideen explizit unter Verwendung verschachtelter oder rekursiver Strukturen von Symbolen formulieren“ – Stanislas Dehaene, Bewusstsein und das Gehirn: Entschlüsseln, wie das Gehirn unsere Gedanken kodiert (New York, NY: Viking, 2014), (S. 250).

7. Pseudowissenschaftliche Bewusstseinstheorien bestreiten am häufigsten die Vorstellung, dass Bewusstsein ausschließlich das Produkt physischer Gehirne ist. Solche Theorien stimmen mit spirituellen Weltanschauungen überein (einschließlich „spiritueller, aber nicht religiöser“ Weltanschauungen) und lehnen die wissenschaftlich-materialistische Mainstream-Weltanschauung ab. Befürworter solcher Theorien haben die Angewohnheit, einzelne Wissenschaftler zu zitieren oder Zitate bestimmter Wissenschaftler herauszupicken, um ihre Ansicht zu untermauern. Es gibt sicherlich Debatten unter Wissenschaftlern über spezifische Mainstream-Wissenschaftstheorien des Bewusstseins. Und natürlich gibt es immer noch eine Minderheit von Wissenschaftlern, die persönliche spirituelle Überzeugungen haben – Wissenschaftler neigen zu den gleichen menschlichen Emotionen und Intuitionen wie alle anderen und müssen hart daran arbeiten, diese bewusst außer Kraft zu setzen, um evidenzbasierte Schlussfolgerungen zu ziehen. Nichtsdestotrotz kann hier mit größter Zuversicht kategorisch festgestellt werden, dass die gängige wissenschaftliche Sichtweise des 21. das Gehirn. Das einzige, was sich daran ändern würde, wäre das erfolgreiche Engineering einer fortgeschrittenen, bewusstseinsfähigen künstlichen Intelligenz – was prinzipiell möglich ist und wahrscheinlich irgendwann in der Zukunft passieren wird, aber schwieriger zu entwickeln ist, als die meisten Leute annehmen. Es kann auch durchaus sein, dass es anderswo im Universum außerirdische Lebensformen gibt, deren Bewusstsein von einem Organ stammt, das technisch gesehen kein Gehirn ist, aber höchstwahrscheinlich immer noch einem Gehirn analog wäre. Die weit verbreitete Vorstellung, dass Bewusstsein „da draußen“ existiert, als ob im „Äther“, unabhängig vom physischen Gehirn, spricht viele Menschen aus sehr offensichtlichen psychologischen Gründen an – weil sie impliziert, dass es eine Essenz unseres Seins gibt, die fähig ist den Tod unseres physischen Körpers und Gehirns zu überleben. Aber diese Vorstellung stimmt mit Sicherheit nicht im Geringsten mit ernsthafter Wissenschaft überein. (Es sei denn, man spricht davon, unseren Geist in ein künstliches System hochzuladen – was zwar grundsätzlich möglich ist, aber immens schwieriger wäre als die Herausforderung, „nur“ bewusste KI zu entwickeln).


Definition von Bewusstsein

Bewusstsein ist ein schwieriges Thema und seine Konstrukte und Definition werden viel diskutiert (https://en.wikipedia.org/wiki/Category:Consciousness#:). Dennoch wird eine beträchtliche Übereinstimmung erzielt, wenn sie auf das Wesentliche reduziert wird. Sowohl wir als auch die Befürworter des Pflanzenbewusstseins konzentrieren sich auf den grundlegendsten Typus, genannt phänomenales oder primäres Bewusstsein (Block 1995 Edelman et al. 2011 Feinberg und Mallatt 2016a, b Calvo 2017 Mallatt und Feinberg 2020). Primäres Bewusstsein bedeutet, zu haben irgendein Art von Erfahrungen oder Gefühlen, egal wie schwach oder flüchtig (Revonsuo 2006: S. 37). Ein solcher basaler Bewusstseinstyp wurde von Thomas Nagel (1974) am prägnantesten als 𠇎twas, wie es ist, zu sein” charakterisiert, als er fragte: “Wie ist es, eine Fledermaus zu sein?” Es bedeutet, ein Subjektives zu haben oder Ich-Perspektive, und was manchmal Empfindung genannt wird (von Latein Sätze, �ling”). Diese primäre Form des Bewusstseins tut nicht beinhalten die Fähigkeit, über die Erfahrungen zu reflektieren, das Selbstbewusstsein, dass man bewusst ist, die Selbsterkenntnis im Spiegel, das episodische Gedächtnis (die Erinnerung an vergangene persönliche Erfahrungen, die zu einer bestimmten Zeit und an einem bestimmten Ort stattgefunden haben), Träumen oder höheres kognitives Denken , die alle höhere Bewusstseinstypen sind (Feinberg und Mallatt 2018: S. 131). Alle bewussten Organismen haben ein primäres Bewusstsein, aber nur einige von ihnen haben auf dieser Grundlage ein höheres Bewusstsein entwickelt.

Wenn wir unsere Diskussion auf das primäre Bewusstsein beschränken, können wir uns auf die minimalen Kriterien für das Bewusstsein in Pflanzen konzentrieren. Es gibt bereits zahlreiche Beweise dafür, dass das Bewusstsein bei Tieren von der Anwesenheit eines Gehirns und Nervensystems abhängt. Viele Befürworter des Pflanzenbewusstseins haben jedoch argumentiert, dass Pflanzen kein menschliches oder tierisches Bewusstsein haben müssen (Trewavas et al. 2020). Stattdessen schlagen sie vor, dass Pflanzen etwas 𠇊lienischeres” haben, das nicht-neuronale ist, aber dennoch dem Kriterium für das primäre Bewusstsein der rohen Erfahrung entspricht, d. h. etwas, das es ist (Calvo 2017).

Hinter der Definition des Primärbewusstseins steckt mehr, als bisher angedeutet wurde. Erstens wird die rohe Erfahrung des Primärbewusstseins in zwei Arten oder Aspekte unterteilt (Feinberg und Mallatt 2016a):

Erleben eines mentalen Bildes oder einer Repräsentation der wahrgenommenen Welt.

Affektive Gefühle erleben. Affektiv bedeutet im Wesentlichen emotionales Bewusstsein, das in seiner einfachsten Form Gefühle von Gut oder Böse sind.

Zweitens wird primäres Bewusstsein auch als die Fähigkeit verstanden, sich der Umwelt bewusst zu sein und sensorische Informationen für ein zielgerichtetes Organismusverhalten zu integrieren eine richtige Charakterisierung (Feinberg und Mallatt 2018), aber nur wenn (1) 𠇊ware” hat seine wahre Wörterbuchdefinition als gefühlte Sinneserfahrung und wird nicht als bloße sensorische Wahrnehmung missverstanden und (2) “zweckgerichtet” bedeutet “volitional,” und nicht nur �ptive& #x0201d im evolutionären Sinne von der natürlichen Auslese programmiert.


2. Mikrobielle Resistenzmechanismen

Der großflächige Einsatz von Antibiotika in der klinischen Behandlung hat zur Ausbildung entsprechender Multiresistenzmechanismen durch Mikroorganismen gegen das Ziel von Antibiotika geführt [19,20]. Die Hauptmechanismen sind die Passivierung von Antibiotika durch chemische Modifikation, die systemische Eliminierung von Antibiotika durch Effluxpumpe und die Modifikation von Genen, die auf Wirkstoffe abzielen ( 1 ). Gleichzeitig können viele pathogene Bakterien einen dichten Biofilm bilden [21], der die Bakterien sehr resistent macht. (1) Chemische Modifikation inaktiviert den Mechanismus der antibiotischen Aktivität, d. h. die Sekretion eines modifizierten Enzyms, um die chemische Struktur von Antibiotika zu verändern, was zu einer antibiotischen Inaktivierung und einem Aktivitätsverlust führt. Sein enzymatischer Mechanismus umfasst den antibiotischen Abbau und die Derivatisierung antibiotischer chemischer Gruppen [22]. Eine der besten Strategien, um mit der Existenz von Antibiotika umzugehen, ist die Herstellung von Enzymen. Durch die Zugabe von spezifischen Chemikalien zu den Verbindungen, um die Medikamente zu inaktivieren oder die Moleküle selbst zu zerstören, können die Antibiotika nicht mit den Zielsubstanzen interagieren. (2) Mikroorganismen können auch Antibiotikapumpen verwenden, um Antibiotika auszutreiben. Antibiotika müssen normalerweise durch die Zellmembran des Mikroorganismus in die Zellen eindringen, um bestimmte Ziele effektiv anzugreifen. Die Efflux-Resistenz von Antibiotika ist ein wichtiger Mechanismus der mikrobiellen Resistenz, der durch Efflux-Pumpen erreicht wird. Mikroorganismen bauen ein Effluxpumpenprotein auf der Zellmembran auf, um Antibiotika aus der Zelle auszustoßen. Die Ausscheidungsrate ist normalerweise schneller als die Wirkstoffpenetrationsrate, wodurch der Wirkstoffspiegel in der Zelle auf ein unempfindliches Niveau gesteuert wird. Bisher wurde eine Vielzahl von mikrobiellen Effluxpumpensystemen entdeckt, wie lipophile und hydrophile Effluxsysteme, die auf Medikamente mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften abzielen [23,24]. (3) Ein weiterer wichtiger Resistenzmechanismus ist die Modifikation von Genen, die auf Medikamente abzielen. Dieser Mechanismus verändert hauptsächlich die Wirkstoff-Targeting-Gene durch Modifikation, wodurch das Medikament sein Ziel verliert. Eine weitere gängige Strategie für Bakterien zur Entwicklung einer Antibiotikaresistenz besteht darin, die Wirkung von Antibiotika durch Eingriffe in die Zielstelle zu vermeiden. Infolgedessen haben Bakterien verschiedene Strategien entwickelt, einschließlich des Schutzes des Ziels (Verhindern, dass das Antibiotikum seine Bindungsstelle erreicht) und des Modifizierens der Zielstelle, wodurch die Affinität für Antibiotikamoleküle verringert wird. β-Lactam-Antibiotika spielen eine bakterizide Rolle, indem sie die Mucopeptid-Synthase, Penicillin-bindende Proteine ​​(PBPs) des bakteriellen Zellwand-Trans-Peptid-Prozesses hemmen, wodurch Bakterien daran gehindert werden, eine vollständige Zellwand zu bilden und absterben [25]. (4) Arzneimittelresistenz beruht auf zellulärer Anpassung. Im Laufe der Jahre haben Bakterien komplexe Mechanismen entwickelt, um mit Umweltstress und Stress umzugehen, um in den härtesten Umgebungen, einschließlich des menschlichen Körpers, zu überleben. Um einen Vorteil zu erlangen, müssen Bakterien um Nährstoffe konkurrieren und Angriffe von Molekülen vermeiden, die von anderen konkurrierenden Organismen produziert werden [26]. In einem bestimmten Wirt werden Bakterien ständig vom Immunsystem des Wirts angegriffen, und um sich in einer bestimmten biologischen Umgebung zu etablieren, ist es wichtig, dass sie sich diesen Stresssituationen anpassen und sie bewältigen. Daher haben Bakterien komplexe Mechanismen entwickelt, um zu vermeiden, dass wichtige zelluläre Prozesse, wie die Zellwandsynthese und die Membranhomöostase, gestört werden. Die Entwicklung einer Resistenz gegen Daptomycin (DAP) und Vancomycin (bei niedrigen Konzentrationen in Staphylococcus aureus) ist das klinisch relevanteste Beispiel für einen Resistenz-Phänotyp, der das Ergebnis einer gesamten zellulären adaptiven Reaktion auf einen bakteriellen Angriff ist.

Häufige Mechanismen der mikrobiellen Resistenz.

Die Existenz mehrerer Resistenzmechanismen hat es schwierig gemacht, das Problem der mikrobiellen Resistenz zu überwinden und zu lösen. Im Kampf zwischen Mikroorganismen und Antibiotika haben immer mehr Mikroorganismen multiple Resistenzmechanismen entwickelt und sind zu “Superbakterien” geworden. Zum Beispiel das superresistente Bakterium Staphylococcus aureus kann Penicillin spezifisch abbauen, indem es β-Lactamase produziert, und andererseits kann es Methicillin seine Fähigkeit nehmen, Zellwand-Mucinsynthase zu binden, indem es PBP2a-Protein produziert [27]. In einem anderen Superbakterium Pseudomonas aeruginosa, zusätzlich zu der Möglichkeit, verschiedene Medikamenten-Efflux-Pumpen herzustellen, um mehreren Arten von Antibiotika zu widerstehen [28,29], können Resistenzgene auch durch horizontalen Gentransfer erhalten werden [30,31] und seine Bakterien verändern die Körperform und dichten Biofilme können fast alle auf dem Markt befindlichen Antibiotika widerstehen [32,33].

In den letzten Jahren haben Forscher herausgefunden, dass die Bildung von bakteriellen Biofilm-Resistenzen gegen Bakterien besonders wichtig ist. Die durch bakteriellen Biofilm erzeugte Arzneimittelresistenz ist ein systematischer und komplexer Mechanismus der Arzneimittelresistenz. Das Prinzip der Arzneimittelresistenz hat mindestens die folgenden drei Punkte [34,35,36]: (1) Der Biofilm selbst ist eine wirksame Arzneimittelbarriere, die seine Antibiotika-Permeabilität deutlich reduzieren kann. Bakterien sind durch Proteine ​​und DNA, insbesondere extrazelluläre Polysaccharide, miteinander verbunden und bilden eine unüberwindbare Barriere, die die Durchlässigkeit von Antibiotika stark reduzieren und die Überlebensrate von Bakterien im Biofilm verbessern kann. (2) Die spezielle Mikroumgebung im Biofilm lässt die Bakterien in der Membran Heterogenität erzeugen und reguliert die Antibiotikaresistenz der Bakterien. Die Studie ergab, dass die Konzentrationen von Nährstoffen und Bakteriensekreten in verschiedenen Bereichen des Biofilms nicht gleich waren, was zu einem inkonsistenten Wachstumsstatus der Bakterienkörper in verschiedenen Bereichen des Biofilms führte, d führte zu unterschiedlichen Resistenzen von Bakterienzellen. (3) Die extreme Umgebung außerhalb des Biofilms fördert die Arzneimittelresistenz innerhalb der Membran. Einige drastische Umweltveränderungen außerhalb des Biofilms, wie Änderungen der Temperatur, des pH-Werts und der Konzentration bestimmter Chemikalien, können die Funktionen der Bakterien im Biofilm beeinflussen, um ihre physiologischen und biochemischen Funktionen zu regulieren, ihre Wachstumseffizienz zu reduzieren und einen Zustand zu bilden von Antibiotikaresistenzen. Die mikrobiellen Resistenzmechanismen sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Daher ist es vorteilhaft, bakterielle Resistenzen durch Hemmung der Bildung bakterieller Biofilme, Hemmung des Bakterienquorums, Verringerung der Barrierewirkung von Biofilmen und Hemmung der phänotypischen Veränderungen von Bakterien in Biofilmen zu untersuchen, um die Resistenz von bakteriellen Biofilmen gegenüber Antibiotika zu schwächen [37] .

Tabelle 1

Mikrobielle Resistenzmechanismen.

WiderstandsmechanismusAktionsmechanismus
Chemische ModifikationÄndern Sie die chemische Struktur von Antibiotika
AblaufpumpensystemAbgabe intrazellulärer Antibiotika
Modifikation von Medikamenten-Targeting-GenenWirkstoff-Targeting-Gene ändern
Globale zelluläre AnpassungAnpassung und Stressbewältigung
Biofilm selbstReduzieren Sie die Durchlässigkeit von Antibiotika
Besonderes inneres Umfeld im BiofilmIntrazellulärer Thallus erzeugt Heterogenität
Extreme Umgebung außerhalb des BiofilmsIntrazellulärer Thallus erzeugt Widerstand

Zungen „schmecken“ Wasser, indem sie sauer wahrnehmen

Von Katzen über Ratten bis hin zu Menschen wissen Säugetiere, wann sie Wasser trinken. Eine neue wissenschaftliche Studie zeigt, wie.

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Viele Leute würden sagen, dass reines Wasser nach nichts schmeckt. Aber wenn Wasser keinen Geschmack hat, woher wissen wir dann, was wir trinken, ist Wasser? Unsere Zungen haben eine Möglichkeit, Wasser zu erkennen, zeigt eine neue Studie. Sie tun dies nicht, indem sie das Wasser selbst schmecken, sondern indem sie Säure spüren – die wir normalerweise sauer nennen.

Alle Säugetiere brauchen Wasser zum Überleben. Das heißt, sie sollten erkennen können, ob ihnen das Wasser im Mund zusammenläuft. Unser Geschmackssinn hat sich entwickelt, um andere wichtige Substanzen wie Zucker und Salz zu erkennen. Es wäre also auch sinnvoll, Wasser zu erkennen, sagt Yuki Oka. Er studiert das Gehirn am California Institute of Technology in Pasadena.

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Oka und seine Kollegen hatten bereits herausgefunden, dass ein Gehirnareal namens Hypothalamus (Hyp-poh-THAAL-uh-mus) kann den Durst kontrollieren. Aber das Gehirn allein kann nicht schmecken. Es muss ein Signal aus dem Mund empfangen, um zu wissen, was wir schmecken. „Es muss einen Sensor geben, der Wasser erkennt, also wählen wir die richtige Flüssigkeit“, sagt Oka. Wenn Sie kein Wasser spüren konnten, könnten Sie versehentlich eine andere Flüssigkeit trinken. Und wenn diese Flüssigkeit giftig ist, könnte das ein fataler Fehler sein.

Um nach diesem Wassersensor zu suchen, untersuchten Oka und seine Gruppe Mäuse. Sie tropften Flüssigkeiten mit verschiedenen Geschmacksrichtungen auf die Zungen der Tiere: süß, sauer und herzhaft. Sie tropften auch reines Wasser. Gleichzeitig zeichneten die Forscher die elektrischen Signale der an den Geschmacksknospen angebrachten Nervenzellen auf. As expected, the scientists saw strong nerve responses to all the flavors. But they saw a similar strong response to water. Somehow, the taste buds were detecting water.

The mouth is a wet place. It’s filled with saliva — a mixture of enzymes and other molecules. They include bicarbonate ions — tiny molecules with negative charge. The bicarbonate makes saliva, and your mouth, a little bit basic. Basic substances have a higher pH than pure water. They are the opposite of acidic substances, which have a lower pH than water.

When water pours into your mouth it washes away that basic saliva. An enzyme in your mouth instantly kicks in to replace those ions. It combines carbon dioxide and water to make bicarbonate. As a side effect, it also produces protons.

The bicarbonate is basic, but the protons are sauer — and some taste buds have a receptor that senses acid. These receptors to detect the flavor we call “sour” — like in lemons. When the newly made protons hit acid-sensing receptors, the receptors send a signal to the taste bud nerve. And the taste bud nerve fires — not because it detected water, but because it detected acid.

To confirm this, Oka and his group used a technique called optogenetics. With this method, scientists insert a light-sensitive molecule into a cell. When light shines on the cell, the molecule triggers an electrical impulse.

Oka’s team added a light-sensitive molecule to the sour-sensing taste bud cells of mice. Then they shined light on the animals’ tongues. Their taste buds reacted and the animals licked, thinking they sensed water. If the light was attached to a water spout, the animals would lick it — even though the spout was dry.

Die Geschichte geht unter dem Video weiter.

The team also ausgeschlagen the sour-sensing molecule in other mice. That means they blocked the genetic instructions for making this molecule. Without it, those mice couldn’t tell if what they were drinking was water. They’d even drink a thin oil instead! Oka and his group published their results May 29 in the journal Natur Neurowissenschaften.

“This provides a starting point for how the detection for water is processed in the brain,” says Scott Sternson. He works at a Howard Hughes Medical Institute research center in Ashburn, Va. He studies how the brain controls behavior but was not part of this study. Sternson says it’s crucial to learn how we sense simple but vital things, such as water. “It’s important for the basic understanding of how our bodies work,” he says. The study was in mice, but their taste systems are similar to those of other mammals, including humans.

Just because acid-sensing molecules sense water doesn’t mean that water “tastes” sour. It doesn’t mean water has a flavor at all. Flavor is a complex interaction between taste and smell. Acid-sensing cells detect sour, and they detect water. But water detection, Oka notes, “is not water taste perception.” So water may still taste like nothing. But to our tongues, it’s definitely something.

Machtwörter

sauer An adjective for materials that contain acid. Diese Materialien sind oft in der Lage, einige Mineralien wie Karbonat zu zerfressen oder ihre Bildung von vornherein zu verhindern.

Atom The basic unit of a chemical element. Atome bestehen aus einem dichten Kern, der positiv geladene Protonen und ungeladene Neutronen enthält. Der Kern wird von einer Wolke aus negativ geladenen Elektronen umkreist.

Base (in chemistry) A chemical that produces hydroxide ions (OH - ) in a solution. Basic solutions are also referred to as alkaline. (in der Genetik) Eine verkürzte Version des Begriffs Nukleobase. Diese Basen sind Bausteine ​​von DNA- und RNA-Molekülen.

Kohlenstoff The chemical element having the atomic number 6. It is the physical basis of all life on Earth. Kohlenstoff existiert frei als Graphit und Diamant. Es ist ein wichtiger Bestandteil von Kohle, Kalkstein und Erdöl und ist in der Lage, sich chemisch selbst zu binden, um eine enorme Anzahl chemisch, biologisch und kommerziell wichtiger Moleküle zu bilden.

Kohlendioxid (or CO2) A colorless, odorless gas produced by all animals when the oxygen they inhale reacts with the carbon-rich foods that they&rsquove eaten. Kohlendioxid wird auch bei der Verbrennung organischer Stoffe (einschließlich fossiler Brennstoffe wie Öl oder Gas) freigesetzt. Carbon dioxide acts as a greenhouse gas, trapping heat in Earth&rsquos atmosphere. Pflanzen wandeln bei der Photosynthese Kohlendioxid in Sauerstoff um, den Prozess, mit dem sie ihre eigene Nahrung herstellen.

Zelle Die kleinste strukturelle und funktionelle Einheit eines Organismus. Normalerweise zu klein, um mit bloßem Auge zu sehen, besteht es aus einer wässrigen Flüssigkeit, die von einer Membran oder Wand umgeben ist. Tiere bestehen je nach Größe aus Tausenden bis Billionen Zellen. Die meisten Organismen wie Hefen, Schimmelpilze, Bakterien und einige Algen bestehen aus nur einer Zelle.

Kollege Jemand, der mit einem anderen, einem Kollegen oder Teammitglied zusammenarbeitet.

Enzyme Moleküle, die von Lebewesen hergestellt werden, um chemische Reaktionen zu beschleunigen.

Gen (adj. genetic) A segment of DNA that codes, or holds instructions, for a cell&rsquos production of a protein. Nachkommen erben Gene von ihren Eltern. Gene beeinflussen, wie ein Organismus aussieht und sich verhält.

genetisch Hat mit Chromosomen, DNA und den in der DNA enthaltenen Genen zu tun. Das Wissenschaftsgebiet, das sich mit diesen biologischen Anweisungen beschäftigt, wird als Genetik bezeichnet. Leute, die auf diesem Gebiet arbeiten, sind Genetiker.

Hypothalamus A region of the brain that controls bodily functions by releasing hormones. The hypothalamus is involved in regulating appetite through release of appetite-suppressing hormones.

Ion (adj. ionized) An atom or molecule with an electric charge due to the loss or gain of one or more electrons. An ionized gas, or plasma, is where all of the electrons have been separated from their parent atoms.

Tagebuch (in der Wissenschaft) Eine Veröffentlichung, in der Wissenschaftler ihre Forschungsergebnisse mit Experten (und manchmal sogar der Öffentlichkeit) teilen. Einige Zeitschriften veröffentlichen Artikel aus allen Bereichen der Naturwissenschaften, Technologie, Ingenieurwissenschaften und Mathematik, während andere spezifisch für ein einzelnes Fach sind. Die besten Zeitschriften sind peer-reviewed: Sie schicken alle eingereichten Artikel zur Lektüre und Kritik an externe Experten. Das Ziel ist hier, die Veröffentlichung von Fehlern, Betrug oder schlampiger Arbeit zu verhindern.

flüssig A material that flows freely but keeps a constant volume, like water or oil.

Säugetier A warm-blooded animal distinguished by the possession of hair or fur, the secretion of milk by females for feeding their young, and (typically) the bearing of live young.

Mechanismus The steps or process by which something happens or &ldquoworks.&rdquo It may be the spring that pops something from one hole into another. It could be the squeezing of the heart muscle that pumps blood throughout the body. It could be the friction (with the road and air) that slows down the speed of a coasting car. Researchers often look for the mechanism behind actions and reactions to understand how something functions.

Molekül Eine elektrisch neutrale Atomgruppe, die die kleinstmögliche Menge einer chemischen Verbindung darstellt. Moleküle können aus einzelnen Arten von Atomen oder aus verschiedenen Arten bestehen. Zum Beispiel besteht der Sauerstoff in der Luft aus zwei Sauerstoffatomen (O2), aber Wasser besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom (H2Ö).

Nerv A long, delicate fiber that transmits signals across the body of an animal. An animal&rsquos backbone contains many nerves, some of which control the movement of its legs or fins, and some of which convey sensations such as hot, cold or pain.

neuroscience The field of science that deals with the structure or function of the brain and other parts of the nervous system. Researchers in this field are known as neuroscientists.

optogenetics A technique that uses light to better understand genes and cells in the nervous system, especially the brain. Recent research is using the technology to study other types of cells and tissues too.

perception The state of being aware of something &mdash or the process of becoming aware of something &mdash through use of the senses.

Proton A subatomic particle that is one of the basic building blocks of the atoms that make up matter. Protons belong to the family of particles known as hadrons.

Rezeptor (in biology) A molecule in cells that serves as a docking station for another molecule. That second molecule can turn on some special activity by the cell.

sensor A device that picks up information on physical or chemical conditions &mdash such as temperature, barometric pressure, salinity, humidity, pH, light intensity or radiation &mdash and stores or broadcasts that information. Scientists and engineers often rely on sensors to inform them of conditions that may change over time or that exist far from where a researcher can measure them directly. (in biology) The structure that an organism uses to sense attributes of its environment, such as heat, winds, chemicals, moisture, trauma or an attack by predators.

Geschmack Eine der grundlegenden Eigenschaften, die der Körper nutzt, um seine Umgebung, insbesondere Nahrungsmittel, wahrzunehmen, indem er Rezeptoren (Geschmacksknospen) auf der Zunge (und einigen anderen Organen) verwendet.

Geschmacksknospen A collection of 50 to 100 or so taste receptors, they&rsquore found on the tongues of land animals. When certain chemicals in food or other materials trigger a response in these receptors, the brain detects one or more flavors &mdash sweet, sour, salty, bitter or umami.

giftig Poisonous or able to harm or kill cells, tissues or whole organisms. The measure of risk posed by such a poison is its toxicity.

Zitate

Zeitschrift:​ ​​D. Zocchi et al. The cellular mechanism for water detection in the mammalian taste system. Natur Neurowissenschaften. Published online May 29, 2017. doi: 10.1038/nn.4575.

Über Bethany Brookshire

Bethany Brookshire war eine langjährige Autorin bei Wissenschaftsnachrichten für Studenten. Sie hat einen Ph.D. in Physiologie und Pharmakologie und schreibt gerne über Neurowissenschaften, Biologie, Klima und mehr. Sie hält Porgs für eine invasive Spezies.

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Sensors to Make Sense of the Sea

In science, the key to understanding any situation is careful observations and measurements. The key to observing and measuring, however, is being there—in the moment—and that has always proved challenging for oceanographers.

It is difficult and expensive to go to sea, hard to reach remote oceans and depths, and impossible to stay long. Like scientists in other fields, oceanographers use sensors to project their senses into remote or harsh environments for extended time periods. But the oceans present some unique obstacles: Instruments are limited by available power, beaten by waves, corroded by salt water, and fouled by prolific marine organisms that accumulate rapidly on their surfaces.

The oceans also surpass the limits of human observation at both extremes. It takes a long and large perspective to measure the exchange of greenhouse gases between Earth’s entire atmosphere and oceans, over seasons or decades. On the other hand, chronicling the transfer of gas molecules at the interface between air and water requires a nanosecond-short, millimeter view. Once again, sensors can extend observations to detect phenomena beyond human capabilities. But it takes a wide spectrum of sensors and platforms to survey whale populations and their global migrations, while simultaneously collecting information on the microscopic plants and animals that whales eat.

Today, rapid advances in micro- and nanotechnology, biotechnology, computing power, and sensor integration are fueling development of a new generation of low-power, cost-effective, high-precision sensors that will withstand extended deployments in harsh environments and be able to relay data in real time. What’s more, these sensors will be mounted on an expanding variety of observatory platforms that provide unprecedented access: satellite imaging systems, autonomous underwater vehicles carrying sensors on wide-ranging surveys, and ocean observatories with cables that continuously transmit power to instruments and send their data back.

In July 2003, the WHOI Ocean Life Institute and Deep Ocean Exploration Institute, along with the National Science Foundation and the Office of Naval Research, sponsored a workshop called “The Next Generation of in situ Biological and Chemical Sensors in the Ocean.” It brought together ocean scientists and engineers with colleagues from the fields of biomedical technology, nanotechnology, and electrical engineering to explore new approaches and possibilities for ocean sensors.

The workshop presented an exciting vision and road map for sensors in the not-so-distant future that will allow quantum leaps in what we can observe and discover in the oceans. Our decade-old dream is now becoming a reality: to be able to observe phenomena in the ocean continuously, on all scales and in real time, and to be able to interact with sensors in the oceans—all from shore.

Testing the waters

Oceanographic sensors come in all flavors: They measure light, temperature, sound, mass, or chemical species. All of these senses will be needed to gain the full picture of all the interacting physical, biological, and chemical dynamics going on in the oceans.

Scientists have a fairly good idea of what we need to measure in the ocean. To study ocean pollution, for example, ocean chemists require sensors that detect synthetic compounds, such as those derived from plastics and petroleum products, automobile exhaust, storm and sewer runoff, pesticides, fertilizers, surfactants, and chlorofluorocarbons (Freon). To understand how chemical cues help organisms find food, or initiate mating or spawning, we need sensors to identify complex organic molecules and learn their concentrations and persistence in the environment.

To determine whether the oceans can absorb excess greenhouse gases, we need sensors that measure climatically and ecologically important gases such as carbon dioxide, methane, hydrogen, hydrogen sulfide, and radon. Other chemical sensors can indicate how much carbon dioxide is converted by photosynthetic plankton into organic carbon, and how much of this sinks to the deep ocean—to mitigate the buildup of greenhouse gases, or to feed hungry populations of deep-sea organisms. All these sensors, along with others that measure seawater properties such as temperature, salinity, and turbulence, will let biological oceanographers begin to see how ecosystems work and how they change over microseconds to decades.

Identifying the inhabitants

To learn how organisms respond to changing habitats and interact with each other, oceanographers first need to determine when and where species are present, from bacteria to whales. To identify organisms over the scale of microscopic plankton (micrometers) to a full ocean (thousands of kilometers), scientists need systems that integrate optical and acoustic sensors, which give complementary information.

Sound propagates far in water, providing information over long distances. But it travels in long wavelengths that yield only low spatial resolution. Light, on the other hand, scatters quickly in water, but travels in short wavelengths, giving us high-resolution information on small organisms and their “spheres of influence” —a few body lengths around them.

Some integrated systems already exist. One is the Bio-Optical Multifrequency Acoustical and Physical Environmental Recorder, or BIOMAPER-II, developed at WHOI, which was used recently to survey krill populations around Antarctica. (See “Voyages into the Antarctic Winter”) Towed behind a vessel, BIOMAPER-II carries an acoustic system to detect small marine organisms such as krill or plankton, a video plankton recorder to take pictures of them, and other sensors to measure water properties.

But just knowing the locations, concentrations, and types of species is still not sufficient. Scientists also need information on organisms’ feeding, growth, and reproduction. Integrated systems will soon carry sensors that sample, analyze, and identify biological molecules—among them DNA, proteins, enzymes, and lipids­—that signal biochemical activities.

The Environmental Sample Processor, developed by Chris Scholin at Monterey Bay Aquarium Research Institute, is a working example. Attached to a mooring on the seafloor, it extracts nucleic acids from water samples and detects specific organisms by their DNA. (See “Revealing the Ocean’s Invisible Abundance”)

An expanded toolkit

Exciting additions to our sensor arsenal are already being developed. To begin to measure tiny “needles” of dissolved gases, trace metals, elements, and nutrients in the “haystack” of the oceans, several new approaches show great promise.

Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) uses a laser to vaporize tiny amounts of a material and determine its elemental composition based on the light spectrum it emits. WHOI scientists are collaborating with the Army Research Laboratory to develop oceanographic sensors using LIBS.

Raman spectroscopy uses laser light to cause tiny samples of water to vaporize and the molecules in the water to vibrate. That changes the spectrum of light scattered from the molecules, thus revealing many high molecular weight compounds in the water, including large organic molecules such as lipids, proteins, and amino acids. Raman spectroscopy can also be used to detect dissolved carbon dioxide.

It may soon be possible to identify microorganisms in seawater by scanning it with light and measuring the way they scatter light at different wavelengths. Miniaturized equipment to make this measurement already exists, and advances in mathematical analysis techniques (known as spectral deconvolution) may allow us to detect the species, concentrations, mass, chemical compositions, and even nucleotides (components of DNA) in seawater samples.

Scientists are just beginning to measure chemicals in the extremely harsh conditions of hydrothermal vents and seeps, where the high temperatures (up to 400°C or 750°F) and corrosive nature of hydrothermal fluids make them almost impossible to sample directly with sensors. A promising technology for these conditions, called voltammetry, simultaneously detects a variety of chemical ions including oxygen, hydrogen sulfide, iron, and manganese.

Voltammetry employs electrodes to scan seawater with a range of voltages while measuring the electrical current output occurring in response to the voltage scan. This output is recorded as a spectrogram: a graph of multiple peaks in which the location and height of the peaks are proportional to the types and amounts of ions in the seawater.

‘Wiring’ the oceans

But all these sensors are of little value unless they can get out into the ocean and stay there. Autonomous underwater vehicles (AUVs) are one way to accomplish that mission, but oceanographers have also been developing exciting new cabled observatories that provide continuous power to plugged-in instruments and two-way communications to scientists ashore. Developed and developing observatories are being located to study various ecosystems, including productive coastal areas, harbor entrances, or regions under polar ice.

At WHOI, the Martha’s Vineyard Coastal Observatory will soon become the homeport of a new observing platform called the Autonomous Vertically Profiling Plankton Observatory (AVPPO), which is designed to observe daily, seasonal, and annual changes in the coastal Atlantic Ocean ecosystem (see interactive at left). A winch system drives a platform on a 15-minute trip from the seafloor to the surface. It is equipped with a range of instruments—35 sensors in all—that measure salinity, temperature, oxygen, water motion, water turbulence and clarity, light, chlorophyll, organic matter, the amount and types of zooplankton and phytoplankton present, along with the platform’s own orientation in the water. These measurements can be correlated with weather and storm events and will help us monitor the coastal ecosystem’s response to climate and other changes.

A similar instrument, the Polar Remote Interactive Marine Observatory (PRIMO), will soon be installed under the ice in the Southern Ocean and cabled to shore from Palmer Station on the western peninsula of Antarctica. It will be the first cabled remote observatory in the harsh Antarctic environment and our first long-term, real-time look at this fertile ecosystem that supports a wealth of marine life.

PRIMO will transmit data via cable and satellite and give researchers and students a direct link to critical phenomena and events, including storms, currents, sea ice formation, and the spring phytoplankton bloom that fuels an entire food web. It will also provide clues on how this delicately balanced ecosystem might respond to the receding ice edge and other changes related to climate. Like other observatories, PRIMO will be used in concert with AUVs by including docking facilities for AUVs in the future.

We have entered a new era with a changing paradigm of how we sample the ocean. We soon will “wire the oceans” with instrumental “eyes, noses, and hands”—which can’t help but dramatically expand our understanding of what’s going on in the oceans. Stay tuned, the best is yet to come.


12 Antworten 12

I think we can go two ways with the question.

Perceived Senses
The first way is to assume "sense" refers to a set of inputs that we perceive and process as some type of information. So vision would be considered a single sense, smell a different sense, etc. In this case, humans have sight, touch, taste, smell, hearing and balance as base senses, along with the possibility of electric and magnetic senses most of us don't pay attention to (if they exist at all). And all the subdivisions of those senses, such as touch giving us sensations of temperature, texture, pain, pressure, stroking, etc.

This way, the question becomes too broad, as there's really no limit to things. An alien could sense magnetic fields in a way comparable to our sense of vision, while EM radiation could just be felt as some kind of environmental pressure. This alien might see a server room, with all it's tiny little magnetic fields forming and dissipating at high frequency, as a disco dance floor, while only being mildly aware of the difference between a brightly-lit field and a dark cave.

Underlying Physics
Another way is to look at what we're actually perceiving, regardless of how we perceive it. So sight is some method of perceiving EM radiation, touch is a method of perceiving direct pressure, sound is a method of perceiving mechanical pressure waves, etc.

In this case, the question is still going to be broad, as there are a lot of grey areas. Sound is ultimately just a form of touch, for example. But we could list a few basic things to detect:

  • EM radiation.
  • Direct pressure.
  • Vibration.
  • Acceleration.
  • Chemical interactions.
  • Electric fields.
  • Magnetic fields.
  • Temperatur.
  • Radiation. (Shamelessly stolen from Bryan McClure's answer.)

Of course, these things could be perceived in any number of ways, affected by the spatial, frequency, and amplitude resolutions of the sense in question. An alien who has multiple vibration sensors touching the ground could sense the phase difference between the incoming vibrations to determine the direction and distance of the vibration's origin, for example. With enough sophistication, it could make a 2D map of the ground in a wide radius by inferring reflections, frequency shifts, etc.

And the senses aren't stand-alone. Our sense of spatial awareness pulls information from both sight and sound on a regular basis, while having negligible input from our sense of taste. An alien could potentially smell the "color" of a tree as being distinct from that of a rock, and combine it with some type of echolocation to paint a picture of its environment more detailed than either sense alone could give.

And I think this is how you would make an alien seem alien. It's not that an alien is going to see using some mystical magic field we've never heard of, but that the alien senses its environment using the same senses we have, in ways we wouldn't normally think about.

On Earth, all the magnetic sensors we know of use our planet's magnetic field as a means of north/south orientation. If the alien lives on a world with rapidly changing magnetic fields, it could use the fields to track prey, determine the time of day, communicate with friends, intimidate foes, decide a cold front is coming in, etc. And the possibility of a world with a globally-aligned magnetic field used for direction sensing could elicit a response of "Whoa dude, what kind of alien world would that be?" "I know, right? We should lay off these mind-altering light patterns."

Mystical Magic Fields
Of course, if you want to introduce magical effects, there's no real problem. It's your story, after all. Just try to keep them consistent. And a good way to do that is to start with human senses, and figure out how they work.

You want a magic field that tells your aliens when other aliens are angry? Well, make it so certain chemicals that cause the "anger" emotion release magic "photons" of certain frequencies. Of course, it's probably more complex than that, since there's unlikely to be one, single catalyst for anger. Instead, the aliens would see (feel/smell/whatever) a combination of magic photons of different intensities and wavelengths. Just like "sky blue" is a fairly even mix of green and blue with about half as much red but humans just see a color, "anger" could be some particular mix of adrenaline, various endorphins, and so forth.


The Why of Digital Transformation

We live in an age where technology underpins growth and competitiveness. Seven of the world’s ten most valuable companies rely primarily on digital platforms, and digital natives are disrupting a broad range of industries. Most nondigital incumbents recognize the need for digital transformation and have embarked upon major change efforts, especially after the fillip to digital business models delivered by COVID-19.

But adopting technology is a means, not an end in itself. What, then, should be the aim of digital transformation? By being crystal clear about the goals and how to reach them, we can improve our odds of success.

Competitive Advantage

Until about the middle of the 1980s, business strategy was predicated on static advantage derived from superior scale and position it was operationalized though annual planning cycles and it was applied at the level of business units or companies, which competed within clearly defined industries. This was appropriate in the context of a relatively stable and predictable business environment.

But the rapid development of computing and communication technologies has altered the nature of competition in fundamental ways: sustainable competitive advantage has given way to serial temporary advantage, planning has given way to organizational learning, and individual corporations are increasingly embedded in collaborative ecosystems that often span across industries. Furthermore, the scale of economic activity is pushing up against planetary and social limits, and externalities such as global warming, biodiversity loss, and social inequality must now be considered integral aspects of strategy.

Effective strategy has thus become less mechanical (durable, engineered blueprints for stable, decomposable, and predictable systems) and more biological (adaptation in complex, dynamic, interconnected, and unpredictable systems). Transforming enterprises for the new environment must therefore embrace this more biological conception of strategy and organization.

Organizations as Machines

The company can be considered a machine—an apparatus comprising separate parts, designed by humans to perform a particular task. We typically think of machines as mechanical or electromechanical devices combining simple machines like gears, pulleys, levers, wheels, and axles with a power source to perform a repetitive task. In organizational terms, this concept historically meant combining labor, capital, and technology with processes that delivered a stable set of products most efficiently.

This stands in stark contrast with biological organisms, which are not deliberately arranged to perform a repetitive task. Instead, they self-organize, interact, change, learn, reproduce, and evolve under changing conditions. However, in principle there is no reason we cannot design organizational machines with the biological properties more appropriate to today’s environment.

Launching digital transformation programs aimed merely at applying technology for more efficient execution of today’s tasks within today’s organizational context is therefore of limited value. We should step back and ask ourselves, “What sort of machines do we need for our new aims and context?”

Perception, Action, and Sociality

To understand the implications of today’s interconnected, dynamic environments for organizational design, we must therefore take a detour into biology. Estonian biologist Jakob von Uexküll first framed the idea that an organism doesn’t perceive the environment as it is, but rather a skewed version of it constrained by the organism’s sense organs. 1 Notes: 1 von Uexküll J. (1909). Umwelt und Innenwelt der Tiere. Berlin: J. Springer He called such a partial view of the world an “umwelt.” 2 Notes: 2 von Uexküll J. (1934/2010). A Foray into the Worlds of Animals and Humans with a Theory of Meaning. Minneapolis, MN: University of Minnesota Press. For example, a tick, which doesn’t have eyes, perceives the world by sensing gradients of the butyric acid given off by the sweat glands of its mammalian prey. When it senses high concentrations, it drops off of its leaf, and if it is lucky enough to fall on a passing animal (which it can know by using its keen sense of temperature), it feels its way toward a hairless spot to attach and feed. In other words, organisms use their sensing capacities to create an updatable model of the world that is the basis for both acting and learning how to act more effectively.

At one level humans are no different: our worldview is limited by our five senses, by the things we can and can’t do, and by our capacity for communication with others. We don’t spend a lot of time thinking about navigating electrical gradients, flying, or reading the minds of animals, because we can’t do those things unaided. However, there are also some important differences. As humans, we can be aware that our worldview is not complete or objective we can deliberately shape it by learning, moving, or refocusing our senses and thoughts and we can extend it by using technology to enhance our senses and capabilities. Furthermore, we can act socially to understand and influence the worldview of others, either by directly communicating new ideas or by manipulating the shared context, thus shaping the stimuli that others receive.

Exercising these capabilities, we have the power to shape our individual and collective worldviews. But we don’t always use this power intentionally or skillfully. The value of doing so is increasing as business strategy becomes more biological.

Implications for Digital Transformation

By stepping back in this way, we can see the bigger picture of how technology can make companies fitter for the new business environment. Beyond merely executing today’s processes more efficiently, technology can also reshape how we sense and act on information. In particular, we can digitally transform our organization’s powers of perception and cognition, its ability to take collective action, and its ability to do so sustainably, in several ways:

  • Extend the senses of the organization. Technology can not only process data more rapidly but also expand our reach beyond the traditional boundaries of the organization. For example, many leading tech companies have built massive digital ecosystems that give them access to data from a wide range of suppliers, customers, and other external sources. Sensors and Internet of Things technology can also increase sensing ability by capturing new sources of data.
  • Create connected digital learning loops. Traditionally, organizational learning was gated by the rate at which human decision makers could learn from and act on information. But with the advancement of artificial intelligence, companies are now capable of learning and acting at algorithmic speed. To achieve this, data systems must be connected to AI algorithms, which in turn feed decision engines that can act without human intervention—and those actions create new data, forming an integrated learning loop. For example, Netflix’s recommendation platform captures granular consumer behavior, analyzes it at scale, and produces automated, personalized recommendations that evolve over time.
  • Focus humans and algorithms on their respective areas of strength. Algorithms can identify patterns in data much more quickly and powerfully than humans can. By delegating more such tasks to machines, humans can focus on leveraging their own unique cognitive abilities, such as imagining new possibilities that don’t yet exist. For example, Amazon has autonomized routine decisions such as inventory management and pricing under a philosophy known as “Hands Off the Wheel,” refocusing human talent on coming up with new ideas, such as the company’s Amazon Go stores. New human-algorithm interfaces will also be required to make these very different styles of cognition work together synergistically. 3 Notes: 3 ”How Amazon Automated Work and Put Its People to Better Use,” Harvard Business Review, September 16, 2020.
  • Facilitate communication between brains. In order for new ideas to reach their potential, they must spread from one person to many, which allows them to be acted upon and to evolve. Technology can be used to help understand and accelerate the spread of ideas throughout an organization. For example, metadata on people’s interactions can be used to create a network map, with which you can identify “brokers” who bridge different functions or groups and who may therefore be effective transmitters of new ideas.
  • Facilitate cooperation. Even if ideas are spread widely, that may not be enough to cause everyone to buy in and act on those ideas. Collective organizational action involves changing the beliefs of many individual actors. Technology is no panacea here, but when harnessed correctly, digital platforms help scale and accelerate collective action. For example, Wikipedia has enabled millions of users to contribute and organize their knowledge into a freely available, massively comprehensive digital encyclopedia.
  • Diagnose system health and overcome planetary and social limits. Businesses do not operate in a vacuum environmental and social challenges are increasingly relevant problems for businesses across sectors. Businesses should focus integrated learnings loops, human cognition, collective platforms, and other new technologies not only on solving their individual business problems but also on solving the largest global challenges facing us today.

There is one area, however, where technology will not help: setting the purpose of a business. Only we can decide the human ends to which technology and the corporation are applied. Each company must determine why it exists and how it creates the intersection of capabilities, aspirations, and social needs—and this must guide transformation efforts. Whether financial performance is an end in its own right is a question of social norms, and these are shifting rapidly away from the idea that a corporation’s only goal should be to maximize shareholder value.

The Power of Biological Organizations

The outlined technology agenda fits with a broader strategic agenda to embrace and thrive amid uncertainty and complexity, instead of trying to engineer them away. This approach may be uncomfortable to many leaders who have been trained to maximize short-run efficiency, not learning or social contribution. Leaders can reshape their digital transformational efforts to tap into a new biological paradigm by asking several pivotal questions:

  • Do our efforts expand the perceptive power of the organization?
  • Do our efforts enhance the learning capability of the organization?
  • Do our efforts create autonomous digital learning systems?
  • Are the roles of humans and algorithms segmented to best effect?
  • Is human cognition focused on more unique capabilities like imagination and empathy?
  • Do our efforts help tap into the power of external ecosystems?
  • Do our efforts help capitalize on emergent opportunities, or are they mainly plan-based?
  • Have we reconceived the organization as a dynamic hybrid of technology and people, as opposed to a static human reporting structure?
  • Are we using technology to increase the sustainability of the systems our enterprise relies upon?
  • Does our company serve a clearly articulated social purpose?

Companies that embrace this broader biological conception of technology, organization, and strategy will be more likely to survive and thrive in a turbulent future.

The authors thank Bob Goodson, president of NetBase Quid, for introducing the power of the concept of the umwelt to them as they discussed with him the role of imagination in business.


Stimuli‐Responsive Manganese Single‐Atom Nanozyme for Tumor Therapy via Integrated Cascade Reactions

  • Yang Zhu
  • , Wenyu Wang
  • , Junjie Cheng
  • , Yunteng Qu
  • , Yi Dai
  • , Manman Liu
  • , Jianing Yu
  • , Chengming Wang
  • , Huijuan Wang
  • , Sicong Wang
  • , Chao Zhao
  • , Yuen Wu
  • & Yangzhong Liu

Angewandte Chemie International Edition (2021)

Mitochondrial copper and phosphate transporter specificity was defined early in the evolution of eukaryotes

  • Xinyu Zhu
  • , Aren Boulet
  • , Katherine M Buckley
  • , Casey B Phillips
  • , Micah G Gammon
  • , Laura E Oldfather
  • , Stanley A Moore
  • , Scot C Leary
  • & Paul A Cobine

Recent advances in cation sensing using aggregation-induced emission

  • Ming Hui Chua
  • , Hui Zhou
  • , Qiang Zhu
  • , Ben Zhong Tang
  • & Jian Wei Xu

Materials Chemistry Frontiers (2021)

Interactions of zinc aqua complexes with ovalbumin at the forefront of the Zn2+/ZnO-OVO hybrid complex formation mechanism

  • Bogusław Buszewski
  • , Petar Žuvela
  • , Anna Król-Górniak
  • , Viorica Railean-Plugaru
  • , Agnieszka Rogowska
  • , Ming Wah Wong
  • , Myunggi Yi
  • , Agnieszka Rodzik
  • , Myroslav Sprynskyy
  • & Paweł Pomastowski

Applied Surface Science (2021)

Manganese homeostasis at the host-pathogen interface and in the host immune system

Seminars in Cell & Developmental Biology (2021)


Schau das Video: Sternengeschichten Folge 254: Der Einfluss der Mondphasen auf den Menschen (Januar 2022).