Các kỹ thuật khoa học dữ liệu giúp chúng ta hiểu rõ hơn về vũ trụ vi sinh vật trong đất như thế nào? Anthony Finbow của Eagle Genomics – một công ty hoạt động trong lĩnh vực giao thoa giữa sinh học, khoa học dữ liệu và tin sinh học – giải thích và liên hệ cách thức kiến ​​thức này cung cấp nền tảng vững chắc hơn cho đổi mới nông nghiệp bền vững.

Việc phụ thuộc quá nhiều vào phân đạm đang dẫn đến sự suy giảm đa dạng sinh học trong đất. Các phương pháp canh tác nông nghiệp truyền thống sử dụng phân bón để tối ưu hóa lượng nitơ có sẵn cho cây trồng, mang lại những lợi ích không thể phủ nhận từ năng suất cây trồng cao hơn đến giảm chi phí sản xuất, thu hoạch ổn định đến lương thực rẻ hơn. Tuy nhiên, một số dự đoán cảnh báo rằng đất trên thế giới chỉ còn 60 vụ thu hoạch vì đất đã bị cạn kiệt bởi phân đạm.

Đất đóng vai trò quan trọng trong chu trình thu hồi carbon. Cây cối thu giữ carbon monoxide, sau đó truyền carbon đến các vi khuẩn trong đất, nơi nó được giữ lại. Sự suy giảm đa dạng sinh học đất đang diễn ra ở quy mô vi mô. Hệ sinh thái nano trong đất đang đối mặt với mối đe dọa toàn cầu, tuy nhiên chúng ta biết rất ít về nó - chỉ có 1% vũ trụ vi sinh vật trong đất được kiểm tra và phân loại chi tiết.

Để đảo ngược tác động của cuộc khủng hoảng khí hậu, chúng ta phải tập trung vào các cộng đồng vi sinh vật trợ giúp được tìm thấy trong đất. Nếu chúng ta có thể bổ sung nguồn vũ trụ vi sinh vật, chúng ta sẽ tăng cường khả năng thu giữ và giữ lại carbon của mặt đất, đồng thời thiên nhiên có thể đảo ngược biến đổi khí hậu cho chúng ta — có lẽ chỉ trong khoảng thời gian ngắn là 30 năm. Điều này chỉ có thể xảy ra khi chúng ta hiểu biết khoa học tốt hơn nhiều về hệ sinh thái nano đất.

Vi khuẩn cũng là thành phần cơ bản của chuỗi thức ăn. Hỗ trợ hệ vi sinh vật trong đất sẽ không chỉ đảo ngược biến đổi khí hậu mà còn giúp cung cấp thực phẩm cần thiết cho dân số toàn cầu là 10 tỷ người được dự báo vào năm 2050.

Hệ vi sinh vật giữ chìa khóa để thu giữ carbon của đất Sự tương tác và tác động của các tổ hợp vi khuẩn khác nhau được minh họa rõ ràng trong bộ phim tài liệu gần đây, Kiss the Ground, được thuật lại và có sự góp mặt của ngôi sao Hollywood Woody Harrelson. Bộ phim tài liệu mang tính đột phá này tiết lộ cách thức tái tạo đất trên thế giới, chúng ta có thể nhanh chóng ổn định khí hậu trái đất, khôi phục hệ sinh thái và đảm bảo nguồn cung cấp lương thực dồi dào liên tục. Các nhà làm phim chứng minh rõ ràng vai trò trung tâm của đất trong việc thu giữ carbon trong khí quyển.

Kỹ thuật dữ liệu nâng cao

Công nghệ tinh vi được áp dụng cho nhiều loại dữ liệu khoa học đang bắt đầu đóng vai trò quan trọng trong việc giúp chúng ta hiểu các quy trình này. Quản lý dữ liệu hiện đại, áp dụng khoa học mạng bằng cách sử dụng cấu trúc dữ liệu đồ thị và phân tích dựa trên AI, cho phép tất cả mọi người từ các nhà khoa học về biến đổi khí hậu, chuyên gia đất đai và nhà sản xuất nông nghiệp được hưởng lợi từ việc phân tích và khám phá kiến ​​thức dựa trên hệ vi sinh vật.

Các kỹ thuật dữ liệu nâng cao bao gồm kết cấu dữ liệu phù hợp với mục đích, siêu đồ thị nhiều lớp, mô hình hóa biểu đồ được tăng cường AI và kỹ thuật lập trình suy luận nhân quả. Chúng ta sẽ xem xét từng điều này.

Các khung kết cấu dữ liệu phù hợp với mục đích đảm bảo có sẵn và có thể truy cập được một bộ dữ liệu đủ toàn diện, có tính toàn vẹn và giá trị, đồng thời có thể được trao đổi, so sánh và hiểu theo những cách đáng tin cậy và có ý nghĩa bởi các nhà khoa học không phải chuyên về dữ liệu.

Siêu đồ thị nhiều lớp dựa trên công nghệ cơ sở dữ liệu đồ thị cung cấp cái nhìn sâu sắc về mối tương quan đa chiều giữa dữ liệu, đặc biệt là trong các dự án khoa học phức tạp. Bước tiếp theo là siêu đồ thị hoặc nhiều lớp của nhiều đồ thị. Các biểu đồ xếp chồng cho phép các nhà khoa học hiểu rõ hơn về hệ vi sinh vật đồng thời hiểu rõ hơn về mối liên hệ giữa các dữ liệu. Biểu diễn biểu đồ tiêu chuẩn cho thấy mối quan hệ dữ liệu giữa hai nút, liên kết vi khuẩn e.coli với phản ứng hóa học để cố định nitơ chẳng hạn, trong khi siêu biểu đồ sẽ khám phá các mối quan hệ đa chiều.

Mô hình hóa biểu đồ được nâng cao bằng trí tuệ nhân tạo (AI) có thể giúp giải mã các mẫu mà người quan sát có thể không rõ ràng. AI cho phép các nhà sinh vật học và các nhà khoa học khác khám phá những phát hiện mà không cần kêu gọi sự trợ giúp từ các nhà khoa học dữ liệu để thao tác dữ liệu hoặc các chuyên gia thống kê để giải mã các kết nối.

Kỹ thuật lập trình suy luận nhân quả giúp các nhà khoa học hiểu được mối quan hệ nhân quả giữa các điểm dữ liệu. Ứng dụng nâng cao của lập trình suy luận nhân quả sẽ chắt lọc và điều tra mối liên hệ giữa các dữ liệu đa dạng, cho phép các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn về phân tích nguyên nhân gốc rễ.

Giải pháp dựa trên dữ liệu

Các nhà khoa học có thể hiểu biết sâu sắc về dữ liệu và áp dụng các giải pháp thực tế. Các tổ chức tiên phong đang bắt đầu hành động dựa trên những tiến bộ về hiểu biết. Ví dụ, một sáng kiến ​​tập trung vào việc tạo ra các vi khuẩn để cố định nhiều nitơ hơn vào rễ cây để những cây đó có thể phát triển hiệu quả hơn, tránh những tác động có hại đến môi trường của các sản phẩm phân bón nitơ.

Hệ vi sinh vật thực vật cũng đang được áp dụng để tăng năng suất và cải thiện khả năng chịu mặn và hạn hán của cây trồng [1]. Hệ vi sinh vật trong đất có thể được sử dụng làm phân bón sinh học cho đất và có thể làm giảm quá trình lọc nitơ [2]. Các giải pháp thay thế thực tế cho nhựa không phân hủy sinh học đang là tai họa của đại dương đang được phát triển. Trong số các ứng dụng khác, công ty của tôi đang phát triển công nghệ để hỗ trợ các doanh nghiệp phát triển vật liệu bảng mạch in cứng được sản xuất thông qua các quy trình sinh học khai thác khoa học hệ vi sinh vật, để duy trì ổn định trong suốt vòng đời nhưng cũng bị phân hủy nhanh chóng và thích hợp sau thời gian sử dụng hữu ích. .

microsoft gần đây đã lập kỷ lục khi dự đoán rằng ngành công nghiệp thực phẩm “thậm chí còn chưa hiểu rõ về hệ vi sinh vật”—nhưng một khi chúng ta đã hiểu được thì sẽ có một làn sóng đổi mới đến từ khoa học vi sinh vật khi người ta khám phá ra nhiều hơn về mối tương tác giữa chúng. của vi khuẩn và thực phẩm, tác động của nó đối với sức khỏe con người và động vật, cũng như xác định điều kiện đất cụ thể nào sẽ thúc đẩy năng suất cây trồng và cải thiện chăn nuôi.

Thử thách lớn nhất của nhân loại

Giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu đồng thời đảm bảo tương lai của nhân loại là thách thức lớn nhất của chúng ta. Hiểu biết về hệ vi sinh vật đất là rất quan trọng. Bill Gates khẳng định rằng việc hiểu rõ về hệ vi sinh vật sẽ là “bước đột phá lớn như bất kỳ điều gì khác mà chúng ta sẽ làm trong hai thập kỷ tới”. Các nhà khoa học về biến đổi khí hậu, chuyên gia về đất và nhà sản xuất nông nghiệp cần hiểu rõ vai trò của vi sinh vật và sự tương tác của chúng trong mối quan hệ với nhau và với các thành phần hoạt tính của hóa chất nông nghiệp. Điều này phụ thuộc vào khả năng kết hợp và phân tích khối lượng lớn dữ liệu sinh học cũng như diễn giải một cách đáng tin cậy mọi mối tương quan và hiểu biết sâu sắc được tạo ra.

Vẫn còn một số trở ngại thực tế cần vượt qua, đặc biệt là xung quanh việc tiêu chuẩn hóa dữ liệu, nhưng các công nghệ dữ liệu tiên tiến đã và đang hoạt động với số lượng lớn dữ liệu phức tạp, đa chiều để hỗ trợ những khám phá về hệ vi sinh vật trong đất. Sự hiểu biết ngày càng tăng này sẽ thúc đẩy sự phát triển của các hoạt động nông nghiệp bền vững hơn, dẫn đến an ninh lương thực tốt hơn và giải quyết vấn đề cấp bách của biến đổi khí hậu.

• Tác giả là CEO tại Đại bàng Genomics, một công ty của Anh áp dụng khoa học mạng vào sinh học liên quan đến hệ vi sinh vật. Họ đang hợp tác với 5 trong số 10 công ty chăm sóc cá nhân và gia đình hàng đầu trên thế giới để tạo ra và tung ra các sản phẩm mới hoạt động hài hòa với hệ vi sinh vật của con người và môi trường

Mô hình thực phẩm dưới dạng phần mềm có thể chứng minh được tầm quan trọng không?

Năm 2019, tổ chức tư vấn độc lập Suy nghĩ lại đã xuất bản một báo cáo được nhiều người đọc giới thiệu mô hình 'thực phẩm dưới dạng phần mềm', theo dự đoán, sẽ thay thế hệ thống chăn nuôi-nông nghiệp công nghiệp hóa hiện tại của chúng ta. Trong mô hình thực phẩm dưới dạng phần mềm, thực phẩm được các nhà khoa học thiết kế ở cấp độ phân tử và được tải lên cơ sở dữ liệu để các nhà thiết kế thực phẩm ở bất kỳ đâu trên thế giới có thể truy cập.

Nghiên cứu cho biết điều này có thể dẫn đến một hệ thống sản xuất thực phẩm được bản địa hóa, phân tán hơn, ổn định và linh hoạt hơn so với hệ thống mà nó thay thế. Nó lưu ý rằng đến năm 2035, nhu cầu về thịt bò và các sản phẩm từ sữa của Hoa Kỳ có thể giảm gần 90%, chỉ khiến các trang trại đặc sản địa phương hoạt động, trong khi giá trị đất nông nghiệp công nghiệp có thể giảm 40-80%. Những vùng đất trước đây được sử dụng để sản xuất thức ăn chăn nuôi có thể trở thành bể chứa carbon lớn dẫn đến sự bền vững và đổi mới môi trường.

Mô hình thực phẩm dưới dạng phần mềm dựa trên quá trình lên men chính xác, một quy trình cho phép lập trình các sinh vật vi sinh vật để tạo ra hầu hết mọi phân tử hữu cơ phức tạp—có thể thực hiện được nhờ những cải tiến nhanh chóng trong công nghệ sinh học và thông tin cơ bản, bao gồm cả kỹ thuật dữ liệu tiên tiến.

Coinsmart. Đặt cạnh Bitcoin-Börse ở Europa
Nguồn: https://envirotecmagazine.com/2021/05/07/unlocking-the-soil-microbiome/