العالم الذي نعيش فيه محاط بالمواد الكيميائية، بدءًا من المنتجات المنزلية التي نستخدمها يوميًا وحتى العمليات الصناعية التي تشكل اقتصادنا. ولكن هذه المواد الكيميائية يمكن أن يكون لها آثار مدمرة على صحة الإنسان والبيئة. أحد الأمثلة على ذلك هو PFAS، وهي مجموعة من المواد التي تم العثور عليها بتركيزات مثيرة للقلق في كل من المياه الجوفية ومياه الشرب. على الرغم من اللوائح الصارمة، فإن استخدام هذه المواد الكيميائية يشكل تهديدًا كبيرًا لصحتنا ونظامنا البيئي. في كل عام، يتم استخدام أكثر من مليوني حيوان في الاتحاد الأوروبي وحده لاختبار سلامة هذه المواد الكيميائية، وهي عملية لا تستغرق وقتا طويلا فحسب، بل إنها غير إنسانية أيضا. والخبر السار هو أن الباحثين السويديين قد حققوا تقدمًا كبيرًا، حيث طوروا طريقة مبتكرة تستخدم الذكاء الاصطناعي لتقييم سمية المواد الكيميائية بسرعة وفعالية من حيث التكلفة. يتمتع هذا النهج الرائد بالقدرة على تقليل الحاجة إلى التجارب على الحيوانات وتمهيد الطريق لتطوير مواد كيميائية أكثر أمانًا.
أثر PFAS والتلوث الكيميائي
تخيل أنك تشرب كوبًا من الماء يحتوي على مواد كيميائية يمكن أن تضر بصحتك وبيئتك. وللأسف، هذا هو الواقع القاسي الذي نواجهه اليوم. تم العثور على مواد البير والبولي فلورو ألكيل (PFAS)، وهي مجموعة من المواد الكيميائية المسببة للسمية، بتركيزات مثيرة للقلق في كل من المياه الجوفية ومياه الشرب. وقد تم استخدام هذه “القاتل الصامت” في منتجات مختلفة، بما في ذلك رغوة مكافحة الحرائق والسلع الاستهلاكية، إلا أن آثارها السلبية على الإنسان والبيئة مثيرة للقلق.
أدى الاستخدام الواسع النطاق للمواد الكيميائية في حياتنا اليومية إلى مشكلة حرجة وهي التلوث الكيميائي. نجد المواد الكيميائية في كل شيء تقريبًا، بدءًا من المنتجات المنزلية وحتى العمليات الصناعية. والعواقب وخيمة – فهذه المواد الكيميائية يمكن أن تلوث الممرات المائية والنظم البيئية لدينا، مما يسبب ضررا للإنسان والكائنات الحية الأخرى. يستخدم الاتحاد الأوروبي، على سبيل المثال، أكثر من مليوني حيوان سنويًا لاختبار سلامة هذه المواد الكيميائية، لكن هذه العملية تستغرق وقتًا طويلاً وتثير مخاوف أخلاقية.
تم ربط PFAS، على وجه الخصوص، بمشاكل صحية مختلفة، بما في ذلك السرطان، وقضايا الإنجاب، وأمراض الغدة الدرقية. وقد أدى استخدام PFAS في رغوة مكافحة الحرائق إلى تلوث المياه الجوفية والتربة، مما يشكل تهديدا كبيرا لبيئتنا. وحقيقة أن هذه المواد يمكن أن تبقى في البيئة لمئات السنين، وتتراكم في السلسلة الغذائية، تزيد من إلحاح المشكلة.
والسؤال هو كيف يمكننا معالجة هذه القضية؟ يستمر تطوير مواد كيميائية جديدة بوتيرة سريعة، مما يجعل من الصعب تحديد المواد التي يجب تقييدها بسبب سميتها. إن الحاجة إلى طريقة أكثر كفاءة وفعالية لتقييم السمية الكيميائية لم تكن أكثر إلحاحا من أي وقت مضى. هل يمكن للذكاء الاصطناعي (AI) أن يغير قواعد اللعبة؟
تاريخ اللوائح الكيميائية والاختبارات على الحيوانات
كان استخدام المواد الكيميائية جزءًا لا يتجزأ من حياة الإنسان لعدة قرون، حيث استخدمت الحضارات القديمة مواد مثل الزئبق والرصاص والزرنيخ لأغراض مختلفة. ومع ذلك، لم تظهر الحاجة إلى اللوائح وتقييمات السلامة إلا في منتصف القرن العشرين.
في ستينيات القرن الماضي، اهتز العالم بسبب الآثار المدمرة للمبيدات الحشرية مثل الـ دي.دي.تي، والتي تبين أنها تضر بالبيئة وصحة الإنسان. وأدى ذلك إلى إنشاء وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) في عام 1970، والتي تم تكليفها بتنظيم استخدام المواد الكيميائية وحماية البيئة.
ركزت الجهود المبكرة لوكالة حماية البيئة على وضع مبادئ توجيهية لمكافحة المواد السامة، ووضع معايير لجودة الهواء والمياه، وتنظيم استخدام المبيدات الحشرية. ومع ذلك، لم يصبح مفهوم الاختبارات على الحيوانات أكثر انتشارًا كوسيلة لتقييم السمية الكيميائية إلا في الثمانينيات.
اختبار العين Draize، الذي أصبح الآن سيئ السمعة، والذي تم تطويره في الأربعينيات من القرن الماضي، كان يتضمن وضع مواد في عيون الأرانب لمراقبة ردود الفعل السلبية. أعقب هذا الاختبار لاحقًا اختبار LD50 (الجرعة المميتة 50%)، والذي يتضمن إعطاء جرعات متزايدة من المواد الكيميائية للحيوانات حتى يموت 50% منها.
كانت هذه الاختبارات شنيعة، وتستغرق وقتا طويلا، ومكلفة. علاوة على ذلك، أثاروا مخاوف أخلاقية بشأن رعاية الحيوان وأهمية التجارب على الحيوانات لصحة الإنسان. وعلى الرغم من هذه القيود، ظلت الاختبارات على الحيوانات هي المعيار الذهبي لتقييمات السلامة الكيميائية لعقود من الزمن.
وفي الاتحاد الأوروبي، تم تقديم لائحة REACH (تسجيل وتقييم وترخيص وتقييد المواد الكيميائية) في عام 2007، بهدف تحسين حماية صحة الإنسان والبيئة من المخاطر التي تشكلها المواد الكيميائية. وشددت اللائحة على الحاجة إلى طرق بديلة للاختبار على الحيوانات، مما يمهد الطريق لتطوير أساليب مبتكرة تعتمد على الذكاء الاصطناعي مثل تلك الموصوفة في هذه القصة.
تقييم السمية الكيميائية القائم على الذكاء الاصطناعي
لقد أحدث ظهور الذكاء الاصطناعي (AI) ثورة في العديد من المجالات، وتقييم السمية الكيميائية ليس استثناءً. تستخدم طريقة جديدة طورها باحثون سويديون الذكاء الاصطناعي لتقييم سمية المواد الكيميائية بسرعة وفعالية من حيث التكلفة. يتمتع هذا النهج الرائد بالقدرة على تقليل التجارب على الحيوانات وتحديد المواد السامة في مرحلة مبكرة.
تقليديا، تعتمد تقييمات السمية الكيميائية اعتمادا كبيرا على التجارب على الحيوانات، ورغم لا أخلاقيتها فهي أيضًا عملية تستغرق وقتا طويلا وتستهلك موارد كثيرة. ولحسن الحظ، فإن الطريقة الجديدة تعزز قدرة الذكاء الاصطناعي على تحليل كميات هائلة من البيانات وإجراء تنبؤات دقيقة. ومن خلال تدريب نموذج الذكاء الاصطناعي على مجموعات كبيرة من البيانات من الاختبارات المعملية، يمكن للباحثين تحديد الأنماط والخصائص في الهياكل الكيميائية التي تساهم في التسمم.
يعتبر نموذج الذكاء الاصطناعي، المعتمد على المحولات، فعالاً بشكل استثنائي في التقاط المعلومات من الهياكل الكيميائية. وهذا يسمح لها بالتنبؤ بسمية الجزيء بدقة ملحوظة. إن قدرة النموذج على تحديد المواد السامة المحتملة في مرحلة مبكرة يمكن أن تفيد الأبحاث البيئية والسلطات والشركات التي تستخدم أو تطور مواد كيميائية جديدة بشكل كبير.
وتكمن أهمية هذا النهج القائم على الذكاء الاصطناعي في قدرته على التغلب على القيود المفروضة على الأدوات الحسابية التقليدية. غالبًا ما تكون للطرق الحالية نطاقات تطبيق ضيقة أو دقة منخفضة، مما يجعلها غير موثوقة لتحل محل الاختبارات المعملية. في المقابل، أظهرت طريقة الذكاء الاصطناعي الجديدة دقة أعلى وقابلية تطبيق أوسع، مما يجعلها بديلاً جذابًا للاختبار على الحيوانات.
ومع استمرار زيادة كمية البيانات المتاحة، من المتوقع أن يتحسن نموذج الذكاء الاصطناعي بشكل أكبر. ومن المحتمل أن يحل محل الاختبارات المعملية إلى حد أكبر وفي وقت سريع. وهذا يمكن أن يؤدي إلى انخفاض كبير في التجارب على الحيوانات والتكاليف الاقتصادية المرتبطة بالتطور الكيميائي. الفوائد المحتملة لتقييم السمية المدعوم بالذكاء الاصطناعي كبيرة، وقد يمهد الطريق لتطوير مواد كيميائية أكثر أمانًا وتقليل التلوث البيئي.
المحولات والتعلم العميق
تعتمد الطريقة الثورية المعتمدة على الذكاء الاصطناعي والتي طورها الباحثون السويديون على مزيج فريد من المحولات والتعلم العميق للتنبؤ بالسمية الكيميائية. ولكن كيف يعمل؟
تخيل خبيرًا في حل الألغاز يمكنه تحليل البنية المعقدة للجزيئات وتحديد الأنماط المحددة التي تجعلها سامة. هذا هو ما تفعله المحولات في نظام الذكاء الاصطناعي هذا. تم تصميم المحولات في الأصل لمعالجة اللغة، وقد تم تكييفها لالتقاط المعلومات من الهياكل الكيميائية وكأنها تقرأ الذرات والتفاعلات كالحروف والكلمات، مما يسمح لها بتحديد الخصائص التي تساهم في التسمم.
تبدأ العملية بمجموعة بيانات واسعة من الاختبارات المعملية، والتي تُستخدم لتدريب نموذج الذكاء الاصطناعي. تتكون بيانات التدريب هذه من آلاف المركبات الكيميائية، ولكل منها خصائصه الهيكلية الفريدة ومستويات السمية المقابلة له. وتقوم المحولات بتحليل هذه البيانات، وتحديد الأنماط والعلاقات بين التركيبات الكيميائية وتأثيراتها السامة.
بعد ذلك، تقوم المحولات المدربة بتغذية المعلومات إلى شبكة عصبية عميقة، مصممة للتنبؤ بسمية المواد الكيميائية الجديدة غير المختبرة. هذه الشبكة العصبية عبارة عن شبكة معقدة من العقد المترابطة (أو “الخلايا العصبية”) التي تعالج البيانات المدخلة، وتقوم بالتنبؤات بناءً على الأنماط المستفادة من بيانات التدريب.
ويكمن جمال هذا النظام في قدرته على تحسين نفسه بشكل مستمر. ومع توفر بيانات جديدة، يمكن إعادة تدريب نموذج الذكاء الاصطناعي، وتحسين تنبؤاته ودقتها. يعد جانب التحسين الذاتي هذا أمرًا بالغ الأهمية، لأنه يمكّن النظام من التكيف مع العدد المتزايد باستمرار من المواد الكيميائية الموجودة في السوق.
مستقبل أكثر أمانًا
وبينما نتطلع إلى المستقبل، فإن الآثار المترتبة على طريقة تقييم السمية المدعومة بالذكاء الاصطناعي بعيدة المدى وعميقة. ومع القدرة على التنبؤ بسرعة ودقة بسمية المواد الكيميائية، يمكننا البدء في تغيير نموذج تقييمات السلامة الكيميائية. تخيل عالماً لم تعد فيه الحيوانات خاضعة للاختبار، وحيث يتم تقليل التأثير البيئي للمواد الكيميائية إلى الحد الأدنى، وحيث تصبح المنتجات الأكثر أمانًا واستدامة هي القاعدة. هذا هو المستقبل الذي يعد به هذا البحث الرائد.
ومن خلال تقليل الحاجة إلى إجراء التجارب على الحيوانات، يمكننا تجنيب ملايين الحيوانات المعاناة والموت غير الضروريين. وهذا ليس واجبا أخلاقيا فحسب، بل إنه منطقي أيضا من الناحية الاقتصادية. إن تكلفة التجارب على الحيوانات مذهلة، حيث يتم إنفاق ملايين الدولارات كل عام على الاختبارات المعملية.
ولكن ربما يكون الأمر الأكثر إثارة هو أن هذه التكنولوجيا لديها القدرة على تسريع عملية تطوير منتجات أكثر أمانًا واستدامة. ومن خلال التحديد السريع للمواد السامة، يمكن للشركات إعادة صياغة منتجاتها لتكون أكثر أمانًا للاستخدام البشري والبيئة. وقد يؤدي هذا إلى تغيير جذري في الطريقة التي نتعامل بها مع تطوير المنتجات، مع وضع السلامة والاستدامة في طليعة التصميم.
تمتد تطبيقات هذه التكنولوجيا إلى ما هو أبعد من المختبر، لتشمل الحياة اليومية للناس في جميع أنحاء العالم. تخيل شراء منتجات العناية الشخصية التي تضمن أنها آمنة لبشرتك والبيئة. تخيل أنك تشرب ماء الصنبور الخالي من المواد الكيميائية السامة. هذا هو المستقبل الذي يعد به هذا البحث، وهو مستقبل في متناول أيدينا.
وبينما نتطلع إلى المستقبل، فمن الواضح أن تقييم السمية المدعوم بالذكاء الاصطناعي لا يغير قواعد اللعبة فحسب، بل هو منقذ للحياة. ومن خلال تسخير قوة الذكاء الاصطناعي، يمكننا أن نخلق عالمًا أكثر أمانًا واستدامة للأجيال القادمة.
