AI en biologie: een goed huwelijk?

• Biologie
• Middelbare school
• havo, vwo
• Leerjaar 2-4

Introductie

Deze les laat een aantal voorbeelden zien van (biologische) onderzoeken waarbij AI een belangrijke rol speelt. De les is bedoeld om leerlingen te inspireren, om te laten zien hoe belangrijk technologische ontwikkelingen zijn voor (biologisch) onderzoek. De les kan bijvoorbeeld worden ingezet in klas 3, voorafgaand aan de profielkeuze. Er is geen specifieke voorkennis vereist.

Instructies

Voorkennis van leerlingen

n.v.t.

Voorbereiding van de docent

Kijk de les door en lees de bijbehorende notities.

Leerdoelen / vaardigheden

Na deze les...

...kan de leerling de invloed van AI op het milieu benoemen.

...kan de leerling tenminste drie voorbeelden noemen waarbij AI nuttig is voor biologie.

...heeft de leerling zich een mening gevormd over de vraag of AI voor de biologie goed of slecht uitpakt.

Aansluiting curriculum

Biologie: onderzoek doen, dataverwerking (digitale geletterdheid).

Zie voor een uitgewerkte les over een vergelijkbaar onderwerp:

'Wat heeft een zeehond aan AI'

Ondertitel

een goed huwelijk?

AI en biologie:

Welke bijdrage kunnen AI en dataverwerking leveren aan biologisch onderzoek?

Les 1. Wat is creativiteit?

Informatie voor de docent

Vooraf

Deze les laat een aantal voorbeelden van AI in de biologie kort zien. Er is geen voorbereiding nodig. De les bevat 1 opdracht waarbij leerlingen in tweetallen moeten samenwerken.

Benodigdheden

Iconen

Zet het vinkje 'toon bij leerling' aan

Toon notities bij elke dia

Navigeren door de les

Vergroot een afbeelding

Klik hier

Hotspot met meer informatie

laptop voor elke leerling

Les 1. Wat is creativiteit?

Leerdoelen

Na deze les...

• ...kun je de invloed van AI op het milieu benoemen.
  
• ...kun je tenminste drie voorbeelden noemen waarbij AI nuttig is voor biologie.
  
• ...heb je je een mening gevormd over de vraag of AI voor de biologie goed of slecht uitpakt.

Vraag

'De maatschappij kan niet meer zonder Kunstmatige Intelligentie (Artificial Intelligence = AI).'

In hoeverre ben jij het daarmee eens?

0100

Toelichting

Een vraag om een beetje in het thema van deze les te komen. Kunnen je leerlingen eigenlijk nog wel zonder AI? En is dat erg? Je kunt korter of langer bij deze vraag stilstaan.

Les 1. Wat is creativiteit?

AI in de wetenschap

'Het aantal toepassingen van kunstmatige intelligentie in de wetenschap is in een stroomversnelling gekomen. Slimme computers en robots openen nieuwe deuren voor onderzoek dat handmatig niet te doen is. We kunnen projecten nu opschalen naar ongekende niveaus'. 

- Willem-Jan Knibbe

programmaleider Artificial Intelligence en hoofd van het Wageningen Data Competence Center

Bron: WUR (2024a)

Toelichting

Wetenschappers maken massaal gebruik van de mogelijkheden van AI. Zoals uit dit citaat blijkt, is vooral de snelheid waarmee AI gegevens kan analyseren een groot voordeel. Dat scheelt heel veel werk.

Les 1. Wat is creativiteit?

Leuk, maar wist je dat:

... AI een flinke ecologische voetafdruk heeft?

... er bijvoorbeeld veel koelwater nodig is in datacentra?

... de hardware en software veel energie kosten?

...datacentra ongeveer 3% van alle electriciteit verbruiken?

...en 1% van alle CO₂-uitstoot veroorzaken?

...dat de luchtvaart 'maar' 2% uitstoot?

Toelichting

AI kan de wetenschap dus een grote dienst bewijzen, maar gaat dat niet ten koste van onze aarde? Zijn leerlingen zich bewust van de klimaateffecten van bijvoorbeeld ChatGPT?

Les 1. Wat is creativiteit?

Draai de spinner een paar keer en overleg in tweetallen hoe AI kan helpen.

Klik op de spinner om te beginnen

Hoe zou AI bij biologisch onderzoek kunnen helpen?

Toelichting

Door de spinner te laten draaien, verschijnen en voorbeelden van biologisch onderzoek waarbij AI behulpzaam kan zijn (of al is). Een aantal van deze voorbeelden worden in de volgende dia's verder toegelicht. Deze vraag is bedoeld om leerlingen zelf even na te laten denken over de bruikbaarheid van AI bij (biologisch) onderzoek. Waarschijnlijk vinden ze dit moeilijk, maar dat geeft niet!

Het is niet persé nodig om alle voorbeelden van deze spinner langs te lopen, maar dat mag natuurlijk wel.

Les 1. Wat is creativiteit?

Geluiden in zee

Een sensorbox maakt onder water video- en geluidsopnamen.

Het neemt watermonsters voor omgevings-DNA.

Via een machinelearningmodel wordt vastgesteld welke dieren zich in zee bevinden (geluid/beeld/DNA).

Voordelen

• Kan gebruikt worden op plaatsen waar duiken verboden of gevaarlijk is of waar het zicht beperkt is.
• Kost minder tijd en geld.

Bron: WUR (2024a)

voorbeeld 1 biologisch onderzoek 

watermonsters

sensorbox

Vraag

Waarom is het nuttig om te weten welke dieren er in zee leven?

1. Omdat we ze nodig hebben om de oceanen schoon te maken en al het plastic op te eten.
2. Omdat we zo kunnen zien welke soorten beschermd moeten worden om de biodiversiteit in stand te houden.
3. Om te begrijpen hoe veranderingen in het klimaat invloed hebben op het leven in zee.
4. Zodat we kunnen voorspellen welke dieren het weer beïnvloeden met hun gedrag onder water.

Antwoord

Antwoorden B en C zijn hier allebei goed (en er zijn meer goede antwoorden te bedenken).

Misschien is het nodig om begrippen als 'biodiversiteit' hier uit te leggen.

Les 1. Wat is creativiteit?

Illegale ontbossing

Sateliet maakt gedetailleerde radarbeelden.

AI maakt zichtbaar waar bomen gekapt gaan worden. Bijvoorbeeld doordat er opeens wegen worden aangelegd door het bos (voorspelt zwaar vervoer).

Dit systeem draait nu op proef in o.a. Suriname en Gabon.

Het systeem kan illegale boomkap voorspellen. Maar ook kennis van bostypes opleveren.

Op natte grond is kans op boskap kleiner (waarom?)

Bron: WUR (2024a)

voorbeeld 2 biologisch onderzoek 

Vraag

Hoe 'weet' AI waar bomen gekapt gaan worden?

Typ hier je antwoord:

Les 1. Wat is creativiteit?

Kasplantjes

In kassen worden plantjes gekweekt die bijvoorbeeld meer opbrengen of beter bestand zijn tegen ziektes of insectenvraat.

Die plantjes selecteren is heel arbeidsintensief (kost veel tijd van veel mensen).

Een speciale camera legt wortels en bladeren van elk plantje vast.

Via beeldverwerking wordt de hoeveelheid wortels bepaald, wat een indicatie geeft van de levensvatbaarheid van het plantje. De AI-technologie kan bovendien helpen om te bepalen welke kenmerken voorspellers zijn voor de gezondheid van planten. 

Bron: WUR (2024a)

voorbeeld 3 biologisch onderzoek 

Les 1. Wat is creativiteit?

Rekenen

Stel, je hebt in een kas 10.000 plantjes staan, omdat je een nieuw ras wilt kweken dat bestand is tegen een bepaalde ziekte.

Elke week moet je van elk plantje de volgende gegevens noteren: gewicht, lengte van de wortels, totale bladoppervlak, kleur van de bladeren, mate van vraat aan de bladeren. Dit kost je per plantje 3 minuten.

Vraag

Hoeveel tijd ben je per week kwijt aan 

deze metingen?

Geef je antwoord in de volgende dia.

Vraag

Hoeveel tijd kost het om 10.000 plantjes 3 minuten per plantje te meten?

1. ongeveer 170 uur; als je drie assistenten inhuurt moet dat lukken
2. ongeveer 55 uur; dat betekent dus in het weekend doorwerken
3. 500 uur, dus dan heb je zo'n 15 personeelsleden nodig om dat elke week te doen
4. Ik heb helemaal geen zin om dit uit te rekenen, daar hebben we toch AI voor?

Antwoord

Antwoord C is juist. De getallen zijn niet onrealistisch; dit type onderzoek is uiterst arbeidsintensief. AI kan dit sterk vereenvoudigen en dus versnellen.

Welke leerlingen hebben antwoord D gekozen? ;)

Les 1. Wat is creativiteit?

Kelpbossen beschermen

Belangrijke zeewiervelden (kelpbossen) dreigen door klimaatverandering te verdwijnen.

Met behulp van AI kunnen grote datasets (bijv. satelietfoto's) doorgespit worden die eerder te groot waren om te bewerken.

Zo kan AI helpen de laatste restjes kelpbos op aarde op te sporen, zodat die beschermd kunnen worden.

Australische wetenschappers werken hiervoor samen met Google.

Bron: WUR (2024b)

voorbeeld 4 biologisch onderzoek 

Vraag

Waarom is het belangrijk om zeewiervelden (kelpbossen) te beschermen? Wat is hun functie? Zoek dat eens op, of vraag het AI!

Typ hier je antwoord:

Antwoord

 (van ChatGPT!):

Zeewiervelden, ook wel kelpbossen genoemd, zijn van cruciaal belang voor het mariene ecosysteem en het klimaat. Hier zijn enkele redenen waarom het belangrijk is om ze te beschermen, en wat hun functies zijn:

1. Biodiversiteit behouden

Kelpbossen vormen een leefgebied voor talloze zeedieren, zoals vissen, zee-egels, zeeotters, en schaal- en schelpdieren. Ze bieden schuilplaatsen en voedsel, waardoor ze een hotspot van biodiversiteit zijn in de oceaan.

2. Koolstofopslag en klimaatregulatie

Zeewieren nemen tijdens hun groei grote hoeveelheden koolstofdioxide (CO₂) op uit het water en de atmosfeer. Dit helpt om klimaatverandering tegen te gaan. Bovendien wordt een deel van deze koolstof opgeslagen wanneer zeewier afsterft en op de oceaanbodem terechtkomt.

3. Bescherming van kustlijnen

Zeewiervelden verminderen de impact van golven en stormen op de kust. Dit helpt erosie tegen te gaan en beschermt kustgemeenschappen tegen overstromingen.

4. Zuurstofproductie

Net als andere planten produceren kelpwieren zuurstof tijdens de fotosynthese, wat essentieel is voor het leven in de oceaan.

5. Economische en voedselwaarde

Kelpbossen ondersteunen visserijen door leefgebieden te bieden aan commerciële vissoorten. Daarnaast worden zeewieren gebruikt in voedsel, cosmetica, medicijnen en biobrandstoffen.

6. Indicator van oceaangezondheid

Kelpbossen zijn gevoelig voor veranderingen in temperatuur, waterkwaliteit en vervuiling. Hun 

toestand kan daarom een indicatie geven van de gezondheid van de oceaan en de gevolgen van menselijke activiteiten.

Het beschermen van kelpbossen is dus niet alleen essentieel voor mariene ecosystemen, maar ook voor de mens en de planeet als geheel.

Les 1. Wat is creativiteit?

 Eiwitten vouwen

Eiwitten zijn belangrijke moleculen in bijvoorbeeld ons lichaam. Ze zijn opgebouwd uit aminozuren. Zie een eiwit als een kralenketting, geregen van aminozuren.

Die ketting kun je in allerlei vormen vouwen: elke vorm heeft een andere functie.

Wetenschappers ontdekken en ontwikkelen steeds nieuwe eiwitten, bijvoorbeeld antistoffen of andere medicijnen. Die ontwikkeling kost heel veel tijd. Vooral het testen van elk nieuw eiwit: doet dit eiwit wat ik hoop dat het doet?

Een ketting van aminozuren...

...wordt op allerlei manieren gevouwen...

...tot een werkend eiwit-molecuul.

voorbeeld 5 biologisch onderzoek 

Vraag

Eiwitten: wat doen ze allemaal in ons lichaam?

1. zuurstof in het bloed vervoeren via hemoglobine in rode bloedcellen
2. helpen bij het verteren van eten (via spijsverteringsenzymen)
3. bestrijden van ziektes door middel van de productie van antistoffen
4. het mogelijk maken van beweging door middel van spieren

Antwoord

Alle antwoorden zijn goed.

Interessant om te zien welk antwoord de meeste 'stemmen' krijgt en welke de minste. Oftewel: welke functie van eiwitten is het meest bekend en welke het minst?

Les 1. Wat is creativiteit?

 Eiwitten vouwen: AlphaFold

Via AlphaFold-software (AI) kan nu op basis van aminozuurvolgorde (de kralenketting) de vouwing en daarmee de werking van een nieuw eiwit voorspeld worden.

AlphaFold kan al 200 miljoen eiwitmodellen voorspellen.

Zo kunnen veel sneller bijvoorbeeld nieuwe medicijnen ontwikkeld worden.

Uiteindelijk moeten deze eiwitten nog wel experimenteel getest worden. Je kunt ze niet zo vanaf de 'tekentafel' in een medicijn verwerken!

Bron: Van Maanen en Steijn van Schie (2023)

Les 1. Wat is creativiteit?

 Nog meer mogelijkheden

Of bekijk het korte filmpje op de volgende dia

(in het Engels, goed luisteren dus!)

Bekijk dit korte filmpje over een andere mogelijkheid met AlphaFold

Les 1. Wat is creativiteit?

Opdracht (in tweetallen)

Je hebt deze les een aantal voorbeelden van het gebruik van AI in de biologie voorbij zien komen.

Noem om beurten één voorbeeld van het gebruik van AI in de biologie.

Kun jij meer voorbeelden noemen dan je buur?

Toelichting

Deze vraag is bedoeld als reflectievraag, om te kijken wat er is blijven hangen van de behandelde voorbeelden in de dia's en in de filmpjes.

Je kunt hierbij de timer gebruiken, maar dat hoeft natuurlijk niet. Door op de timer te klikken gaat de tijd lopen.

Welke nadelen kleven er aan het gebruik van AI?

Toelichting 

Deze vraag (woordweb) is bedoeld om nog even de dia uit het begin van deze les in herinnering te roepen: het gebruik van AI is niet alleen maar positief nieuws. Hopelijk kunnen de leerlingen de voordelen en de nadelen tegen elkaar af (leren te) wegen. 

Les 1. Wat is creativiteit?

 Gefeliciteerd!

Na deze les...

• ...kun je de invloed van AI op het milieu benoemen.
  
• ...kun je tenminste drie voorbeelden noemen waarbij AI nuttig is voor biologie.
  
• ...heb je je een mening gevormd over de vraag of AI voor de biologie goed of slecht uitpakt.

Les 1. Wat is creativiteit?

 Geïnspireerd?

Vond je dit een interessante les? Kijk dan eens naar de volgende vervolgopleidingen:

Bachelor biologie WUR (WO)

https://www.wur.nl/nl/onderwijs-opleidingen/bachelor/bsc-opleidingen/bsc-biologie.htm

Bachelor Horticulture and Business Managemenent (HBO)

https://www.has.nl/hbo-opleidingen/horticulture-business-management/

Bachelor Applied Data Science and Artificial Intelligence (HBO)

https://www.saxion.nl/opleidingen/voltijd/bachelor/applied-data-science-artificial-intelligence?gad_source=1&gclid=EAIaIQobChMI7e7czd75igMVF5qDBx1GnCtlEAAYAyAAEgKEWPD_BwE

Bachelor Data Science for Global Challenges (WO)

https://www.wur.nl/en/education-programmes/bachelor/bsc-programmes/bsc-data-science.htm

Welk profiel heb je voor deze opleidingen nodig?

Toelichting

Dit zijn slechts enkele voorbeelden van vervolgopleidingen die aansluiten bij deze les. Als er tijd is in de les, laat leerlingen dan een paar linkjes aanklikken of zelf op zoek gaan naar (bij deze les aansluitende) vervolgopleidingen.

Les 1. Wat is creativiteit?

Feedback gevraagd

De makers van deze les willen graag weten wat je van deze les vond.

Ga daarvoor naar de (korte) vragenlijst:

https://bit.ly/LessonUpmod_Leerling

Heel veel dank!

Les 1. Wat is creativiteit?

WUR. (2024a). AI opent deuren voor grootschalig onderzoek. https://www.wur.nl/nl/show-longread/ai-opent-deuren-voor-grootschalig-onderzoek.htm

WUR. (2024b). Jeroen Hoekendijk bij De Nieuws BV over AI en natuurbescherming. https://www.wur.nl/nl/nieuws-wur/radio-televisie/rtv/jeroen-hoekendijk-bij-de-nieuws-bv-over-ai-en-natuurbescherming.htm

Van Maanen en Steijn van Schie, D. A. K. G. (2023). Wat betekent AI voor de biologie? https://bionieuws.nl/article/1608246/wat_betekent_ai_voor_de_biologie?

Bronnen

Ondertitel

Wat heeft een zeehond aan AI?

Onderzoek naar het gebruik van satelietbeelden

Een les die hier prima op aansluit (te vinden op het kanaal 4TU.Schools, onderbouwlessen)

Les 1. Wat is creativiteit?

Check www.4tuschools.nl voor meer inspirerende lessen!