Tien doorbraken: De onmetelijke diepten van onze onwetendheid

Grote mysteries

Hoe meer we weten, hoe meer vragen zich voordoen. Een normaal mens zou er gek van worden, maar voor onderzoekers is het de reden van hun bestaan. De wetenschap is nooit ‘af’.

Medium space

Toen de zestienjarige Max Planck in 1874 in München natuurkunde wilde gaan studeren, raadde professor Philipp von Jolly hem dat sterk af. In dat vakgebied was alles zo goed als ontdekt. Gelukkig sloeg Planck dat advies in de wind. Vijfentwintig jaar later zette hij de wetenschap op z’n kop. Hij verwierp de klassieke newtoniaanse natuurkunde en gaf de aanzet voor de ontwikkeling van de kwantumtheorie. Het leverde hem in 1918 de Nobelprijs op. De moraal van het verhaal: wetenschap is nooit af.

Een eeuw aan onderzoek en doorbraken verder staat die les nog steeds als een huis. Hoewel we over onmetelijk veel gegevens, meetapparatuur en rekenkracht beschikken, is het reservoir aan wetenschappelijke vraagtekens nauwelijks kleiner geworden. Ongetwijfeld kunnen we in de toekomst een genoom lezen als was het een boek, materialen maken die slimmer zijn dan wijzelf en op de energie van één zonnecel de wereld rond gaan. Maar voor ieder hoofdstuk dat wordt afgesloten, beginnen er weer nieuwe. En in sommige gevallen leidt de toename van kennis simpelweg niet tot een antwoord op basale vragen.

De maan is een goed voorbeeld: nadat in 1972 de laatste bemande reis richting dit hemellichaam was ondernomen, bestond lange tijd het idee dat de maanwetenschap voltooid was. Onterecht, meent aardwetenschapper – of eigenlijk maanonderzoeker – Wim van Westrenen. Wat hem betreft mogen een aantal geijkte ideeën op de schop: het inwendige van de maan is niet altijd kurkdroog geweest, hij lijkt net als de aarde een kleine metalen kern te hebben, en de polen zouden wel eens bedekt kunnen zijn met ijs, somt hij op. Een goede theorie om de herkomst van de maan te verklaren ontbreekt, en dat is volgens hem ‘een fundamenteel probleem dat schreeuwt om een oplossing’. Als we dit vraagstuk kunnen kraken, leren we en passant ook wat meer over ‘hoe de aarde uiteindelijk die prachtige blauwwitte bal in het niets is geworden, waarop leven kon ontstaan en bloeien’.

Verderop in het heelal zijn de mysteries nóg groter. Zoals astronoom Vera Rubin onlangs zei in een interview in dit blad: most of our universe is missing. Anders gezegd: we hebben geen idee waaruit het grootste deel van het heelal bestaat. Althans, we weten dat het voor bijna driekwart bestaat uit een mysterieuze kracht die het universum versneld doet uitdijen, zogeheten ‘donkere energie’. Maar wat dat precies ís weet geen natuurkundige. Nog eens 23 procent bestaat uit ‘donkere materie’. Substantie: onbekend. Uiteindelijk blijft er een schamele vier procent over aan materie en energie die we wél kennen.

Natuurkundigen hopen dat onderzoek met de Large Hadron Collider (lhc), de grote deeltjesversneller bij Genève waarmee elementaire deeltjes worden bestudeerd, meer zekerheid oplevert over waar het heelal uit bestaat. Een van de grote vragen betreft het Higgs-deeltje. Het bestaan wordt al wel vermoed, maar wetenschappers hebben het nog niet kunnen aantonen. En dus hapert er iets aan het zogeheten Standaardmodel van de Elementaire Deeltjes. Volgens fysicus Paul de Jong is dat ‘alsof je een raceauto hebt zonder motor’. En er is nóg iets mis: ‘Het standaardmodel is weliswaar heel goed in het beantwoorden van de vraag “hoe?” maar niet van de vraag “waarom?”’, aldus De Jong. Waarom zijn er precies twaalf elementaire deeltjes waaruit materie bestaat? Wat is ‘massa’ nu eigenlijk? vraagt De Jongs collega Stan Bentvelsen zich af.

De experimenten in de lhc moeten aanwijzingen opleveren over wat er áchter het standaardmodel zit. Een nieuwe kracht, een nieuw deeltje, een nieuwe symmetrie, nieuwe ruimte-tijddimensies of een deeltje dat het standaardmodel tegenspreekt, zijn de mogelijkheden die De Jong oppert. Stan Bentvelsen: ‘De natuur heeft ons altijd verrast, en ik zou me graag nog eens door haar laten verrassen.’

Zowel grote hemellichamen als minuscule deeltjes zijn dus met grote unknowns omgeven. Hetzelfde geldt voor het verschijnsel dat die twee bij elkaar houdt: de zwaartekracht. Driehonderd jaar nadat een vallende appel Sir Isaac Newton aan het denken zette, zijn we niet veel verder. ‘We kunnen bijna een triljoen keer sneller rekenen dan zeventig jaar geleden, en toch zal dat nooit het diepere inzicht in de zwaartekracht kunnen verschaffen’, meent sterrenkundige Simon Portegies Zwart. ‘Razendsnel kunnen rekenen is iets geheel anders dan echt begrip.’ Ook natuurkundige Diederik Roest breekt zijn hoofd over dit fenomeen dat hij ‘de ontbrekende schakel in de kwantumtheorie noemt’. ‘De zwaartekracht begrijpen we alleen buiten de kwantumwereld, waar de algemene relativiteitstheorie van Einstein geldt. Het blijkt erg moeilijk om Einstein de kwantumwereld in te lokken: een theorie van kwantumzwaartekracht is al decennia een heilige graal binnen de theoretische natuurkunde.’

Het universum, elementaire deeltjes, zwaartekracht, al deze kwesties komen ook voor op de lijst met de 125 grote open vragen die maandblad Science in 2005 samenstelde. Het blad, normaal een erepodium voor wetenschappelijke doorbraken, bood deze keer een blik in de onmetelijke diepten van onze scientific ignorance. Een selectie: hoeveel proteïnen zitten er in een menselijk lichaam? Is het onze het enige universum? Wat zet de puberteit in werking? Sinds die publicatie zijn op sommige vragen beginnende antwoorden geformuleerd, maar het merendeel doet wetenschappers nog even hard achter de oren krabben.

Nationaal knuffelorgaan het brein komt meermalen voor op de lijst van Science. Ook de onderzoekers in het _Groene-_onderzoek vragen zich af: ‘Hoe werkt ons brein nu echt?’ Neurowetenschappers Casper Hoogenraad en Corette Wierenga komen met een lijst hiaten die meteen doet snappen waarom de neurowetenschappen zo populair zijn bij jonge bèta’s: in hoeverre zijn hersenen flexibel? Hoe wordt informatie verwerkt in de zenuwcellen? Waar bevindt zich ‘het geheugen’ precies en hoe werkt het opslag­proces? Welke processen zijn belangrijk voor herinneren? En welke geheugenmoleculen zijn hierbij betrokken? Werk genoeg, kortom.

De biologie zit eveneens vol raadsels. We spreken met gemak over biodiversiteit, maar wat dat precies inhoudt, is behoorlijk complex. ‘Een handje grond bevat meer dan vijfduizend soorten bacteriën, schimmels, nematoden en andere minuscuul kleine beestjes’, schrijft Wim van der Putten van het Nederlands Instituut voor Ecologie. Uiteindelijk kennen we daar slechts vijf procent van. Lange tijd werd hier nauwelijks aandacht aan besteed, omdat men ervan uitging het dat ‘het allemaal een weinig specifieke bak modder was’, schrijf Van der Putten.

Nog een voorbeeld: samenwerking (ook te vinden in Science’s top 125), waarom bestaat er zoiets? De uitwisseling van voedingsstoffen tussen planten en schimmels, stokstaartjes die elkaar waarschuwen voor naderende roof­dieren, bacteriën die samen ijzerbindende moleculen maken – de natuur staat bol van de coöperatie. Evolutiebioloog Gijsbert Werner vraagt zich af waarom je eigenlijk mee zou doen, als je ook anderen voor de kosten kan laten opdraaien? Theorieën zijn er genoeg: het gaat om straf en beloning, of over uitsluiting van individuen die niet meewerken. Maar waarom sommige organismen samenwerken op basis van wederkerigheid, andere alleen met verwanten zakendoen en weer andere straf gebruiken, is een groot mysterie, aldus Werner.

Nog opmerkelijker is dat het vaak relatief simpele organismen zijn die aan complexe vormen van samenwerking doen – en dat zonder het cognitieve vermogen voor planning en geheugen. Terwijl dat volgens economen en sociologen toch de voorwaarden zijn voor samenwerking, schrijft Gijsbert Werner. Fascinerend natuurlijk, maar hij waarschuwt voor overhaaste conclusies: het betekent niet dat het leven, en dus de mens, van nature altruïstisch is.

In een prachtige bijdrage over de migratiepatronen van trekvogels laat hoogleraar Global Flyway Ecology Theunis Piersma ook een staaltje verrassende samenwerking zien. Hij ontdekte dat kanoetstrandlopers zich ’s winters volkomen logisch over de wadden van West-Europa verdelen. ‘Aangezien een individuele vogel nooit in staat zal zijn om zelf alle relevante metingen te doen om zijn “vestigingsbesluit” te onderbouwen, is dat een verbluffende conclusie’, aldus de vogelkenner. ‘Praten’ kanoeten onderling, maken ze gebruik van elkaars beperkte individuele kennis? Wat vertellen dieren elkaar eigenlijk over hun werelden, over onze wereld?’ Vragen waar biologen het antwoord voorlopig op schuldig moeten blijven.

Dan is er nog het leven op zich als permanente bron van vertwijfeling. Hoe levende cellen hebben kunnen ontstaan uit levenloze materie is volgens scheikundige Rutger van Santen een van de vragen die nog steeds open staan. Er worden manmoedige pogingen gedaan dit geheim te doorgronden. Zo proberen wetenschappers zelf ‘levende systemen’ te bouwen uit levenloos materiaal – indachtig het motto van de Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman: What I cannot create I do not understand. De labtechnieken hiervoor staan in veel opzichten nog in de kinderschoenen, en zelfs als dit slaagt, blijft gemaakt leven een slap aftreksel van het origineel. De natuur is een expert in zichzelf organiseren en vernieuwen. ‘Waarom zijn alle pogingen van de mens in vergelijking zo onhandig?’ vraagt natuurkundige Mirjam Leunissen zich af.

In sommige gevallen is er zelfs geld te verdienen aan open vragen, al zal dat de meeste wetenschappers niets uitmaken. Nieuwsgierigheid, dát is de belangrijkste reden die de onderzoekers opgeven waarom ze zich met enthousiasme op grote vragen storten. Om met astrofysicus Harold Linnartz te spreken: het gaat erom ons ‘zijn’ in een bredere context te plaatsen. Toch stelde The Clay Mathematics Institute in het jaar 2000 een miljoen dollar beschikbaar voor het oplossen van elk van de zeven zogeheten millenniumprijsproblemen, de grote opgaven die wiskundigen al decennia uit hun slaap houden. Tot nu toe lukte dat één keer: de excentrieke Russische wiskundige Grigori Perelman loste het zogeheten Vermoeden van Poincaré op. Hij weigerde de prijs. Hij achtte zijn bijdrage aan de oplossing niet groter dan die van zijn collega-wiskundige, de Amerikaan Richard Hamilton.

De prestaties van Perelman ontlokken mathematicus Jan Draisma de uitspraak dat het ‘wiskundig verschrikkelijk spannende tijden’ zijn. Hoe lang die blijven duren, is onduidelijk, maar in ieder geval hebben we nog 99 decennia om de andere zes millenniumprijsproblemen op te lossen. Een volgende kandidaat is het probleem ‘P versus NP’, zo blijkt uit het _Groene-_onderzoek. Het gaat hier om het zogeheten handelsreizigersprobleem: de vraag wat de kortste route is tussen een aantal punten, die allemaal moeten worden aangedaan. Bij meer dan 25 wordt het met de bestaande algoritmen lastig om dit uit te rekenen.

Natuurlijk zou een kwantumcomputer een mogelijke oplossing zijn, maar dat is volgens de mores van de wiskundigen eigenlijk een beetje valsspelen. In deze beroepsgroep houden ze ervan problemen open te ‘weken’ in plaats van open te kraken, zo leggen verschillende deelnemers uit. ‘Wiskundigen laten zich bij het ontginnen van nieuw terrein leiden door hun gevoel voor schoonheid, en de kleine stapjes die ze daarbij zetten zijn als het verse water waarin de noot steeds weer gedrenkt wordt tot de schil er vanzelf afvalt’, schrijft Draisma in navolging van de beroemde wiskundige Alexander Grothendieck.

Kleine stapjes zetten, die weer nieuwe vragen oproepen – het zou een mens tot waanzin kunnen drijven. Maar het is de drijvende kracht van de wetenschap. Nobelprijswinnaar David Gross stelde in de speciale editie van Science dat de belangrijkste kwaliteit van een wetenschapper het vermogen is om de juiste vragen te stellen. Anders gezegd: hoe meer open vragen, hoe dynamischer het wetenschappelijk klimaat. Volgens die maatstaf is de wetenschap in ieder geval springlevend.

Want zelfs als er titanenarbeid is verricht, kunnen we niet op onze lauweren rusten, zo blijkt. In 2003 was 99 procent van het menselijk genoom ontrafeld. De uitkomsten waren opvallend: er werden veel minder genen gevonden dan verwacht. De overige dna-fragmenten werden verondersteld junk, oftewel rommel, te zijn. ‘Nu blijkt dat een groot deel van dat junk-dna wel degelijk een functie heeft’, schrijft bioloog Bregje Wertheim. ‘Het speelt een belangrijke rol bij het reguleren van de activiteit van genen.’ Ook blijken verschillen tussen bijvoorbeeld een fruitvlieg en een mens veel kleiner dan gedacht, terwijl de verschillen tussen individuen van dezelfde soort weer groter kunnen zijn dan werd aangenomen. En dus moeten genetici op zoek naar de betekenis van die kleine dna-verschillen.

Een van de vragen die Science in 2005 opnam in de top 25 spreekt bijzonder tot de verbeelding: is (of was) er leven elders in het zonnestelsel? Ja, menen de deelnemers aan het Groene-­_onderzoek. ‘Aangezien er miljarden planetenstelsels moeten bestaan en de bouwstenen van het leven overal in het heelal voorhanden zijn, is de kans op buitenaards leven reëel’, meent Harold Linnartz. Wat dat precies betekent, is ongewis. Sterrenkundige Ed van den Heuvel vult aan dat het volgens veel evolutiebiologen plausibel is dat zich op veel plaatsen leven zal hebben ontwikkeld, maar dat het ‘uiterst onwaarschijnlijk’ is dat zich elders ook een vergelijkbare vorm van ‘intelligentie’ – met wetenschap, techniek en cultuur – voordoet. Niettemin zal het antwoord op de vraag of er _intelligent buitenaards leven bestaat ‘enorme consequenties hebben voor de wijze waarop wij naar onszelf en naar de aarde kijken’, aldus Van den Heuvel.

En soms gebeurt het dat een vraag beantwoord lijkt, om even later weer op het lijstje ‘onbeantwoord’ te worden gezet. In september 2011 leken er deeltjes ontdekt – de beruchte neutrino’s – die sneller konden reizen dan het licht. Onmogelijk, volgens Einsteins relativiteits­theorie. En dus ‘kan eigenlijk niemand het geloven’, schreef natuurkundige Dries van Oosten, die onderzoek doet naar nanofotonica, in zijn inzending van 24 januari 2012. Maar toch leek het er even op dat een wetenschappelijke evergreen was gefalsificeerd. Begin 2012 bleek dat de neutrino-anomalie waarschijnlijk veroorzaakt werd door een meetfout. En dus wordt de vraag: ‘Bestaat er iets dat sneller gaat dan het licht?’ opnieuw beantwoord met: ‘Nee, tenzij het tegendeel wordt bewezen.’ Zoals Van Oosten meteen al schreef: Karl Popper kan tevreden zijn.


Tien doorbraken in Spui25

Dinsdag 29 mei, Spui 25, Amsterdam, 20.00 – 22.00 uur

De Groene Amsterdammer organiseert samen met academisch-cultureel centrum SPUI25 een avond over de belangrijke ontwikkelingen in de exacte wetenschap. Gekweekte organen, de supercomputer, plastic uit planten en andere doorbraken komen aan bod in korte lezingen.

Ten slotte wordt er gedebatteerd over het belang van onderzoek voor de samenleving. Wat levert de wetenschap op? Hoe de kloof tussen het laboratorium en de samenleving te overbruggen?

Te gast zijn onder anderen Elly Hol (hersenonderzoeker, Nederlands Instituut voor Neurowetenschappen), Hans Clevers (per 1 juni president van de KNAW) en Jan Bergstra (directeur van het Centrum voor Wiskunde en Informatica). De avond staat onder leiding van Groene_-_medewerkers Yvonne Zonderop en Casper Thomas.


Beeld courtesy Robert Gendler / Visuals Unlimited / Corbis