Tien doorbraken: De grote ontwikkelingen

Kleiner, sneller, ingewikkelder

Snellere computers, een overvloed aan data en observaties op microniveau. In de afgelopen decennia is de aard van wetenschappelijk onderzoek ingrijpend veranderd. Dat levert meer kennis op, maar niet altijd meer inzicht. In deze special de top van de Nederlandse bèta-wetenschappers over de grote ontwikkelingen op hun vakgebied en de de grote doorbraken die zij verwachten.

Medium cern

De witte jas, de borrelende reageerbuis, ingewikkelde formules: het zijn de cliché-beelden die in ons opkomen bij het woord ‘wetenschapper’. En niet zonder reden. Over de gehele wereld staan laboratoria vol met kweekjes, erlenmeyers en elektronische opstellingen. En in een tijd waarin kleuters eerder kunnen swipen dan schrijven, maken veel wiskundigen nog steeds gretig gebruik van het ouderwetse krijtbord. Niets krabbelt en veegt zo lekker of toont een complexe vergelijking in al haar glorie beter.

Toch heeft de digitale revolutie de wetenschappelijke praktijk fundamenteel veranderd. Dat klinkt als een open deur – is er iets waar het computertijdperk géén invloed op heeft? – maar dit onderzoek van De Groene Amsterdammer maakt goed voelbaar wat die veranderingen precies zijn. De meest revolutionaire ontwikkelingen vinden tegenwoordig plaats achter het toetsenbord in plaats van in vitro.

Dat blijkt bijvoorbeeld uit de bijdrage van Evert Jan Baerends, emeritus hoogleraar scheikunde. Van reëel naar virtueel luidt de titel. Het leven van een scheikundige, zo beschrijft Baerends, bestond lange tijd uit het turen naar reageerbuizen waarin chemische reacties plaatsvonden. Nu, dankzij supersnelle computers en de juiste rekenmodellen, kan een katalytische reactie digitaal worden nagebootst. Bijkomende voordelen: er zijn minder schaarse grondstoffen nodig en de onderzoeker houdt schone handen.

In veel takken van de wetenschap doen zich dergelijke ontwikkelingen voor, zo valt op te maken uit de ruim tachtig inzendingen. ‘Computermodellen helpen biologen tegenwoordig bij hun werk’, schrijft Roeland Merks, die zowel wiskundige als bioloog is. ‘Er zijn steeds betere rekentechnieken om netwerken van genen en collectief gedrag van cellen te beschrijven. Nieuwe meetmethoden brengen in steeds groter detail het gedrag en de respons van cellen op signalen uit de directe omgeving in kaart. Dit maakt het mogelijk om de inzichten uit de computermodellen precies te toetsen.’ Het samenspel van informatica en ‘natte biologie’ is de sleutel om de werking van dieren en planten echt te doorgronden, aldus Merks. Het levert een heel nieuw vakgebied op: de systeembiologie. Aardwetenschappers, ondertussen, bootsen volledige delta’s en meanderende rivieren digitaal na. Wat niet betekent dat schaalmodellen van modder, zand en grind overbodig worden, benadrukt rivierkundige Maarten Kleinhans.

Ook fundamenteel onderzoek wordt voortgestuwd door rappe digitalisering. Neem de sterrenkunde. Op een hoogvlakte in Chili wordt momenteel de Atacama Large Millimeter Array (alma) gebouwd, een gigantische radiotelescoop bestaande uit meer dan vijftig schotel­antennes met een doorsnede van twaalf meter, zo vertelt hoogleraar moleculaire astrofysica Ewine van Dishoeck in haar bijdrage. De signalen worden met elkaar verbonden door een supercomputer, waardoor de alma duizend keer scherper kan kijken dan elke bestaande telescoop. Een scherpte vergelijkbaar met het kunnen lezen van een verkeersbord in Los Angeles vanaf de redactie van De Groene Amsterdammer.

Al deze omwentelingen hebben dezelfde achtergrond: een enorme toename in rekenkracht van computers. Voor wie het zich kan herinneren: de eerste Commodore-spelcomputer had 64 kilobyte geheugen. Een gemiddelde desktop bevat tegenwoordig bijna het miljoenvoudige aan geheugen. En de ontwikkeling gaat in hoog tempo verder, schrijft Jan Bergstra, directeur van het Instituut voor Informatica. Een normale pc rekent momenteel met vier processors (‘cores’) tegelijk. Het duurt niet lang meer of we lopen met mobieltjes van vierhonderdduizend cores in de hand, verwacht hij.

Is informatica daarmee the king of sciences? Als je het afmeet aan effect wel, meent Bergstra. Hij schrijft: ‘Informatica heeft een grotere impact op de samenleving dan welke andere wetenschap ook’ en geeft een even eenvoudige als rake illustratie: ‘Mij frappeert de ontwikkeling die zich voordeed nadat ik in 1985 hoogleraar informatica werd op de UvA: van pc, het internet, het www, de mobiele telefonie, de gps, de beamer, de flatscreen, thuis een harddisk, glasvezelnetwerken, sociale media, digitale toegang tot de bibliotheek tot en met de boeken de faculteit uit.’

Dat alles om informatiestromen draait, meent ook Patrick Dewilde. Hij houdt zich bezig met signaalbewerking, een vakgebied op een kruispunt van vele andere. Dewilde somt op: telecommunicatie, robotica, informatica, biologie, ecologie, astronomie; zijn onderzoek raakt aan alles waarbij het doorgeven van informatie centraal staat. De onderzoekers die kijken naar signalprocessing vormen dan ook het grootste wetenschappelijke genootschap ter wereld, meldt hij. De vooruitgang van het vak­gebied blijkt uit het feit dat we steeds beter in staat zijn uit ruwe data de informatie te halen die erin zit.

En zolang de informatiewetenschappen doorstomen, trekken ze de rest van de wetenschap mee. Zeker tien deelnemers noemen de vele malen snellere kwantumcomputer (zie verderop in deze Groene) als dé ontwikkeling die de bètawetenschappen een nieuw tijdperk in zal lanceren. Alles waar rekenkracht voor nodig is – het aflezen van dna, het tekenen van 3d-beelden, het plotten van de groeipatronen van cellen – wordt daarmee gemakkelijker en goedkoper. En dat zal het onderzoek opnieuw ingrijpend veranderen.

Terwijl computers steeds sneller rekenen, boort het oog van de wetenschappers zich steeds dieper. ‘De belangrijkste ontwikkeling in ons vakgebied is het steeds maar meer inzoomen op de werking van individuele moleculen, al dan niet in de context van een levende cel’, schrijft onderzoeker Remus Dame. Hij en zijn collega’s hopen de driedimensionale vouwing van het genoom in de levende cel in kaart te brengen. Dankzij ‘superresolutie microscopietechnieken’ zijn de eerste stappen in deze richting gezet.

Wie tot op het kleinste niveau kijkt, kan daar ook op werken. Geneeskundigen (zie bijvoorbeeld de bijdragen van Carl Figdor en René Spelbrink) richten zich op het ontstaan van ziektes op moleculair niveau. Microbioloog Arnold Driessen wijst op baanbrekend werk van synthetisch-biologen, die een volledige bacterie inclusief genoom kunstmatig wisten na te maken. Het ding leefde uiteindelijk niet, toch is een stap richting levensvatbaar nep-dna gezet. En chemicus Martien Cohen Stuart verwacht dat we op den duur moleculaire beweging op nanoschaal kunnen gaan besturen, door middel van licht of elektriciteit.

Natuurkundigen begeven zich eveneens op steeds kleinere schaal. Fysicus Wouter Hulsbergen vertelt over de Large Hadron Collider (lhc) op het cern in Genève, een 26 kilometer lange tunnel onder de grond waarin protonen met grote snelheid worden rondbewogen en in botsing worden gebracht. Die botsingen stellen ons in staat om het gedrag van de allerkleinste deeltjes te onderzoeken. ‘Daarmee is de lhc een ware supermicroscoop die zal leiden tot een schat aan nieuwe informatie over de materie waar we uit bestaan’, aldus Hulsbergen.

Steeds kleiner en steeds sneller, het vat de recente geschiedenis van de bètawetenschappen samen. Maar zoals altijd brengt iedere nieuwe ontwikkeling ook problemen met zich mee. De hamvraag in de bètawetenschappen is veranderd van: ‘Hoe kom ik aan informatie?’ naar: ‘Waar in deze datasoep vind ik antwoord op mijn vraag?’ Tekenend is de bijdrage van genetisch onderzoeker Annemieke Aartsma-Rus. De computers die zij gebruikt in haar genenonderzoek produceren per dag elk een terabyte aan data. ‘De software voor het goed en snel analyseren daarvan moet grotendeels nog worden ontwikkeld’, schrijft ze. ‘Soms is het moeilijk om door de enorme hoeveelheid data het bos nog te zien – voor veel bevindingen is het nog niet duidelijk wat de betekenis is.’ ‘Meten is niet per se weten’, zo vat biochemicus Pieter Rein ten Wolde het probleem treffend samen.

Daarbij werpt het gemak waarmee tonnen data worden gegenereerd morele dilemma’s op, zo blijkt uit de bijdrage van emeritus hoogleraar humane genetica Hans Galjaard. Natuurlijk is het straks mogelijk om voor een paar euro de dna-code van ieder individu te verzamelen. De vraag is echter: wat moeten we met al die ongerichte screening? Wie krijgt toegang tot deze informatie? Terecht vraagt Galjaard zich af: wie beschermt het recht om niet te weten?

Bovendien doet zich een opvallende paradox voor: naarmate de data zich ophopen, neemt de onzekerheid toe. Meer gegevens betekent meer mogelijke verbanden en daardoor komen bestaande zekerheden op de helling te staan. Een treffend voorbeeld geeft hoogleraar biologische ontwikkelingspsychologie Chantal Kemner. Zij memoreert dat onderzoekers er ooit van overtuigd waren dat binnen enkele jaren zou worden ontdekt welk gen autisme kan veroorzaken. Inmiddels gelooft niemand meer in een speciaal autisme-gen. De aandoening heeft waarschijnlijk te maken met een toevallige combinatie van een groot aantal veel voorkomende genen, of juist door een incidentele, voor elk individu relatief unieke genetische verandering.

Dat genen een stuk complexer zijn dan gedacht, is ook de strekking van de bijdrage van Koen Verhoeven over epigenetica: ‘Het idee was altijd dat er tussen generaties alleen genen worden geërfd, en geen informatie over ervaringen of omstandigheden die het individu tijdens zijn leven heeft meegemaakt. Maar met epi­genetica is het anders. Ouders geven niet alleen hun genen door, maar ook welke genen aan of uit staan. Nakomelingen beginnen dan dus niet helemaal met een schone lei, en dit hangt af van de specifieke omgevingsomstandigheden van hun ouders.’

Hoe meer de exacte wetenschap te weten komt, hoe genuanceerder vaak het beeld. Kemner en Verhoeven laten het zien: eenduidige relaties tussen oorzaak en gevolg maken plaats voor veelvormigheid en nuance. Het idee dat genotype A altijd tot fenotype B leidt, is in feite achterhaald. Hetzelfde geldt voor de ontwikkeling van het klimaat op aarde, de organisatie van een ecosysteem of de beweging van moleculen: alles is een complex samenspel van factoren.

Voor het onderzoek heeft dat natuurlijk praktische gevolgen. Zo worden grenzen tussen verschillende wetenschappen in toenemende mate geslecht. Sterker nog, volgens wiskundige Johan van Benthem zijn oude scheidslijnen ‘verdampt’. Zijn onderzoek draait thans om ‘een nieuw fundamenteel begrip van informatie, communicatie, en interactie – en daaraan gepaard: taal, intelligentie, cognitie, en spel’. Die toenemende complexiteit is bovenal een intellectuele uitdaging: bètawetenschappers moeten niet alleen op microniveau kijken, maar tegelijkertijd naar grote verbanden zoeken.

Dat is aan de deelnemers aan onze enquête bij uitstek besteed. Wetenschap is een intellectuele oefening waaraan veel bevrediging wordt ontleend. Dat valt af te lezen aan de manier waarop uiteenlopende wetenschappers hun drijfveren belichten. Theoretisch natuurkundige Diederik Roest wordt gemotiveerd door ‘het beantwoorden van existentiële vragen’, maanonderzoeker Wim van Westrenen wil ‘een klein beetje nieuwsgierigheid bevredigen, maar nog veel meer nieuwsgierigheid opwekken’. Bas Edixhoven schrijft: ‘Wiskunde is ook een vorm van kunst.’ Instemmend citeren verschillende onderzoekers vertrekkend knaw-president Robbert Dijkgraaf die graag een lans breekt voor ‘het nut van nutteloos onderzoek’.

Want het lijdt geen twijfel dat de samenleving veel baat heeft bij de bètawetenschappen, maar het idee dat wetenschap een machine is waar aan de ene kant geld in gaat en waar aan de andere kant een – winstgevende – toepassing uit rolt, is veel onderzoekers een gruwel. Natuurlijk wijzen de medici op revolutionaire behandelmethodes die ze uitproberen en leggen fundamentele wetenschappers geduldig uit dat nut en waarde nooit van tevoren vaststaan. Eigenlijk is de vraag ‘wat is de waarde van uw vakgebied voor de samenleving?’ dan ook een beetje beledigend, vinden enkele deelnemers. Het spreekt vanzelf, vinden zij. Dat mag zo zijn, maar in een tijd waarin ‘valorisatie’, ‘topsector’ en ‘kennis, kunde, kassa’ de modewoorden zijn, kan het nooit kwaad het nog eens uit leggen.


Met dank aan Broer Scholtens


Verantwoording

**Wat is de belangrijkste ontwikkeling op uw vakgebied?

Op welke wetenschappelijke doorbraak hoopt u?

Wat is de waarde van uw vakgebied voor de samenleving?

Deze drie vragen legde De Groene Amsterdammer voor aan de top van de Nederlandse bèta-wetenschap. We vroegen alle Spinoza prijswinnaars en alle knaw-leden uit de aardwetenschappen, de biologie, de geneeskunde, de natuur- en sterrenkunde, de scheikunde en de wiskunde. Ook schreven we alle leden van de Jonge Akademie aan, de afdeling van de knaw voor jonge, talentvolle wetenschappers. Ten slotte vroegen we alle onderzoekers die de afgelopen jaren een zogeheten Vidi- of Vici-beurs hebben gekregen om hun veel belovende onderzoeksvoorstellen in de praktijk te brengen.

In totaal gaven 89 onderzoekers een kijkje in de keuken van de wetenschap. Onder hen waren negen aardwetenschappers, 21 biologen, zeventien natuur- en sterrenkundigen, acht scheikundigen, vier technische wetenschappers en negen wiskundigen.

Van micro-organismen tot hemellichamen, van elementaire deeltjes tot opgekweekte organen: de oogst aan onderwerpen is enorm. Om vat te krijgen op deze dwarsdoorsnede van het bèta-onderzoek kregen we hulp van een begeleidingscommissie bestaande uit Louise Vet (directeur van het Nederlands Instituut voor Ecologie), Appy Sluijs (paleoklimatoloog aan de Universiteit Utrecht) en Eppo Bruins (directeur Technologiestichting STW).Wetenschapsjournalist Broer Scholtens adviseerde bij het schrijven van de stukken. Aan alle vier zijn we veel dank verschuldigd.

In deze special treft u de resultaten van het Groene-onderzoek: een analyse van de datarevolutie die het wetenschappelijk onderzoek de afgelopen jaren ingrijpend heeft veranderd, de tien meest ingrijpende wetenschappelijke doorbraken en een verhaal over de grote open vragen. De komende maanden gaan we in verschillende stukken verder op de materie in.

De bijdragen vormen tezamen een staalkaart van waar het in de bèta-wetenschap op dit moment om draait. Wij presenteren u een selectie en nodigen u van harte uit om verder te lezen op groene.nl/beta, waar alle bijdragen in hun geheel te vinden zijn.**

Medium banner10 boven

Beeld: Mark Thiessen / National Geographic Society / Corbis