De overeenkomst tussen DNA en bliksem

Wetenschappers uit sterk uiteenlopende vakgebieden komen van 7 tot 11 november bijeen in het Lorentz Center (Leiden) voor een workshop over patroonvorming. Een hartstilstand, een bliksemschicht en het voortplanten van een bacterie hebben veel gemeenschappelijk. Patronen ontstaan en verdwijnen vaak volgens vaste wetmatigheden. Dat geldt voor het vormen of het wegspoelen van zandbanken, maar ook voor de overgang van een vast hartritme naar onregelmatig bonken of het vertakken van een bliksem.

Wetenschappers uit sterk uiteenlopende vakgebieden komen van 7 tot 11 november bijeen in het Lorentz Center (Leiden) voor een workshop over patroonvorming.

Een hartstilstand, een bliksemschicht en het voortplanten van een bacterie hebben veel gemeenschappelijk. Patronen ontstaan en verdwijnen vaak volgens vaste wetmatigheden. Dat geldt voor het vormen of het wegspoelen van zandbanken, maar ook voor de overgang van een vast hartritme naar onregelmatig bonken of het vertakken van een bliksem.

Natuurkundigen en wiskundigen komen in de Leidse workshop samen om de onderliggende wetmatigheid van dit soort patronen te bestuderen. Patronen ontstaan vaak doordat verschillende processen elkaar beïnvloeden. Bij het bestuderen gaat het daarom om de samenhang van processen, die elkaar tegenwerken of versterken. Het helpt daarbij niet om een situatie te ontrafelen in afzonderlijke fundamentele processen, zoals de wetenschap eeuwenlang gedaan heeft. Voor een beter begrip moeten juist verschillende bouwstenen worden samengebracht, en moet bestudeerd worden hoe die op elkaar inwerken. Het geheel is wezenlijk anders dan de som der delen. Daarom is het lastig om de vorming van patronen te doorgronden.

Tijdens de workshop zal bijvoorbeeld worden gesproken over de regelmaat van het hartritme. Soms gaat het mis in ons hart, en wekt het hart zelf a-ritmische patronen op. Deze zogeheten spiraalgolven voel je als hartkloppingen. Die spiraalgolven zijn eerst nog coherent, maar ze kunnen overgaan in een chaotisch gedrag, met meestal de dood als gevolg.

Patronen worden op heel andere schaal gevormd bij het oprollen van DNA. De meterslange DNA-streng wordt opgewonden in verschillende tussenstadia. En het opwekken van patronen blijkt ook belangrijk bij het delen van een cel. Bepaalde patronen zorgen ervoor dat de cel precies in het midden wordt ingesnoerd, zodat er twee gelijke helften ontstaan.

Andere patronen ontstaan bij vonkvorming in de bovenlaag van de atmosfeer: een spectaculair verschijnsel waarbij een reusachtige korenschoof van licht tientallen kilometers boven een onweerswolk uitgroeit. In een brede bundel zoeken tienduizenden individuele ontladingen parallel aan elkaar hun weg. Door combinatie van computersimulaties, laboratoriumproeven en nieuwe wiskundige technieken zijn hier recent veel vorderingen gemaakt.

De afgelopen jaren zijn verschillende nieuwe wiskundige technieken ontwikkeld om dit soort complexe situaties te analyseren. Die technieken zijn bruikbaar is sterk verschillende situaties. De rekenmethoden die fysisch oceanografen gebruiken om de vorming van zandbanken te bestuderen, blijken verrassend veel te lijken op de vergelijkingen die vijftig kilometer verderop worden opgelost door een natuurkundige die de bliksem bestudeert. Soms gebruiken ze ook dezelfde software om hun problemen op te lossen. Dat is een belangrijke reden waarom onderzoekers uit uiteenlopende vakgebieden samenkomen in één workshop. Het is de bedoeling dat de wetenschappers elkaar vinden in de achterliggende mechanismen, rekentechnieken en experimenten.

De workshop is daarmee ook een startschot voor het NWO-programma 'Dynamics of Patterns', waarin wetenschappers uit verschillende vakgebieden complexe patroonvorming zullen bestuderen.

In de workshops van het Lorentz Center komen vooraanstaande wetenschappers uit binnen- en buitenland samen om in gezamenlijke afzondering te werken aan een actueel wetenschappelijk probleem. Discussie en interactie staan centraal in de workshops. De samenballing van uiteenlopende kennis levert vaak in korte tijd een grote vooruitgang op.

Programma van de workshop

Foto's van patronen in duinen