Boeken

Friday, February 8, 2008

Het dutje van de olifant

Waarom wordt een mens gemiddeld niet ouder dan honderd jaar? En waarom slapen mensen gemiddeld acht uur? Natuurkundige Geoffrey West bestudeert vragen waarop de traditionele biologie volgens hem geen kwantitatief antwoord heeft.

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad, 31 maart 2007

Begin 2007 publiceerde hij de eerste kwantitatieve slaaptheorie, die laat zien waarom een mens gemiddeld 8 uur slaapt, een muis maar liefst 14 uur en een olifant slechts 3,5 uur (PNAS, 16 januari). Hij heeft ook een antwoord gevonden op de vraag waarom een mens gemiddeld niet ouder wordt dan honderd jaar. Sommige biologen doen schamper over zijn werk, andere bewieroken hem. Het Amerikaanse weekblad Time koos hem in 2006 tot een van de honderd invloedrijkste mensen in de wereld – een van de zestien wetenschappers en denkers op die lijst. ‘Een meester van de complexiteit’, schreef het tijdschrift.

De Britse natuurkundige Geoffrey West, nu 66, zat begin jaren negentig nog helemaal in de hoge-energiefysica. Bij het Los Alamos National Laboratory in de Verenigde Staten bestudeerde hij de kleinste deeltjes in de natuur. Hij was iemand van de quarks en de fundamentele natuurkrachten, en zijn hoop was in die tijd gevestigd op de bouw van een nieuwe Amerikaanse deeltjesversneller: de Superconducting Super Collider. Daarmee wilden hij en zijn collega’s de bouwstenen van de natuur nog verder uit elkaar te rafelen. Maar de Amerikaanse regering blies het plan in 1993 af. Te duur. Natuurkunde? Dat was iets van de 19e en 20e eeuw. De 21e eeuw zou voor de biologie zijn. Dat was de teneur.

Ja, West beaamt dat de biologie de wetenschap van de 21e eeuw is – “sorry, voor de natuurkundigen” – maar de achterliggende gedachte als zou het afgelopen zijn met de natuurkunde maakt hem nog steeds zichtbaar kwaad. “De biologie wordt alleen een krachtige wetenschap als ze iets van de manier van denken uit de fysica overneemt. Als de fysica in de biologie wordt toegepast. Alleen zo kan ze ooit een kwantitatieve, wiskundig geformuleerde wetenschap worden die voorspellingen doet. Over evolutie, over veroudering, over bewustzijn, over kanker.”

West was destijds, begin jaren negentig, in de vijftig. Hij kreeg grijze haren. Rimpels rukten op. Zijn geheugen begon hem af en toe in de steek te laten. Hij raakte geïntrigeerd door veroudering, en dook in de biologische literatuur. “Ik las over allerlei theorieën, maar ik ben geen bioloog tegengekomen die zich afvroeg wat ik me afvroeg: Waarom worden mensen gemiddeld niet ouder dan honderd jaar? Waarom is dat getal niet duizend, of tien?”
En dat gold ook voor andere vragen naar hoeveelheden in de biologie: Waarom slaapt een mens gemiddeld acht uur? Hoeveel bomen van een bepaalde grootte staan er in een bos? Hoeveel RNA-moleculen zitten er in een cel?

Hersenschade
Door het afblazen van de Amerikaanse deeltjesversneller en door vragen over zijn eigen ouder wordende lichaam, rolde hij van de natuurkunde in de biologie. En nu ligt er dan de eerste kwantitatieve theorie om te begrijpen waarom zoogdieren slapen en hoe lang ze slapen. De vraag waarom zoogdieren slapen is nog steeds onbeantwoord. Slaap is nodig om spieren en organen te laten herstellen, zegt de ene hypothese. Andere theorieën veronderstellen dat de hersenen in de slaap interne cellulaire schade repareren, of dat ze de overdag opgedane ervaringen herkauwen en netjes rangschikken.

West en zijn collega Van Savage gingen uit van een observatie. Welke hypothese over slaap ook waar is, in ieder geval hangen alle onderliggende biologische processen af van de stofwisselingssnelheid: de energie die cellen per seconde verbruiken. Dat blijkt de belangrijkste biologische grootheid voor een organisme te zijn. Van alle organen in het lichaam, zijn de hersenen de grootverbruikers. Van het honderd-watt energieverbruik bij een persoon in rust, neemt het hoofd ongeveer twintig watt voor zijn rekening, maar liefst eenvijfde deel dus. West en Savage drukten processen als hersencelreparatie en hersencelreorganisatie kwantitatief uit in de stofwisselingssnelheid van de hersenen. Stel dat de hersenen slapen om interne schade te repareren, dan moeten ze langer slapen naarmate er meer schade is.

De stofwisselingssnelheid van de hersenen van een zoogdiersoort is weer gerelateerd aan zijn hersenmassa. Zo werd de slaaptijd gerelateerd aan de stofwisselingssnelheid van de hersenen. Het model voorspelt dat de verhouding tussen slaaptijd en waaktijd van een zoogdiersoort afneemt met de hersenenmassa tot de macht ¼. Dat betekent dat bij een zestien maal zo grote gemiddelde hersenmassa van een soort, de verhouding tussen slaap- en waaktijd halveert. Concreet zegt de theorie dat muizen langer slapen dan mensen omdat ze een hogere stofwisselingssnelheid per gram hebben dan mensen. Mensen hebben op hun beurt weer een hogere stofwisselingssnelheid per gram dan olifanten. Vandaar dat olifanten met minder slaap toe kunnen dan mensen. Kwalitatief was dit idee al eerder geformuleerd, maar kwantitatief niet.

Data van 96 zoogdiersoorten komen overeen met de voorspellingen van de theorie. De eerlijkheid gebiedt wel te zeggen dat deze gegevens breed uitwaaieren rond het voorspelde verband. De theorie neemt dus zeker niet alle subtiliteiten van het slaapmechanisme mee. Bovendien zegt ze alleen iets over verschillen tussen soorten, niet over individuen binnen een soort, en dat zal volgens West ook niet kunnen. Daarvoor is de biologie inderdaad een graadje complexer dan de natuurkunde.
“De belangrijkste conclusie is,” legt West uit, “dat slaaptijd wordt bepaald door de hersenen en niet door de rest van het lichaam. De rest van het lichaam kan zich ook wel met rust overdag herstellen, de hersenen niet, want die zijn steeds bezig. Belangrijke wegen in een stad repareer je ook het liefst ’s nachts, als er niet of nauwelijks verkeer is.”

De veronderstelling dat we slapen om de rest van het lichaam rust te gunnen klopt dus niet volgens de theorie van West. Maar zegt de theorie nu ook waarom de hersenen dan zoveel slaap nodig hebben?

Voorlopig is zowel de hypothese dat we slapen om de hersenen te repareren, als de hypothese dat we slapen om de hersenen te reorganiseren in overeenstemming met het model. Een belangrijke vooruitgang is echter dat het model aangeeft welke experimentele gegevens nodig zijn om uit te rekenen hoe belangrijk reorganisatie en reparatie zijn. Neurobiologen moeten dan meten wat de snelheid is waarmee hersencellen beschadigd raken, wat de benodigde energie voor celreparatie is, wat de reorganisatiesnelheid is, en hoeveel energie er per cel nodig is voor reorganisatie.

Fractaal
Wests slaaptheorie borduurt voort op zijn eerdere biologische werk aan de zogeheten schaalwetten. Eind jaren negentig werd hij beroemd met het oplossen van een mysterie in de biologie, dat bekend is sinds de jaren dertig: het opvallende wiskundige verband tussen het gewicht van een zoogdiersoort en de stofwisselingssnelheid van zijn hele lichaam. De stofwisselingssnelheid van het lichaam neemt toe met het lichaamsgewicht van een zoogdiersoort tot de macht ¾.

Dat volgde uit de waarnemingen. Meer dan een halve eeuw had niemand een verklaring. Tot West op het biologische toneel verscheen. Hij liet zien dat de drie in de teller van deze breuk het gevolg is van de drie ruimtelijke dimensies waarin we leven. De vier in de noemer volgt uit de fractale eigenschappen van het netwerk. De Britse natuurkundige ging uit van vier centrale ideeën, die hij wiskundig formuleerde en waarmee hij de schaalwet afleidde.
Allereerst gebruiken organismen vertakte netwerken om energie en materialen te transporteren, zoals het bloedvatensysteem of de luchtwegen. Ten tweede vertonen deze netwerken een fractalachtige vertakking, die de ruimte driedimensionaal vult. Ten derde: of het nou om muizen, mensen of olifanten gaat, de natuurlijke selectie gebruikt steeds dezelfde fundamentele basiseenheden (zoals de capillaire bloedvaatjes, of het mitochondrion: het energiefabriekje in een cel). En de vierde en belangrijkste aanname is dat organismen zodanig zijn geëvolueerd, dat ze het meest energie-efficiënt opereren. Verander het bloedvatenstelsel van een zoogdier, en het hart zou meer energie nodig hebben om bloed rond te pompen.
Samen met de biologen James Brown en Brian Enquist publiceerde West tussen 1997 en 2002 schaalwetten voor verschillende grootheden – en bijbehorende meetgegevens – voor zoogdiersoorten (in zowel Science als Nature). In de afgelopen vijf jaar liet Enquist in een reeks publicaties in Science en PNAS zien dat stofwisselingssnelheid ook een centrale rol speelt in de biologie van planten en in de ecologie van een bos. En momenteel wordt het werk uitgebreid naar cellulair niveau (PNAS, 13 maart 2007).

Maar de stofwisselingssnelheid bepaalt toch niet een heel organisme? werpen biologen vaak tegen. West: “Ik wil benadrukken dat niet alle biologie zich leent voor dit soort wiskundige analyses. De schalingswetten zijn een venster op de onderliggende fundamentele dynamica, geen biologische theorie van alles. Ze zeggen bijvoorbeeld niets over verschillen binnen een bepaalde soort. Schaalwetten zijn een grofkorrelige beschrijving. Ze beschrijven een eenheid die zich uitstrekt van het moleculaire en cellulaire niveau naar het organisme als geheel, en zelfs naar het niveau van ecosystemen. Essentieel is dat de mathematisch-fysische eigenschappen van de onderliggende netwerken universeel zijn.”

Biologie zal nooit eenzelfde exactheid kennen als de natuurkunde, maar daar hoeven biologen echt niet nerveus van te worden. West: “De diversiteit in de natuur dwingt biologen relatief kleine gebieden te bestuderen, en dat moet ook zo, in ieder geval in delen van het vak.” Met gevoel voor ironie voegt hij er echter aan toe: “Maar af en toe moet iemand voldoende naïef zijn om naar het grote geheel te kijken.”

Levensduur
Zo’n globale observatie is bijvoorbeeld dat alle zoogdiersoorten ruwweg eenzelfde aantal hartslagen in hun leven hebben: anderhalf miljard. Dat duidt op een universeel onderliggend mechanisme dat de levensduur van een organisme bepaalt. En ook dat mechanisme wilde West in een wiskundige formule vatten.
Waar slaaptijd in ieder geval deels gerelateerd is aan het beschadigen en repareren van hersencellen, lijkt de maximale levensduur van een organisme geheel bepaald door het beschadigen en repareren van de cellen in het hele lichaam. West: “Het waren de biologen die een verband legden tussen het werk dat ik aan de stofwisselingssnelheid had gedaan en levensduur. Ze zeiden: ‘realiseer je je niet dat de stofwisselingssnelheid ook de sleutel is om een antwoord te vinden op de vraag waarom een mens honderd kan worden, maar geen duizend?’”

Wat is dan de link? “In elk energietransporterend netwerk gaat energie verloren”, legt West uit. “Daardoor ontstaat celschade in alle delen van je lichaam. Bijvoorbeeld: Door te ademen produceren we zuurstofradicalen, die celonderdelen kunnen beschadigen. In principe kun je berekenen hoeveel schade een organisme in de loop van de tijd oploopt. En we weten ook wel een en ander over de reparatiemechanismen. Voor beide mechanismen kun je vergelijkingen opschrijven. En daaruit volgt dan hoe de maximale levensduur gerelateerd is aan het lichaamsgewicht van een zoogdiersoort. De levensduur schaalt dan met het lichaamsgewicht van een soort tot de macht ¼.”

Stofwisseling moet wel gepaard gaan met schade. En om te blijven leven, moet de schade gerepareerd worden. Dat is het idee dat West wiskundig uitwerkte. “Onze vergelijkingen laten zien dat de maximale levensduur fundamenteel beperkt is. En voor de mens ligt die in de orde van honderd jaar. De poëtische ironie is dat het biologische systeem dat je in leven houdt, tegelijkertijd het systeem is dat je dood inleidt.”

One-night stands
West is sinds 2005 directeur van het Santa Fe Institute (New Mexico, VS), dat, sinds zijn oprichting in 1984, een van de koplopers in de wereld is als het gaat om multidisciplinair onderzoek naar ‘complexe systemen’ – van natuurkunde tot biologie, en van economie tot sociale organisaties zoals steden en bedrijven.

Voor zijn werk aan slaap en veroudering werkte hij jarenlang een dag in de week gedurende zes uur samen met biologen. “Zeker in het begin waren veel van die gesprekken hopeloos. Alsof jij nu Nederlands tegen me zou spreken. Maar uiteindelijk hebben ze ons vooruit geholpen. Het is gemakkelijk voor biologen om te zeggen: ‘Ach, wat hebben die wiskundige vergelijkingen met biologie te maken?’ Aan de andere kant is het gemakkelijk voor fysici om te zeggen: ‘Die biologen bedenken voor elk nieuw verschijnsel weer een nieuwe naam, zonder te zoeken naar de overeenkomsten. Ik ga lekker verder met mijn geïdealiseerde, wiskundige model.’”
“Wat nodig is voor een vruchtbare samenwerking tussen biologen en natuurkundigen,” besluit West, “is een verbintenis zoals een huwelijk. Niet voortdurend one-night stands, maar een ouderwets huwelijk: Ik blijf bij je, zelfs al maak je me soms gek, zelfs al begrijp ik soms niets van wat je zegt, zelfs al ben je soms ontrouw. Die verbintenis is moeilijk, maar alleen zo wordt de biologie van een wetenschap met een kleine ‘w’ een wetenschap met een grote ‘W’.”