Koralen en hersencellen

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad van zaterdag 28 april 2012

                                                Bron: Robert Sinclair, Okinawa Institute of Science and Technology

                                           De opgemeten vertakkingen in een hersencel (rood) en een stuk koraal uit Curacao (groen) 

                                         tonen dat vertakkingen in platte vlakken liggen. (De blauwe figuur is een referentiefiguur die 

                                         het gemakkelijker maakt om de andere twee figuren ruimtelijk te interpreteren.)

Bekijk koralen, planten, longen, hersencellen of haarvaatjes, en je ziet prachtige vertakte structuren. Oplettende waarnemers hebben al vaker opgemerkt dat de vertakkingen in platte vlakken lijken te liggen. Die platte vlakken kunnen trouwens wel willekeurige oriëntaties ten opzichte van elkaar aannemen. Niemand had deze waarnemingen echter nog wetenschappelijk bevestigd, laat staan verklaard.

In het tijdschrift PLOS Computational Biology van april 2012 hebben wetenschappers van de Universiteit van Amsterdam en het Japanse Okinawa Institute of Science and Technology twee vliegen in een klap geslagen. Ze maten de hoeken in de vertakkingen van het koraal Madracis mirabilis uit Curacao en ze deden hetzelfde bij de vertakkingen van acht typen hersencellen. Deze metingen bevestigen het vermoeden dat de natuur een voorkeur heeft voor vertakkingen in platte vlakken. In hetzelfde artikel leverden de wetenschappers hiervoor ook een wiskundig bewijs.

Wiskundigen die vertakkingsproblemen bestuderen, werken met optimale vertakkingsbomen waarbij opeenvolgende takken alleen maar bepaalde hoeken met elkaar kunnen maken (Steiner-bomen). Alleen bij die bepaalde hoeken is een wiskundige vertakkingboom optimaal. Maar de levende natuur laat zien dat koralen en hersencellen optimale vertakkingsbomen vormen waarbij er geen enkel verband meer is tussen twee opeenvolgende hoeken. “Juist daardoor krijgt een koraal of een hersencel meer vrijheden om aan uiteenlopende biologische eisen te voldoen”, zegt Jaap Kaandorp van de Universiteit van Amsterdam, die samen met zijn promovendus Nol Chindapol bij het onderzoek betrokken was. 

  

                                  Het opgemeten koraal Madracis mirabilis uit Curacao levert het groene plaatje 

                                  uit de vorige illustratie.

                                                   Bron: Louis van der Laan (Zoölogisch Museum Amsterdam)

Dat de natuur structuren bouwt met zo min mogelijk energie en materiaal, ligt voor de hand. Maar meestal stelt een biologisch systeem nog andere eisen. Zo moet een koraal tegelijkertijd ook voldoende licht en voedsel krijgen. Vaak zijn niet alle biologische eisen bekend waaraan een organisme moet voldoen en dan wordt het voor de wetenschappers moeilijk rekenen. Ze toonden echter aan dat zelfs als niet alle biologische eisen bekend zijn, de eis dat de totale lengte van alle takken zo kort mogelijk moet zijn, automatisch leidt tot vertakkingen in platte vlakken. Koralen en hersencellen mogen biologisch gezien dan wel niets met elkaar te maken hebben, wiskundig gezien blijken ze wel degelijk familie.