De wiskunde achter de schoonheid van de natuur

Alan Turing was een fenomenale wiskundige en codekraker. Minder bekend is zijn bijdrage aan de biologie: de laatste jaren van zijn leven wijdde hij aan het ontwikkelen van wiskundige theorieën om de patronen te beschrijven die we in de natuur tegenkomen.

This post is also available in Engels.

We leven in een wereld vol vormen en patronen. Van de stippen van cheeta’s tot de strepen van zebra’s: patronen zijn zowel prachtig als complex en hoe ze ontstaan was al decennia een geheim. Jarenlang konden biologen niet achter dit geheim komen doordat ze de patronen niet op moleculair niveau konden onderzoeken. De doorbraak vond plaats in 1952, en die kwam niet van een bioloog maar van een wiskundige: Alan Turing.

Wie was Alan Turing?

Alan Turing was een Britse wiskundige en logicus die belangrijke bijdragen leverde aan de wiskunde, logica, wiskundige biologie en de onderzoeksvelden die we nu kennen als informatica en kunstmatige intelligentie. Het meest bekend is hij van het ontcijferen van Duitse berichten die gemaakt waren door hun Enigma machine in de Tweede Wereldoorlog.

De wisselwerking tussen de natuur en wiskunde

De grote wiskundige dacht veel na over de relatie tussen de natuur en wiskunde; in het laatste artikel voor zijn dood beschreef hij de fundamentele kern van de wiskundige biologie. Dit deed hij door wiskundige formules te maken die beschrijven hoe de mechanismen van de natuur werken bij het ontstaan van patronen.

Hoe ontstaan patronen

In zijn artikel stelde Turing voor dat veelvoorkomende patronen in biologische systemen ontstaan door een tweetal morfogenen (chemicaliën die samen bewegen en op elkaar inwerken), die samenwerken als activator en inhibitor (remmer). Dr. Natasha Ellison (onderzoeker aan Sheffield University) legt dit fenomeen zo uit: “Stel je voor dat de vacht van een cheeta een droog bos is waarin overal chemische brandjes (de activators) aangestoken worden. Tegelijkertijd zijn er brandweer-chemicaliën (de inhibitors) hard aan het werk om de brandjes te omsingelen en te blussen. Uiteindelijk blijven er verkoolde stukken – of stippen – achter in het harige landschap.
Wat belangrijk is voor het ontstaan van patronen, is dat de snelheid van de brandblussende inhibitors sneller is dan die van de activators die de brandjes aansteken. Als de inhibitors te langzaam zijn, zal de brand overal uitslaan en krijg je een vacht van één enkele kleur.”
Met de hulp van moderne computers hebben wetenschappers eindelijk laten zien dat Turings formules gebruikt kunnen worden om tweedimensionale patronen uit de natuur na te bootsen, zoals vingerafdrukken, en zelfs nog complexere systemen zoals mosselbanken.

Helaas leefde Alan Turing niet lang genoeg om de erkenning van zijn werk mee te maken. Nadat hij zijn homoseksualiteit in 1952 toegaf, toen nog illegaal, werd hij vervolgd. Desalniettemin is zijn manier van denken, het gebruiken van wiskunde om de biologie te begrijpen, nog steeds uitermate belangrijk. Om complexe biologische systemen te begrijpen, van cellen tot hele lichamen, is het niet genoeg om de betrokken individuele moleculen te ontdekken: we moeten begrijpen hoe deze moleculen inspelen op elkaar en op biologische en biochemische processen. Wiskundige modellen helpen onderzoekers om theorieën te ontwikkelen over hoe deze regulerende processen leiden tot het ontstaan van ziektes en om te testen of nieuwe moleculen kunnen werken als medicijn.

Auteur: Francesca

Buddy: Rebecca

Editor: Ellen

Vertaler: Wessel

Editor vertaling: Marlijn

Afbeelding van Hari Nandakumar via Unsplash

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.

Categories