Oorsprongsvragen voor de computer

Het Origins Center richt zich op vragen over de oorsprong van het universum, de aarde en het leven. Dus waarom zijn er wiskundigen en computerwetenschappers bij betrokken? Simpel: om te helpen bij het leggen van verbanden in informatie die verdeeld is over grote schalen van ruimte en tijd, van cellen naar sterrenstelsels en van seconden tot miljoenen jaren. Deel zes in een serie over het Origins Center.

Hoe en wanneer begon het leven? Daar is geen eenvoudig antwoord op te geven. We weten dat het kort na de vorming van de aarde is ontstaan. Maar sommige bouwstenen vonden hun oorsprong al in de protoplanetaire schijf waaruit ons zonnestelsel ontstond. Dus allerlei processen, van moleculaire interacties tot de evolutie van de Melkweg waren er bij betrokken.

‘Het verbinden van al die verschillende schalen voor analyse en simulaties is een enorme uitdaging’, zegt computerwetenschapper Jos Roerdink. Een voorbeeld: sterrenkundige Inga Kamp wil planeetvorming in protoplanetaire schijven simuleren. Dit proces vindt plaats op een zeer lange tijdsschaal en de schijven zijn reusachtig groot. Daar staat tegenover dat leven op onze planeet op moleculaire schaal is ontstaan, ergens in een kuiltje of poeltje op aarde, via snel verlopende chemische processen.

Uitdaging

‘Zowel de wiskunde als de computerwetenschap heeft gereedschappen voor dit soort multi-schaal analyses’, zegt Roerdink. Hij geeft een voorbeeld uit zijn eigen ervaring met hersenonderzoek. ‘Je kunt grote hersenstructuren visualiseren met technieken als MRI, maar er is ook het niveau van individuele hersencellen en de iets grotere schaal van netwerken van hersencellen.’ Een techniek zoals het EEG (elektro-encefalogram) registreert de elektrische activiteit van hersengebieden en is heel nauwkeurig in de tijd, maar niet in de locatie. ‘Voor ons begrip van het functioneren van de hersenen is het van belang dat we al die verschillende schalen kunnen verbinden om te zien wat er precies gebeurt.‘

Vragen rond de oorsprong van het leven vragen om een vergelijkbare aanpak, maar dan op een ambitieuzere schaal. ‘Het is een uitdaging, maar werk dat wij eerder hebben gedaan geeft ons een goed idee hoe we de eerste stappen moeten zetten.’

Een heel ander soort uitdaging vormen de verschillende achtergronden van de betrokken onderzoekers. Ook hierin kan Roerdink bouwen op ervaring die hij heeft opgedaan: ‘Ik heb gewerkt met sterrenkundigen, biologen, artsen en nog meer, dus ik heb hun talen leren spreken.’ En zijn eigen wetenschappelijke taal, de wiskunde, is natuurlijk universeel.

Simulaties van het jonge zonnestelsel of de omstandigheden op aarde waaronder het eerste leven is ontstaan zijn onderwerpen die Roerdink en zijn collega’s willen onderzoeken. Er is allerhande simulatiesoftware ontwikkeld in zowel de sterrenkunde als de biologie, maar de eisen die het Origins Center stelt gaan verder dan wat er al bestaat. ‘Wanneer je interacties simuleert neemt de complexiteit exponentieel toe wanneer het aantal objecten of parameters groter wordt.’ Met alleen meer rekenkracht kom je er dan niet meer uit. ‘We moeten hiervoor echt nieuwe algoritmes ontwikkelen.

Big Data

En dan is er nog de hoeveelheid gegevens. Roerdink is mede-voorzitter van het centrum voor Data Science and Systems Complexity (DSSC), dat is opgezet om de problemen op te lossen die ontstaan door de combinatie van grote gegevensbestanden (Big Data) en complexe systemen. ‘Hierdoor hebben we al heel wat ervaring in het werken met grote, heterogene datasets.’

Maar Roerdink is niet bij het project betrokken geraakt om alleen maar andere te helpen. ‘Mijn onderzoek richt zich op visualisatie en heeft betrekking op allerlei toepassingen binnen en buiten het onderzoek. Ik zoek dan ook altijd naar oplossingen die breed toepasbaar zijn, ook in andere projecten. We hebben bijvoorbeeld een methode ontwikkeld om neurale netwerken te visualiseren en ontdekten later dat we een vergelijkbare techniek konden gebruiken om hetzelfde te doen met genetische netwerken.’ Zo krijgt zijn werk aan oorsprongsvragen een geheel eigen leven.

Dit is de zesde en laatste aflevering in een serie over RUG-onderzoek naar de oorsprong van het universum, de aarde en het leven.
Deel 1: Nieuw centrum onderzoekt oorsprong van leven en het universum
Deel 2: Evoluerende moleculen tonen hoe leven werkt
Deel 3: Leven bouwen via synthetische biologie
Deel 4: De gebroken symmetrie van het leven
Deel 5: Leven tussen de sterren