Eenvoud en symmetrie: Ard Louis' doorbraak in evolutieonderzoek
EW Magazine Nieuwsbrief, 25-12-2024, door Joppe GloerichArd Louis
Ard A. Louis
theoretisch
natuurkundige
"Telkens dacht ik: waarom heeft niemand dit eerder bedacht?"
Wie lang in Oxford verblijft, gaat zich vanzelf onderdeel voelen van de geschiedenis. Al bijna duizend jaar wordt er wetenschap bedreven in de qua inwonertal bescheiden stad, 60 kilometer ten westen van Londen. Ard Louis voelt het gewicht ervan, ook na twintig jaar. "Al die oude gebouwen, waar zo veel mensen over belangrijke dingen hebben nagedacht, zoiets blijft emotioneren."
Nederig stemt deze omgeving ook, zegt de hoogleraar theoretische natuurkunde. "Je realiseert je dat het voor een wetenschapper heel moeilijk is, iets nieuws te ontdekken. Het kost veel tijd om ergens echt deskundig in te worden en je kunt in je leven hooguit aan een paar dingen iets wezenlijks toevoegen."
Symmetrie als nieuw inzicht in de evolutie
Maar dat is hem wel gelukt. Louis is, zo schreef The New York Times na verschijning van een paper dat de Nederlander twee jaar geleden publiceerde, de man achter 'een nieuwe natuurwet'. Hij kraakte een van de geheimen van de evolutie, namelijk de alomtegenwoordigheid van symmetrie in de natuur.
Kijk naar de nerven van een eikenblad, naar de armen van een zeester of de vleugels van een vlinder: symmetrie zit overal. Maar waarom de evolutie die neiging heeft tot spiegelen - zowel op moleculair niveau als in het uiterlijk van organismen die we met het blote oog zien - was lange tijd een raadsel.
Een ontdekking met kippenvelmomenten
Louis oogt jong en praat snel, in een Nederlands waarin naast Engelse ook Franse klanken doorschemeren. Hij zit in een leunstoel op zijn overvolle werkkamer. Achter zich een met formules volgekalkt krijtbord, waarvan de krijtjes zoek zijn. "Het inzicht kwam een jaar of tien geleden. En toen ik het eenmaal zag, was dat ongelooflijk. Telkens dacht ik: 'Waarom heeft niemand dit eerder bedacht?' We hadden nog heel veel wiskunde nodig om de theorie te laten werken, om bewijs te leveren. Telkens probeerden we onze eigen theorie te breken, maar dat ging niet. De theorie was robuust. Toen ik dat besefte, kreeg ik echt kippenvel. Ik liep naar buiten en zag het ineens overal. Het voelt alsof je dieper in de natuur kijkt dan eigenlijk zou mogen. Alsof zich een geheim openbaart."
Eerst een paar stappen terug. Louis volgde een slingerend pad naar de top van de wetenschap. Zijn jeugd bracht hij door in Gabon, dat Franstalig is, wat Louis' accent verklaart. Hij emigreerde er als tweejarige naartoe met zijn ouders, die op een zendelingenschool gingen werken. Tot zijn zestiende woonde hij in het Centraal-Afrikaanse land, in een dorpje omgeven door de jungle. Als huisdier had het gezin een verweesde chimpansee, Bertje.
Zijn remigratie naar Nederland, waar hij in Utrecht natuurkunde ging studeren, was een bevreemdende ervaring. "Ik begreep weinig van het land, was niet goed aangepast. Later besefte ik dat het soms maar beter is als je je in het denken niet helemaal aanpast aan de dominante cultuur. Het heeft me een beetje tegendraads gemaakt."
De eenvoud en kracht van symmetrie
Wel ervoer hij als student hoe bijzonder het is, dat je dankzij de wiskunde iets nieuws kunt ontdekken in de natuur. "Neem de ontdekking van de antimaterie, door Paul Dirac in 1928. Je had toen al Einsteins speciale relativiteitstheorie en de Lorentztransformaties, die het gedrag beschrijven van dingen die heel snel gaan. En later had je Schrödinger, die de kwantummechanica beschreef, heel kleine deeltjes dus. Nou, toen dacht Dirac: ik neem een heel klein deeltje, een elektron, en dat laat ik heel snel gaan. Dan moet ik dus die twee werelden combineren. Maar toen hij dat wiskundig ging opschrijven, bleek dat hij een nog onbekend deeltje moest toevoegen aan zijn vergelijking, om de wiskunde te laten werken. En warempel, een paar jaar later werd dat deeltje ook ontdekt: het positron, het antideeltje van het elektron."
"Toen ik dat hoorde als student, dacht ik: dat kan niet waar zijn. Het kan niet zo zijn dat we antimaterie gaan toevoegen aan de natuur, omdat het anders niet uitkomt. Zoiets is bijna arrogant. Dus toen heb ik een hele nacht zitten werken om iets te zoeken wat Dirac had gemist. Tja, de hybris van de jeugd. Toen het ochtend was, besefte ik dat je er niet omheen kunt. En toen overviel me de totale schoonheid.
Ik liep door de straten van Utrecht en wilde iedereen vastgrijpen: weet je wel dat je antimaterie krijgt als je Einstein en Schrödinger combineert? Datzelfde gevoel had ik met die symmetrie. Je kunt het bijna niet geloven, maar het blijkt echt waar te zijn."
Symmetrie: de eenvoudige oplossing van de natuur
Louis baanbrekende ontdekking is bijzonder in al zijn eenvoud. Waarom de natuur uitpuilt van de symmetrie - van de eiwitten in onze lichaamscellen tot de kop van een tijger? Wel, omdat dat makkelijker is. Symmetrische vormen maken kost de natuur minder moeite.
Een dieper begrip van de theorie vraagt wel behoorlijk wat voorstellingsvermogen. "Stel, ik wil jou een ingewikkeld tegelpatroon laten leggen. Dan moet ik je daar een lange instructie voor geven, die tegel daar en die tegel daar. Maar als ik jou vraag: leg een tegel neer, de volgende ernaast en herhaal dat honderd keer, is dat een heel eenvoudige instructie. En er ontstaat een mooi regelmatig patroon."
Zo werkt het ook op genetisch niveau. Een organisme, legt Louis uit, is als een verzameling machientjes. Die bestaan uit eiwitten die aan elkaar vastplakken en zo complexere structuren vormen. Bij dat vastplakken volgen ze algoritmes en er bestaat een sterke voorkeur voor eenvoudige algoritmes, die tot symmetrische machientjes leiden.
En wat geldt voor eiwitten, geldt eigenlijk overal in de natuur: symmetrie is overal aanwezig. De evolutie is niet zomaar een worp met de dobbelstenen, maar een worp met dobbelstenen die een voorkeur hebben voor symmetrie.
Symmetrie als aanvulling op Darwins evolutietheorie
Louis' ontdekking is te zien als een aanvulling op de evolutietheorie van Charles Darwin. Het gaat daarbij om het fenotype, het geheel van iemands waarneembare eigenschappen. "Darwin was vooral geïnteresseerd in natuurlijke selectie. Natuurlijke selectie kan goed beschrijven waarom sommige fenotypen dominant worden. Maar niet waarom iemand die fenotypen eigenlijk heeft. Nou, ik heb dus laten zien dat het komt doordat symmetrische eiwitcomplexen voor de natuur veel makkelijker zijn om te maken. En die tref je dus het meest aan."
Hoog tijd voor een wandeling langs Oxfords colleges, veelal gebouwd in overweldigende gotische en barokke stijl. De grootste, Christ Church uit 1946, was het decor van de Harry Potter-films. Dertien latere Britse premiers studeerden er, het college bulkt nog altijd van het oud geld.
Louis wijst op twee torens in licht kalksteen. "Dat is de kapel van All Souls, een prestigieus college. Er wordt wel beweerd dat hier de term 'ivoren toren' vandaan komt, vanwege de academici die uit de hoogte neerkeken op de buitenwereld."
De charme van Oxford: tussen historie en inspiratie
Af en toe schuift hij nog weleens aan tussen de andere hoogleraren in een van de Dining Halls. Lange tafels onder hoge gewelven, waar in toga geklede geleerden hun toch al aanzienlijke eruditie vergroten. "Vooral de combination rooms na afloop van zo'n maaltijd zijn interessant. Dan trek je je terug in kleiner gezelschap, met academici uit allerlei disciplines en komen er port, fruit en kaas langs. Professoren in Oxford zijn heel bedreven in precies genoeg van iets weten om ergens over te kunnen meepraten."
Als hij zich écht moet concentreren, neemt Louis graag zijn toevlucht tot een van de meest iconische plekken van de stad. De Radcliffe Camera, een rond bibliotheekgebouw uit 1749, ligt als een gracieus fort in het academische hart van de stad. "Zie je die bovenste rij ramen? Daarachter kun je geweldig goed werken."
Niet alleen het academische erfgoed, ook de literatuurgeschiedenis ligt voor het oprapen. Lewis Carroll, lang woonachtig in Oxford, bedacht hier tijdens een vaartochtje in 1862 zijn klassieker Alice's Adventures in Wonderland. Bij een deur met fraai houtsnijwerk houdt Louis halt. "Door deze deur liet C.S. Lewis zich inspireren voor zijn boek The Chronicles of Narnia."
Wetenschap en geloof: harmonie in de denkwereld van Ard Louis
De gelovige Nederlandse fysicus voelt zich vertrouwd bij de denkwereld van de Britse schrijver, voor wie het christendom een belangrijke leidraad was. Louis praat graag over hoe twee hoedanigheden in hem zijn verenigd: de christen en de wetenschapper. Zo was hij een van de makers van de groots opgezette filosofische documentaireserie Why Are We Here? En hij mocht in de documentaire The Story of God aan Hollywood-ster Morgan Freeman uitleggen waarom de prachtige complexiteit van de natuur zijn geloof in het bestaan van een hogere macht bekrachtigt. "Dat geldt ook voor die ontdekking over symmetrie. Die gaf me een gevoel iets van een wonder te aanschouwen. Dat Hij zoiets moois kan maken."
Louis was ook geruime tijd betrokken bij BioLogos, een christelijke belangenorganisatie die de opvatting onderschrijft dat God de wereld heeft geschapen met de evolutie van verschillende soorten als mechanisme (zie het volgende artikel onder nummer 8. Stichting BioLogos).
De zoektocht naar schoonheid in wetenschap en natuurkunde
Zeker, zegt hij, de wetenschap blijft ons veel moois brengen. "Jouw telefoon bevat meer technologie dan de computers die de Apollo-missie naar de maan brachten. De wetenschap heeft zo veel gebracht, dat mensen zijn gaan denken dat wetenschap ook de allergrootste vragen kan beantwoorden. Wetenschap helpt ons, maar kan niks zeggen over goed en kwaad, of over wat een goed leven is. Dat is geen fout van de wetenschap, ze is er simpelweg niet voor gecreëerd."
Schoonheid, dat terugkerende begrip, is iets wat hem werkelijk tot geestdrift brengt. Wat maakt natuurkunde mooi? Waar zit de elegantie van algebra? "Nobelprijswinnaar en Oxford-collega Roger Penrose vond de formule eiπ = -1 de allermooiste en velen met hem. Dat zit in de combinatie van concepten, die niets met elkaar te maken hebben. Het zijn getallen die onder heel andere omstandigheden voorkomen in de natuur."
'Weet je, er is groot internationaal onderzoek gedaan naar de geloofsbeleving van wetenschappers. Heel veel ondervraagden begonnen uit zichzelf over schoonheid, al verschilden de meningen over wat dat dan precies is. Maar de mate waarin een onderzoeker wordt gemotiveerd door het streven naar schoonheid, bleek sterk samen te hangen met de omvang van zijn succes als wetenschapper. Hopelijk betekent dit dat ik een goede wetenschapper ben!"
Ard Louis (Utrecht, 1968). Studeerde in Utrecht en promoveerde aan Cornell University. Hij werkte daarna onder meer in Cambridge en is nu hoogleraar theoretische fysica aan de University of Oxford. Hij is getrouwd met een Amerikaanse en heeft met haar twee kinderen.
terug naar Godsdienst en wetenschap
terug naar het weblog
^