211service.com
Kristallen, informatie en de oorsprong van het leven
Kristallen behoren tot de mooiste objecten in het natuurlijke woord. Ze worden goed begrepen, alom gebruikt en zeer bewonderd.
En toch is de manier waarop wetenschappers ze definiëren spectaculair saai. De International Union of Crystallography definieert kristallen als structuren die een diffractiepatroon met discrete punten produceren.
Met andere woorden, deze objecten worden gedefinieerd door het enkele proces dat wordt gebruikt om ze te meten. Als het niet het vereiste diffractiepatroon produceert, is het geen kristal.
Vandaag beweren Julyan Cartwright van de Universiteit van Granada in Spanje en Alan Mackay van de Universiteit van Londen in het VK dat deze definitie kortzichtig en onnodig beperkend is.
Ze wijzen erop dat de convergentie van kristallografie, materiaalwetenschap en biologie een nieuwe benadering opent voor de studie van structuur, vorm en functie. Deze nieuwe wetenschap houdt zich niet bezig met statische vormen in stabiele evenwichten, maar met metastabiele vormen die overgeleverd zijn aan het energielandschap waarin ze bestaan en de informatiestroom van en naar de omgeving.
Cartwright en Mackay geven als voorbeeld de structuur van parelmoer, het prachtige iriserende biomineraal dat bepaalde weekdieren produceren als binnenbekleding voor hun schelpen.
Dit is zeker een geordende, kristalachtige structuur, maar niet een die het noodzakelijke diffractiepatroon produceert om als een kristal te worden geclassificeerd.
Dat is het resultaat van zijn complexiteit. Parelmoer wordt gevormd uit lagen zeshoekige platen van calciumcarbonaat in een 'metselwerk'-arrangement. Deze lagen worden van elkaar gescheiden door vellen biopolymeren, zoals chitine.
Deze combinatie levert nuttige eigenschappen op. De organische platen voorkomen de verspreiding van scheuren, terwijl de bloedplaatjes zorgen voor stevigheid. Dus parelmoer is sterk, slijtvast en mooi.
Maar hoe moet zo'n materiaal worden beschreven en geanalyseerd? Cartwright en Mackay zeggen dat een belangrijke overweging de informatie is die een weekdier gebruikt om parelmoer te maken; en dat wordt bepaald door zijn genoom, proteoom enzovoort, die ze samen een conchoom noemen.
Op de een of andere manier komt uit al deze complexiteit en zelforganisatie parelmoer tevoorschijn. Niemand weet precies hoe.
Niettemin is hun belangrijkste punt dat deze structuur een informatiefenomeen is. En dat deze informatie een soort algoritme of formule is om parelmoer te produceren, analoog aan een algoritme dat de cijfers van pi produceert.
Alleen een wetenschap die rekening houdt met deze informatie zal in staat zijn tot een volledige beschrijving van parelmoer en andere soortgelijke materialen, zeggen Cartwright en Mackay.
Dat is een interessante en ambitieuze benadering die het potentieel heeft om de manier waarop materiaalwetenschappers en biologen denken over vorm en structuur ingrijpend te veranderen.
Wat interessant is, is dat een vergelijkbare verandering in het denken over vorm en functie ook opkomt in het geheel andere veld van robotica en kunstmatige intelligentie.
Jarenlang probeerden robotici menselijke vaardigheden zoals lopen en rennen te kopiëren en zo apparaten te bouwen met een centrale processor die elk aspect van beweging bestuurde.
Hiervoor waren robots nodig met sensoren op elk gewricht die te allen tijde signalen terugstuurden over de toestand van elk ledemaat. De centrale processor besloot vervolgens een bewegingsstrategie, berekende een traject voor het ledemaat en bewoog het vervolgens dienovereenkomstig. Dat is precies hoe mensen het doen. Of dat veronderstelden ze.
Maar die aanpak faalt spectaculair omdat het probleem van het coördineren van al deze gewrichten rekenkundig moeilijk wordt als de omstandigheden veranderen, bijvoorbeeld als je buiten of naar boven loopt of gaat joggen.
Robotici moesten dus een nieuwe aanpak omarmen. Het blijkt dat mensen veel handelingen verrichten die zo snel gaan dat het menselijk brein er onmogelijk bij kan worden betrokken. Het aanspannen, versnellen en vertragen van spieren, pezen en banden als je bijvoorbeeld van een muur springt.
Al deze veranderingen in materiaaleigenschappen gebeuren in een oogwenk zonder enige tussenkomst van de hersenen. In plaats daarvan voeren de structuur, vorm en eigenschappen van de materialen zelf deze taak uit - de intelligentie is ingebouwd.
In zekere zin besteden de hersenen de controle over deze beweging uit aan materialen zelf.
In feite zijn robotici begonnen te denken over dit soort beweging als een berekening, omdat het ruwweg kan worden gelijkgesteld aan de hoeveelheid rekenkracht die een centrale processor nodig zou hebben om een vergelijkbare taak uit te voeren. En ze zijn begonnen robots te ontwerpen op basis van dit principe van zogenaamd morfologisch computergebruik.
Dat begint nu een revolutie teweeg te brengen in de robotica. In plaats van centraal aangestuurde robots bouwen ingenieurs bots waarin de intelligentie in de vorm en vorm van de constructie is ingebouwd. Deze kunnen schijnbaar complexe taken zoals lopen, rennen en zwemmen uitvoeren met weinig of geen rekenkundig toezicht.
Een belangrijk inzicht in dit alles was een beter begrip van de rol van de omgeving. Zet een lopende robot in een zwembad en hij is hulpeloos. Dus de vorm en vorm alleen verlenen geen intelligentie - het is de interactie tussen vorm en vorm en een bepaalde omgeving die cruciaal is.
De manier waarop informatie uit de omgeving kan worden gehaald, is soms spectaculair. Een voorbeeld is een schijnbaar intelligente klodder die een doolhof kan oplossen . Maar natuurlijk codeert elk doolhof zijn oplossing in zijn structuur. De truc is om een eenvoudig systeem te ontwerpen dat deze informatie extraheert.
Dit element - de cruciale rol van de omgeving - komt nog niet sterk naar voren in de ideeën van Cartwright en Mackay. Zij zouden de eersten zijn om te erkennen dat de omgeving een cruciale rol speelt bij de vorming van een kristal of biologische structuur.
Maar in zekere zin zijn de processen van kristallisatie en zelforganisatie als de doolhofoplossende klodder: het patroon of de structuur is duidelijk het resultaat van een soort informatie-extractie of -uitwisseling. Een dergelijke benadering kan ook licht werpen op de oorsprong van het leven.
De sleutel zal zijn om de relatie tussen de omgeving, de structuren die zich daarin vormen en de informatiestroom die dit mogelijk maakt, te begrijpen en te karakteriseren.
En als kristallografen, materiaalwetenschappers en biologen het willen oplossen, kunnen ze er goed aan doen om samen te werken met de robotici, ingenieurs en evolutiebiologen die met zeer vergelijkbare ideeën spelen.
Referentie: arxiv.org/abs/1207.3997 : Voorbij kristallen: de dialectiek van materialen en informatie