Mosselen organiseren zich als moleculen in materiaal
Mosselen in mosselbedden vormen een patroon dat lijkt op de organisatie van moleculen en atomen in materialen als brons, staal of rubber. Dit gedrag kan dan ook worden beschreven met hetzelfde wiskundige model.
Patronen in dynamische systemen
Ecologen en wiskundigen van het NIOZ Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee en de universiteiten van Utrecht en Leiden ontdekten dit en publiceerden erover in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) van 1 juli. Vanuit Leiden waren de wiskundigen Arjen Doelman en Vivi Rottschäfer betrokken. Ze zijn gespecialiseerd in de beschrijving van patroonvorming in dynamische systemen.
Brons, staal en rubber
Het patroon waarin de mosselen zich organiseren heet fasescheiding: moleculen en atomen van een verschillend type scheiden zich van elkaar en vormen daarbij ruimtelijke patronen. Hieraan ontlenen legeringen zoals brons en staal en polymeren zoals rubber hun sterkte. Deze fasescheiding kan worden beschreven met een wiskundig model (het Cahn-Hilliard-model).
Gedrag van dieren
Ecologen kennen het fenomeen van aggregatie en patroonvorming door bewegende dieren goed, maar tot nu toe baseerden ze deze fascinerende zelforganisatie vooral op ruimtelijke verschillen in de groei of sterfte van organismen en niet op het gedrag van de dieren zelf.
Wiskundige modellen
Leids wiskundige prof. Arjen Doelman, die samen met collega Vivi Rotschäfer bij het onderzoek werd gehaald, verbaast zich echter bijna nooit meer over dergelijke wonderen van moeder natuur. Hij weet dat dezelfde wiskundige modellen relevant kunnen zijn voor heel diverse verschijnselen. Zo bleek zijn promotieonderzoek dat geïnspireerd was door het begrijpen van stromingen in water later ook van betekenis voor supergeleiding. En een wiskundige beschrijving van een chemische reactie werd 20 jaar later ook door een ecoloog opgeschreven.
Kruisbestuiving in optima forma
Doelman: ‘Maar dit soort onderzoek is echt kruisbestuiving in optima forma. Wij leren er nieuwe wiskunde van en ecologen gaan anders naar de natuur kijken.’ Ook vond hij het ‘echt fantastisch om te zien’ hoe razendsnel en uiterst precies de mosselen zich in het patroon voegden.
Verwoestijning
Doelman werkt veel samen met ecologen en onderzoekt bijvoorbeeld de relatie tussen vegetatiepatronen en verwoestijning. Ook is hij zeer geïnteresseerd in fytoplankton, dat zich organiseert in heel slecht begrepen concentraties. Doelman: ‘Fytoplankton vangt 50% van de CO2 in de atmosfeer weg en speelt dus een cruciale rol in het klimaat. Het is dus heel belangrijk om dat goed te doorgronden.’
Artikel
Quan-Xing Liu, Arjen Doelman, Vivi Rottschäfer, Monique de Jager, Peter M.J. Herman, Max Rietkerk, Johan van de Koppel. Phase separation explains a new class of self-organized spatial patterns in ecological systems. PNAS July 2013.