Dit worden de 6 wetenschappelijke doorbraken van 2017

‘De boom die alles heeft gezien’ staat nog altijd in de tuin van Woolsthorpe Manor, het voormalige woonhuis van Isaac Newton ten noorden van Cambridge. De beroemde natuurkundige zelf verklapte aan zijn biograaf hoe de boom hem had geïnspireerd: ‘Na het diner gingen we vanwege de hitte naar de tuin om thee te drinken in de schaduw van de appelboom.’ Toen Newton een appel zag vallen, begonnen zijn hersens te kraken: ‘Waarom zou die appel altijd recht naar beneden vallen? Waarom valt hij niet opzij, of omhoog? Waarom gaat hij altijd recht op het centrum van de aarde af? De reden moet zijn dat de aarde hem aantrekt. Er moet een aantrekkingskracht in materie zitten (…) En als materie andere materie aantrekt, dan moet dat samenhangen met de grootte. Daarom trekt de appel de aarde aan, net zoals de aarde de appel aantrekt.’

En zo leren miljoenen schoolkinderen over de hele wereld dat een van de grootste wetenschappelijke inzichten in een fractie van een seconde het licht zag. Dat Isaac Newton nog twintig jaar zou zitten zwoegen voordat hij zijn theorie publiceerde, wordt er meestal niet bij verteld.

Ook nu vergen grote wetenschappelijke doorbraken meestal jaren onderzoek. Het beeld van de eenzame wetenschapper die in zijn eigen tuin een Nobelprijswinnende ontdekking doet, klopt sowieso niet. Aan de meeste complexe vraagstukken werken onderzoeksteams van tientallen wetenschappers uit verschillende vakgebieden en landen samen.

De vraag ‘Wat worden de grootste doorbraken van 2017?’ is daarom eigenlijk niet te beantwoorden – wetenschap vordert nu eenmaal met kleine stapjes. Toch legden we deze vraag voor aan tientallen natuurkundigen, politicologen, archeologen en microbiologen van Nederlandse universiteiten. Uit hun antwoorden maakten we deze selectie. Ook als ze niet alle zes in 2017 worden waargemaakt, geeft die een goed beeld van de complexe vraagstukken waarover de wetenschap zich momenteel het hoofd breekt.

1. De computer is niet meer van de mens te onderscheiden

‘Kunnen machines denken?’ Dat vroeg de Britse wiskundige Alan Turing in een wetenschappelijk artikel uit 1950. Hij vond het een absurde vraag die je niet kon beantwoorden zonder te verzanden in oeverloze definitiekwesties over ‘machines’ en ‘denken’, en suggereerde dus een andere vraag: ‘Kan een computer de mens zo goed imiteren dat willekeurige proefpersonen het verschil tussen mens en machine niet zien?’

De Turingtest werkt grofweg zo: een ondervrager voert tegelijk een chatgesprek met een mens en een computer, zonder dat hij weet wie wie is. Als meer dan 30 procent van de ondervragers de twee niet uit elkaar kan houden, is de computer voor de test geslaagd.

Ik geef Google de beste kans. Hun programma’s zijn zo goed in na-apen dat het net echt lijkt.

Het was groot nieuws toen de Royal Society in Londen in 2014 naar buiten bracht dat Eugene Goostman, een computer van twee Oekraïense wetenschappers, voor het eerst de Turingtest had doorstaan. Tenminste, dat vonden de wetenschappers zelf. ‘Eugene moest een 13-jarig Oekraïens jongetje voorstellen,’ zegt hoogleraar computationele lexicologie Piek Vossen. ‘En 13-jarige Oekraïense jongetjes hoeven nu eenmaal niet zo goed Engels te spreken, dat was het verhaal. Is dat vals spelen? Eigenlijk wel. Ook kregen de proefpersonen maar vijf minuten om een gesprek te voeren. Dat is wel kort.’

Vossen werkt zelf aan het verbeteren van het tekstbegrip van computers. ‘Wij laten een computer een tekst lezen. Vervolgens herkent hij zelf welke personen daarin voorkomen en wat ze wanneer hebben gedaan.’ Als je een computer op die manier alle kranten laat scannen, kun je hem bijvoorbeeld vragen wat Donald Trump op 8 november deed. ‘De computer haalt nu een nauwkeurigheid van 60 tot 80 procent. Interessant is dat computers fouten maken die een mens nooit zou maken. Hij kan antwoorden dat Donald Trump op 8 november in Japan én in Mexico was. Een computer heeft geen common sense.’

Vossen laat computers ‘episodische kennis’ verzamelen. ‘Als je een computer alle nieuwsberichten over auto-ongelukken geeft, doet hij kennis op waarmee hij kan anticiperen. Dan weet hij bij een volgend ongeluk dat het mogelijk is dat de weg wordt afgezet of er een traumahelikopter landt: hij heeft dat al duizenden keren gezien.’

Voor het slagen voor de Turingtest is dat tekstbegrip niet per se nodig, zegt Vossen. ‘Een computer die weinig begrijpt maar goed kan imiteren, slaagt ook.’ Zo legt Google zich toe op deep learning, een methode om patronen te herkennen. ‘Google Translate begrijpt niets van teksten, maar kan wel redelijk goed vertalen. Het algoritme wordt steeds beter in patroonherkenning. Als je een mail wilt beantwoorden, kan Google straks al een deel van de tekst automatisch voor je schrijven.’ Het zou Vossen dan ook niet verbazen als 2017 het jaar wordt dat de Turingtest ook in vloeiend Engels wordt gehaald. ‘Ik geef Google de beste kans. Hun programma’s zijn zo goed in na-apen dat het net echt lijkt.’

2. Maatschappelijke consensus over klimaatverandering

Na de verkiezing van Donald Trump tot president klonk in de eerste reacties van andere wereldleiders één onderwerp nadrukkelijk door: het klimaat. Niet alleen vanuit Europa, ook vanuit Azië spitsten de zorgen zich toe op Trumps voornemen om de internationale klimaatakkoorden op te zeggen.

Sinds klimaatpanel IPCC en Al Gore in 2007 de Nobelprijs voor de Vrede wonnen, is het klimaatprobleem uitgegroeid tot ‘een volwassen en zelfs beslissend politiek agendapunt’, zegt politicoloog Robin Pistorius. ‘Dat is een gigantische, wereldwijde maatschappelijke doorbraak, die volledig is veroorzaakt door wetenschappers.’ Trump of niet, Pistorius verwacht dat 2017 het jaar wordt dat de wereldwijde olielobby ‘definitief in de verdediging wordt gedrukt dankzij de niet-aflatende bewijsvoering van duizenden wetenschappers over klimaatverandering. Ik kan me geen grotere doorbraak herinneren sinds de uitvinding van de penicilline.’

Pistorius ziet 2017 als het sleuteljaar voor de maatschappelijke transitie waarin biologen, klimatologen, politicologen, economen, activisten en kunstenaars steeds meer impact hebben op het handelen van bestuurders, en waarin burgers en ondernemers alternatieve vormen van energiegebruik steeds sneller omarmen. ‘De contouren van een fossielvrije maatschappij doemen op. Concreet betekent het dat pensioenfondsen hun investeringen uit de fossiele sector terugtrekken, kolencentrales moeten sluiten, de bouwsector uit concurrentieoverwegingen kiest voor energiezuinige nieuwbouw en voor de kust van Vlissingen een windmolenpark verrijst dat ook internationaal indruk maakt en weer minder subsidie van de overheid behoeft.’

Bijna alle wetenschappers zijn het eens: 2017 wordt hét jaar van het klimaat. Behalve in de VS.

Andere wetenschappers zijn het met Pistorius eens: 2017 wordt hét jaar van het klimaat. Volgens hoogleraar klimaatverandering Pier Vellinga komt dat eigenlijk te laat. ‘Klimaatverandering gaat ons land veel schade toebrengen. Dat betekent niet dat het hopeloos is. Je kunt beter te laat op het feestje van een goede vriend komen dan helemaal niet gaan.’ Ook hij gelooft dat dit inzicht in 2017 bij iedereen tussen de oren komt. ‘En tegelijkertijd zullen we ons gaan realiseren dat we het klimaat niet meer helemaal kunnen redden.’

De VS lijken een uitzondering te worden op deze wereldwijde consensus. Ecoloog Guy McPherson van de Universiteit van Arizona, berucht klimaatpessimist: ‘De massa is willens en wetens stupide. Ze wordt geleid door leugenaars. Consensus over klimaatverandering zal er pas zijn na het uitsterven van de mensheid. Ik voorspel al jaren dat we 2030 niet zullen overleven, en dat geloof ik nog steeds.’ Vellinga kan dat pessimisme goed begrijpen. ‘Als je elke dag de Amerikaanse discussies volgt, dan geloof je zo in de ondergang van de mensheid. Maar kijk ook eens naar China, de grootste investeerder in duurzaamheid, die de vleesconsumptie aan banden legt. Die ontwikkelingen zijn veel belangrijker.’

3. De mens blijkt een migrant die zich gemakkelijk aanpast

Kan ook archeologie zorgen voor een wetenschappelijke doorbraak in 2017? Jazeker, zegt hoogleraar Vladimir Stissi van de Universiteit van Amsterdam (UvA). Hij verwacht dat het ‘kleine stroompje van vaak wat dubieuze conclusies’ uit onderzoek naar oud DNA enorm zal aanzwellen en ‘nieuwe en serieuze inzichten gaat opleveren over migratie en bevolkingssamenstelling in het verleden.’

Fysisch antropoloog Liesbeth Smits onderzoekt nu de graven van de opvarenden van VOC-schip De Batavia dat in 1629 met 341 mensen aan boord tragisch ten onder ging op het Morning Reef bij Beacon Island, West-Australië. ‘Onderzoek naar oud DNA is tegenwoordig bijna standaard bij opgravingen,’ zegt ze. ‘Het kan bijvoorbeeld laten zien uit welke bevolkingsgroep iemand komt.’ Als je die data combineert met andere technieken zoals isotopenonderzoek, kun je veel te weten komen over de persoon achter het skelet. ‘Aan de hand van bot, haar en tanden kun je nu afleiden waar iemand tijdens zijn leven is geweest en wat hij heeft gegeten.’

Volgens Stissi moeten archeologen deze gegevens slim koppelen aan de bestaande kennis over de verspreiding van taal en cultuur over de wereld. ‘Dan zal blijken dat er in het verleden veel meer migratie was dan mensen denken. En we zullen zien dat taal en cultuur minder samenhangen met herkomst dan over het algemeen wordt aangenomen. Met andere woorden: mensen passen zich ontzettend gemakkelijk aan.’ Het idee dat de menselijke soort zich al millennia vrijelijk over de wereld beweegt en zich aan alle omstandigheden aanpast, staat haaks op de politieke Blut und Boden-ideeën van politici als Geert Wilders, die geloven dat migratie uit Noord-Afrika automatisch overgaat in de invoering van de sharia. Stissi: ‘Voor veel mensen zal dit onderzoek een nieuw wereldbeeld opleveren.’

4. Er komt een nieuw medicijn tegen tuberculose

De kans is groot dat 2017 verrassend nieuws brengt uit de geneeskunde: voor het eerst sinds dertig jaar hopen microbiologen nieuwe typen antibiotica te hebben ontwikkeld. Zo is bedaquiline net versneld toegelaten op de markt en wordt benzothiazinone op dit moment in Rusland getest op patiënten met tuberculose.

Nieuwe antibiotica moeten voorkomen dat resistente bacteriën hele volksstammen uitroeien

‘Het zou een absolute doorbraak kunnen zijn,’ zegt hoogleraar microbiologie Christina Vandenbroucke-Grauls (VUmc). Met twee miljard besmette mensen is tbc de meest voorkomende en dodelijkste infectieziekte ter wereld. ‘Jaarlijks sterven bijna anderhalf miljoen mensen aan tbc, met name in Afrika, China en Rusland. Een probleem is de toenemende resistentie van de tbc-bacterie, die veroorzaakt wordt doordat mensen hun zes maanden durende kuur niet afmaken.’

Hoogleraar Wilbert Bitter werkt sinds 2001 mee aan de ontwikkeling van het nieuwe middel benzothiazinone. ‘Tbc wordt veroorzaakt door een bacterie met een bijzonder sterke celwand waar medicatie moeilijk doordringt. We weten nu welke genen verantwoordelijk zijn voor de aanleg van die celwand. Het nieuwe middel grijpt daar direct op in.’ Op een congres werden onlangs nieuwe resultaten gepresenteerd: ‘Gezonde proefpersonen die het middel kregen toegediend, bleken geen last te hebben van bijwerkingen. Dat heeft de weg vrijgemaakt om nu patiënten te behandelen.’ Hij heeft goede hoop dat de Russische patiënten met tbc snel zullen genezen.

Zijn vakgebied maakt een ware renaissance door. ‘De nieuwe antibiotica breken met grote dogma’s uit de farmacie. We dachten altijd dat een antibioticum een specifiek bacterieel eiwit moest aanvallen, maar bedaquiline valt een eiwit aan dat mensen ook zelf aanmaken. Ook dachten we altijd dat antibiotica snel effect moet hebben, terwijl dit medicijn de eerste dagen helemaal niets doet.’ Het grootste nieuws is nog wel dat benzathiozinone volledig door een consortium van Europese universiteiten is ontwikkeld, dus zonder de grote farmaceutische industrie. ‘Farmaceuten vinden het onaantrekkelijk om zo’n nieuw antibioticum te ontwikkelen. En het lijkt tegenstrijdig, maar als blijkt dat benzothiazinone goed werkt, dan zullen artsen het middel het liefst zo weinig mogelijk voorschrijven. Zo voorkom je dat de bacterie weer heel snel resistent wordt.’

Het medicijn zou weleens het eerste kunnen zijn in een reeks nieuwe antibiotica, hard nodig om het horrorscenario te voorkomen van onbehandelbare bacteriën die hele volksstammen uitroeien.

5. Het bewijs voor donkere materie wordt geleverd

Begin november haalde hoogleraar theoretische natuurkunde Erik Verlinde van de Universiteit van Amsterdam het wereldnieuws met een nieuwe, alomvattende theorie die de natuurkunde op zijn kop kan zetten. Niet alleen verwijst Verlinde de relativiteitstheorie van Albert Einstein naar de prullenmand, ook beweert hij dat het bestaan van donkere materie een ‘volstrekte illusie’ is.

Het zou betekenen dat natuurkundigen al decennia zoeken naar iets wat helemaal niet bestaat. Zoals promovendus Sander Breur van de Universiteit van Amsterdam. Hij reist regelmatig af naar het mekka van de astrodeeltjesfysica: een uitgehakte grot onder de Gran Sassoberg in Midden-Italië. In dit grootste ondergrondse laboratorium ter wereld werken 130 wetenschappers van 21 instituten uit Europa, het Midden-Oosten en de VS samen om het bestaan van donkere materie eindelijk aan te tonen. In 2017 moet het zover zijn.

‘Donkere materie’ klinkt niet alleen mysterieus, het is dat ook. Eigenlijk gaat het om een verzinsel uit 1933 van de astronoom Fritz Zwicky om zijn berekeningen van de bewegingen van sterren en planeten kloppend te maken. Breur: ‘Als we alles wat we zien bij elkaar optellen, dan missen we 85 procent van alle massa in het heelal. Dat deel noemen we donkere materie. Theoretisch gezien moet die donkere materie gelijkmatig over ons sterrenstelsel verspreid zijn. Het moeten piepkleine deeltjes zijn die overal dwars doorheen gaan, anders hadden we ze allang gevonden. Per seconde gaan er waarschijnlijk tienduizenden deeltjes door het oppervlak van je nagel.’

‘Donkere materie’, de 85 procent onbekende massa in het helaas, is tot nu toe een verzinsel

De natuurkundigen hebben een ingenieus experiment bedacht om de missende massa eindelijk te vinden. In de Gran Sassoberg, afgeschermd van achtergrondstraling en andere ruis, hebben ze de XENON1T-detector gebouwd: een tien meter hoge watertank met in het midden een vat vloeibaar xenon-gas van 100 graden onder nul, omgeven door 250 lichtdetectoren. Het idee is dat deeltjes donkere materie af en toe botsen met de kern van een xenon-atoom. Breur: ‘Als dat gebeurt, kunnen we een lichtflits zien. Indien we een aantal van die botsingen zien, kunnen we afleiden hoe zwaar het deeltje is en bepalen hoe waarschijnlijk het is dat donkere materie met onze “gewone” materie botst.’

Het experiment wordt blind uitgevoerd. ‘We kijken pas naar de resultaten als de metingen na een paar honderd dagen zijn voltooid. Dan vergelijken we het gevonden aantal botsingen met het vooraf verwachte aantal.’

Volgens hoogleraar Patrick Decowski zou het fantastisch zijn als het experiment slaagt. ‘Vrijwel alle materie in het heelal is fundamenteel anders dan dat waar we zelf uit bestaan en wat we dagelijks zien. Van die 85 procent weten we nog ongelooflijk weinig.’ Decowski, die vorig jaar voor zijn onderzoek naar neutrino’s een grote internationale prijs won, kijkt uit naar het moment suprême waarop ze na lang wachten de resultaten onder ogen krijgen. ‘Je staat dan met een groep wetenschappers in een kamer te wachten totdat iemand op een knop drukt. Dan verschijnt er een plaatje met allemaal stipjes. Wij weten dan meteen of we donkere materie hebben gevonden, en zo ja, hoeveel.’

Het kan natuurlijk ook zijn dat het experiment geen donkere materie vindt. Betekent dat dat Verlinde dan gelijk heeft? Decowski roemt zijn collega om zijn ‘interessante en verfrissende’ theorie, maar benadrukt dat het nog geen uitgemaakte zaak is. ‘Verlinde heeft jarenlang als een monnik aan zijn theorie gewerkt. Nu moeten andere natuurkundigen erop reageren. Daarna moeten experimenten laten zien of het wel of niet kan kloppen.’ Voorlopig heeft hij het volste vertrouwen in het experiment onder de Gran Sasso. En Decowski? ‘Ik denk dat we op de goede weg zijn om donkere materie aan te tonen. Maar zelfs als we het niet vinden, wil dat nog niet zeggen dat het niet bestaat.’

6. Het menselijk genoom kan worden aangepast

Een van de grootste wetenschappelijke doorbraken van dit millennium heeft ook de minst sexy naam: CRISPR/Cas9. Experimenteel immunoloog Nienke van Teijlingen (AMC) legt uit waarom de medische wereld hierover in extase is: ‘Deze techniek maakt het mogelijk een specifiek gen uit het DNA te knippen en er een ander gen voor terug te plaatsen. Oude technieken waren veel minder precies; ze plantten nieuwe genen meermalen op willekeurige plaatsen in het DNA met alle risico’s van dien.’

Er zijn veel ethische dilemma’s: je kunt deze techniek ook gebruiken om baby’s blauwe ogen te geven.Een van de topwetenschappers die aan de wieg stonden van CRISPR/Cas9 is hoogleraar moleculaire microbiologie John van der Oost van de Universiteit Wageningen. Hij ontwikkelde een voorloper van deze copy-paste-techniek voor het DNA. ‘Dit systeem maakt ongekende toepassingen mogelijk in uiteenlopende organismen. Overal op de wereld doen wetenschappers nu experimenten op cellen van schimmels, planten, muizen en mensen.’ Dat moet wel een doorbraak opleveren in 2017; Van der Oost durft alleen niet te voorspellen welke. ‘In feite kun je alles met deze techniek. Als we een fout in het menselijk DNA kennen, dan kunnen we die op celniveau repareren.’

Neem bloederziekte (hemofilie) waarbij de lever geen stollingsfactor aanmaakt en patiënten spontaan bloedingen krijgen: ‘We zouden stamcellen uit de lever kunnen halen en die in een reageerbuis kunnen repareren, opkweken en weer terugplaatsen zodat de lever weer stollingsfactor maakt.’ Of je zou embryo’s immuun kunnen maken voor een hiv-infectie door in de bevruchte eicel een stukje DNA te plaatsen dat beschermt tegen het virus.

Van der Oost: ‘Ik ben ervan overtuigd dat het voor sommige ziekten een enorm verschil gaat maken en dat we hier komend jaar veel meer van gaan horen.’ Hij haast zich om te vermelden dat patiënten waarschijnlijk nog enkele jaren langer moeten wachten op de eerste behandelingen. ‘Er zijn nog veel ethische en politieke dilemma’s. Die maatschappelijke discussie moet nu breed gevoerd worden. Want je kunt dezelfde techniek ook gebruiken om baby’s blauwe ogen te geven. En dat is niet wat we moeten willen.’

Onze speciale dank gaat uit naar prof. Peter Sloot, directeur van het nieuwe Institute for Advanced Study aan de Universiteit van Amsterdam en medisch microbioloog Maikel Boot van het VU medisch centrum voor hun vele suggesties.