Wetenschapsjaar 2020 volgens onze Raad van Advies

Eos Wetenschap vierde in 2020 haar 37ste verjaardag. Sinds de start in 1983 wordt onze redactie bijgestaan door een Raad van Advies. Die bestaat uit wetenschappers en experts die ons feedback geven, mee nadenken over toekomstige projecten en een brug zijn tussen onze redactie en de wetenschapswereld. We vroegen aan de leden wat volgens hen hét wetenschapsfeit of dé doorbraak van 2020 is.

Het warmste jaar ooit

Tijdens de lockdown werd de wereld zo goed als stilgelegd. Manuel Sintubin: 'Dit leidde op de piek van de lockdown (maart-april) tot maximum zeventien procent minder dagelijkse CO₂ uitstoot. Transport (inclusief luchtvaart) zorgde voor ongeveer de helft van die uitstootvermindering. Opmerkelijk is toch dat het zo goed als volledig stilleggen van de wereld toch "maar" zo’n beperkte invloed heeft gehad op de globale uitstoot.'

'Het socio-economische metabolisme is wereldwijd verre van klimaatneutraal. Op jaarbasis gaat de coronacrisis er waarschijnlijk voor zorgen dat we zeven procent minder hebben uitgestoten dan in 2019. Dit is het percentage van jaarlijkse uitstootvermindering dat we vanaf nu decennia lang zouden moeten aanhouden om de 2°C doelstelling van Parijs te halen. Dit is toch een ‘eyeopener’ geweest dat de doelstellingen van Parijs in perspectief plaatst.'

'Daarnaast zijn dit jaar de meest extreme scenario’s die het IPCC volgde in vorige rapporten, met name RCP8.5, onder vuur komen liggen, vooral omdat deze al te vaak werden omschreven als "business as usual" of "no policy" scenario’s. Studies wijzen uit dat "no policy" scenario’s niet meer relevant zijn in de échte wereld waarin klimaatacties meer en meer op het voorplan komen in beleid. Bovendien lijkt meer en meer dat met de huidige klimaatmaatregelen (‘growing pressure’ scenario’s) we al in 2100 onder de 3°C uitkomen, dus zonder al te veel extra klimaatmaatregelen. Dit pad dient dan ook eigenlijk beschouwd te worden als het nieuwe "business as usual"-scenario. Elke extra klimaatactie die we wereldwijd ondernemen brengt ons dichter bij de 2°C doelstelling van Parijs. Dit is volgens mij bemoedigend nieuws.'

'Tenslotte bevestigen studies ook dat eenmaal netto nuluitstoot is bereikt, de globale temperatuur stabiliseert. Ook dat geeft perspectief en legt nogmaals de nadruk dat het zo snel mogelijk bereiken van netto nuluitstoot ons objectief moet zijn.'

'Als je over 2020 spreekt kan je natuurlijk niet om het COVID-19 verhaal heen. De snelheid waarmee het virus de wereld veroverde, maar vooral de snelheid waarmee de vaccins ontwikkeld werden, is veelzeggend. Het eerste illustreert dat we meer dan ooit verbonden zijn met alle uithoeken van de wereld, terwijl het tweede ons herinnert aan het eeuwenoude adagio, ‘waar een wil is, is een weg’. De tijd en middelen die werden vrijgemaakt, inclusief de versnelling van procedures, waren ongezien. Het contrast met de trage ontwikkeling van het ebola-vaccin is groot. Nochtans is het ebola-virus veel dodelijker dan het COVID-19-virus, maar het komt echter "enkel" in Afrika voor.'

'Er zijn ook belangrijke lessen te trekken. Waar biologen al lang voor waarschuwen geldt nu eens te meer: we moeten anders omgaan met dieren en hun leefmilieu. Neem nu slacht- en pluimvee; die worden te dicht op mekaar gekweekt, ideaal voor virussen en bacteriën om zich snel te verspreiden. De verhoogde stress bij de dieren in deze onnatuurlijke omstandigheden leidt bovendien tot een verlaagde weerstand, wat het pathogenen nog makkelijker maakt om hun ding te doen.'

'Een ander belangrijk voorbeeld is de ontginning van regenwoud en de handel in bedreigde diersoorten. Ook dat moet beter aangepakt worden. Strenger opgevolgde kap- en exportmaatregelen samen met alternatieve bronnen van inkomsten voor de bevolking die in soortenrijke gebieden leven, kunnen de vraag naar wild vlees doen dalen.'

'Ondanks de duidelijke link tussen onze omgang met de planeet en de huidige pandemie, verdwenen de biodiversiteits- en klimaatcrisis van het toneel. Nochtans zullen de gevolgen hiervan veel meer slachtoffers maken dan COVID-19. De razendsnelle vaccinontwikkeling om de acute gezondheidscrisis te stoppen mag een klein mirakel heten, maar het mobiliseren van mensen en overheden voor een chronische crisis, dat zou pas een doorbraak zijn.'

'Tenslotte. Even leek het alsof wetenschappelijke experts een grotere rol in het beleid toebedeeld gingen krijgen, maar dat was buiten de politici en de publieke opinie gerekend. Zo verdween de wetenschap achter het virus al snel naar de achtergrond. Het inperken van onze vrijheden zou makkelijker te verteren zijn als we beter zouden begrijpen waarom. Wat COVID-19 ons dus ook geleerd heeft, is hoe belangrijk grondige wetenschapsjournalistiek is, voorbij de oneliners en de hysterie.'

'2019 was het jaar van de klimaatspijbelaars. De biodiversiteitsstrijders konden er hun karretje niet aan vasthaken. Maar toen kwam corona. Iedereen geïsoleerd op zijn paar vierkante meter. Wie een snipper groen heeft op wandelafstand, prijst zich al de hemel in. Een tuin wordt een kijkhut. Corona drukt ons met de neus op de feiten: groen is essentieel, al is er te weinig van en is ze steeds minder divers. COVID-19 maakt ook de gevolgen van biodiversiteitsverlies op wereldschaal duidelijk. De mens vernielt aan een razend tempo natuurlijke habitats, waardoor hij te dicht bij virusdragende soorten leeft, en hij blijft wilde dieren verhandelen. Het zijn katalysatoren voor zoönosen zoals corona. David Attenborough werkte via Netflix en Instagram in op het gemoed van jong en oud om de biodiversiteitscrisis te helpen keren. In België bundelden meer dan 90 organisaties de krachten onder #samenvoorbiodiversiteit. Het Museum voor Natuurwetenschappen kon tussen twee lockdowns een nieuwe biodiversiteitsgalerij, ‘Levende Planeet’, openen. Het momentum lijkt gegrepen. Maar zal het besef wegebben als straks de Roaring Twenties aanbreken? Hoe vertaalt het zich verder in beleid de komende jaren? Het is money time voor de biodiversiteit.'

In september publiceerde Karina von Schuckmann, samen met 39 andere wetenschappers uit de hele wereld, de nieuwe cijfers van de Earth Energy Imbalance (EEI). Dat is de belangrijkste indicator van de opwarming van de planeet en de eraan gekoppelde klimaatverandering. Het onderzoek werd uitgevoerd binnen het Global Climate Observing System. Dit mondiale waarnemingssysteem bestaat uit een aantal specifieke monitoringssystemen van de oceaan, het land, de atmosfeer enzovoort. Gezamenlijk vormen deze de componenten van het klimaatsysteem van de aarde.'

'Uit het onderzoek blijkt dat de warmtetoename tussen de jaren 1971 en 2018 maar liefst 358 ± 37 ZJ bedraagt. Zettajoule staat voor 1²¹ joule, een 1 met maar liefst 21 nullen. Menselijke activiteiten, een explosieve bevolkingsgroei en een verkwistende Westerse levensstijl, zijn er de oorzaak van. Tussen 1971 en 2018 werd 89 procent opgenomen door de oceanische ruimte. Uit de verschillende kleuren blauw in de grafiek blijkt dat deze warmte-opname zich langzaam richting de diepzee beweegt. Op het land was de warmte toename in dezelfde periode zes procent. Voor het smelten van zee-ijs wordt vier procent gebruikt en voor de opwarming van de atmosfeer één procent.'

'Hieruit blijkt dat de EEI aan de bovenkant van de atmosfeer niet stabiliseert, maar toeneemt. Dit betekent dat er nog een lange weg te gaan is om de afspraken van Parijs, nu vijf jaar geleden, na te komen. Ook wordt nog eens duidelijk dat de bufferende rol van de verzurende oceaan cruciaal is. Toch wordt er op de scholen weinig aandacht aan oceaangeletterdheid of ‘ocean literacy’ gegeven. Dat is een omissie. Het is belangrijk dat iedereen de rol van de oceaan in ons leven en het effect van onze, niet duurzame manier van leven op de gezondheid ervan en daarmee ons voortbestaan, begrijpt.'

... voor de supergeleiding

'Nadat Bednorz en Müller in 1986 de 'hogetemperatuursupergeleiding' (lees: bij vloeibarestikstoftemperaturen van -238°C) ontdekten in keramische materialen, en er in 1987 de Nobelprijs voor kregen, is er heel veel hoop ontstaan dat ooit materialen zouden gevonden worden die bij kamertemperatuur elektrische stroom kunnen geleiden zonder weerstand, en dus zonder energieverlies. Het onderzoekstopic was eind jaren tachtig, begin jaren negentig zodanig "hot" dat vele onderzoeksteams zich op het thema gestort hebben. Daarbij ook het team aan de UHasselt waarin ik mijn doctoraat startte. Als startende doctoraatsonderzoeker ging ik op zoek ging naar de synthese en het effect van elementsubstituties op de supergeleidende eigenschappen van deze intrigerende materialen.'

'De grote hype is na enkele decennia al lang gaan liggen, maar de droom is blijven smeulen en zie ... er blijken doorzetters te bestaan die in 2020 eindelijk een materiaal gevonden hebben (bestaande uit waterstof, zwavel en koolstof) dat bij een frisse kamertemperatuur van 15°C (en lager) supergeleidend is. Of dit onmiddellijk tot praktische toepassingen zal leiden is zeker niet gezegd, want het materiaal kan enkel bij ontzettend hoge druk deze eigenschap vertonen. Maar toch... één van mijn wetenschappelijke jeugddromen is hiermee gerealiseerd, en niettegenstaande mijn onderzoek naar hogetemperatuursupergeleiders inmiddels al 20 jaar in de ijskast ligt, werd ik toch wat warm van wat het fundamenteel materiaalonderzoek kan bereiken als je het maar voldoende tijd en kansen geeft.'

... voor de aarde

'Waar ik tegenwoordig nog meer warm van word, is de klimaatverandering en vooral de mogelijkheden die we hebben om hier met wetenschap en technologie iets aan te doen. Dat 2020 wellicht het warmste jaar wordt dat ooit geregistreerd werd, is mijn allerbelangrijkste wetenschapsfeit van dit jaar. Ik hoop dat beleidsmakers over de hele wereld het geloof en het vertrouwen in de wetenschap aanwakkeren en de zovele gemotiveerde studenten, junior en senior onderzoekers aansporen en steunen in hun missie om onze planeet en haar bewoners een mooie toekomst te geven.'

Het jaar van de pandemie (en de vaccins)

Uiteraard kan COVID-19 niet ontbreken in dit jaaroverzicht. Het virus SARS-CoV-2 legde ons sociale leven helemaal lam. Tegelijk was het razend druk in biomedische laboratoria. Iets minder dan een jaar nadat SARS-CoV-2 voor het eerst opdook, bereikten onderzoekers hun doel: een vaccin. Het vakblad Science noemt de snelle ontwikkeling van effectieve vaccins tegen COVID-19 dé doorbraak van 2020. Hoogleraar en gynaecoloog Hendrik Cammu en professor Open Science Jean-Claude Burgelman, beide lid van onze Raad van Advies, beamen dat.

'Ondertussen is iedereen vertrouwd met het model van het coronavirus met zijn typische pieken. Deze ‘spikes’ zijn goede doelwitten voor medische behandeling. Hiervoor is het belangrijk de driedimensionale structuur van deze eiwitten te ontrafelen via röntgendiffractie of cryo-elektronenmicroscopie. De snelheid waarmee dit in 2020 in verschillende laboratoria gebeurde is ongelooflijk.'

'Ter illustratie: toen het genoom van SARS-CoV-2 door China werd vrijgegeven, bestelde het team van Jason McLellan (University of Texas, Austin) het nucleinezuur waarmee ze het ‘spike’ eiwit tot expressie brachten. In 25 dagen bepaalden ze de driedimensionale structuur via cryo-elektronenmicroscopie. Op 15 februari 2020 publiceerden ze hun resultaten op de preprint server bioRxiv en op 13 maart 2020 verscheen hun studie in Science.'

'De media had zeer veel belangstelling voor deze resultaten. Om het geheel te visualiseren, maakte collega Marvin Hackert een 3D-model van het ‘spike’ eiwit. Het printen van het 3D-model duurde meer dan twee dagen! In tal van andere laboratoria werd de structuur van andere belangrijke covid19-eiwitten bepaald. Deze structuren zijn een grote hulp bij het ontwerpen van medicijnen en behandelingen.'

'Eind maart 2020 werd SETI@home stopgezet. Dit was een van de eerste en grootste vrijwilligersprojecten, waarbij iedereen met een computer die aangesloten was op het internet rekentijd kon doneren om radiosignalen afkomstig van telescopen te analyseren om daarin naar sporen van buitenaardse intelligentie (SETI) te zoeken.'

'Toch stond mijn PC deze zomer vrolijk mee te rekenen aan een gedistribueerd rekenproject. Niet op zoek naar radiosignalen van aliens, maar naar patentvrije geneesmiddelen tegen COVID-19. Folding@home (foldingathome.org) gebruikt al sinds 2000 de SETI@home-methode om het vouwen van eiwitten door te rekenen.'

'Dit jaar richtte het project zich in het bijzonder op de bewegende onderdelen van eiwitten van het SARS-CoV-2 virus. Het doel? Onderdelen vinden waar geneesmiddelen aan zouden kunnen binden. Niet alleen burgerwetenschappers, maar ook instituten waren solidair met dit project: CERN en LHC en andere wetenschappelijke clusters doneerden rekencapaciteit aan Folding@home. Folding@home stak de snelste supercomputer ter wereld voorbij en werd zo het eerste systeem ter wereld dat een rekensnelheid van meer dan een exaFlop/s bereikte.'

'Het rekenen aan eiwitten zou een pak efficiënter kunnen als de algoritmes beter werkten. Het doel van zo’n algoritme is om de manier waarop eiwitten vouwen in drie dimensies te voorspellen aan de hand van hun eendimensionale reeks bouwstenen. Dat is een groot open probleem in de moleculaire biologie. Sinds 1994 wordt er om de twee jaar een CASP-wedstrijd gehouden waarbij nieuwe algoritmes het tegen elkaar opnemen (Critical Assessment of protein Structure Prediction). Eind november was er weer zo’n wedstrijd en daarbij bereikte AlphaFold 2 van Googles DeepMind een nieuw record in de voorspellingsnauwkeurigheid van de eiwitstructuur. Ook dit algoritme is gebruikt om de structuur van eiwitten van het SARS-CoV-2 virus te berekenen.'

In mei bracht de Crew Dragon van ruimtebedrijf SpaceX astronauten Doug Hurley en Bob Behnken naar het internationale ruimtestation ISS. 'Het was de eerste keer dat een commercieel bedrijf astronauten naar het ISS bracht. Het was tegelijk negen jaar geleden dat astronauten van Amerikaanse bodem gelanceerd werden, na de pensionering van de Space Shuttles.'

'SpaceX bracht de lancering mooi in beeld en zond ze live uit. Niet alleen de lancering was indrukwekkend. Tien minuten later landde de eerste trap gecontroleerd op een droneschip op de Atlantische Oceaan. Hierdoor kan de draagraket hergebruikt worden. SpaceX bracht in 2020 ook haar eigen Starlink satellieten in een baan om de aarde. Het is de bedoeling om internettoegang via een satellietnetwerk aan te bieden. De nooddiensten in de Amerikaanse staat Washington maakten voor hun communicatie tijdens het bevechten van bosbranden gebruik van Starlink.'

Staarde u ook naar de nachtelijke hemel om de Starlink-trein te zien passeren?

'Ook de splashdown van de Dragon met beide astronauten aan boord verliep zoals gepland. Onlangs ontplofte echter een Starship-raket op het landingsplatform, waarmee Elon Musk uiteindelijk naar Mars wil. De explosie was het gevolg van een te hoge landingssnelheid wegens een te lage druk in de brandstoftoevoer. Maar zelfs Jeff Bezos, zijn grote concurrent, feliciteerde het SpacecX team voor de verwezenlijking.'

'Meer dan ooit was er aandacht voor waterhergebruik en water "fit-for-purpose". Want het is toch waanzinnig om toiletten met drinkwater door te spoelen? Gezond verstand en spaarzaamheid zijn een deel van de oplossing. Geschikte technologieën, die met een minimumverbruik aan energie en grondstoffen "gebruikt" water en zelfs zout water op de gewenste kwaliteit brengen, zijn dat ook. Meer van dat graag.'

'En om het dan toch weer over corona te hebben: ik vind het zeer interessant dat men de verspreiding van het virus kan volgen via afvalwateranalyse. Een stijging in aantallen virusdeeltjes in rioolwater is naar verluidt zelfs eerder te zien dan een stijging in bijvoorbeeld het aantal positief geteste mensen of ziekenhuisopnames.'

Het is één van de grote uitdagingen in de moleculaire biologie: doorgronden hoe eiwitten zichzelf opvouwen tot een complexe driedimensionale structuur. Belangrijk, want het is die structuur die de functie van een eiwit bepaalt. DeepMind, een Brits AI-bedrijf dat in 2014 werd overgenomen door Google, is erin geslaagd om eiwitstructuren met zijn algoritme AlphaFold accuraat te voorspellen. 'Dit is een zeer grote doorbraak in de bio-informatica, en meteen ook in de moleculaire biologie, die tegelijkertijd als een 'sign of the times' gezien kan worden.'

'Eén na één vallen immers de heilige huisjes van de menselijke ingenuïteit onder de onafgebroken inspanningen van de 'deep learning' algoritmen. Na het overwinnen van de mens in het schaken, in Go en in StarCraft, is nu ook een wetenschappelijke uitdaging zeer succesvol aangepakt, en dan nog eentje waar wetenschappers zich al enkele decennia de tanden op stukbijten.'

'En hoewel het nu enkel wachten is op de volgende domino die in deze strijd tussen mens en machine gaat vallen, zijn er toch nog zaken waar de Deep Learning algoritmen zich duidelijk gewonnen moeten geven. Het beste voorbeeld hiervan is het schrijven van een kort artikel over een bepaald onderwerp, waar de resultaten nog steeds behoorlijk bizarre teksten opleveren.'

'Dus meteen twee goede redenen om ook in 2021 Eos te blijven lezen: omdat de wetenschappelijke (en dus ook de computationele) vooruitgang niet te stuiten is en zoveel wetenswaardige zaken blijft opleveren; en omdat een magazine zoals Eos zeer waarschijnlijk nog een hele tijd de enige manier zal blijven om goed geïnformeerd te worden over al deze razend interessante ontwikkelingen!'

Taalwetenschappers toonden in 2020 aan dat de "aanraaktaal" die doofblinde mensen ontwikkelden een taal op zichzelf is, onafhankelijk van bijvoorbeeld gebarentaal. De aanraaktaal heeft bijvoorbeeld een eigen grammatica. 'Eén van de klassieke bevindingen van de structuralistische taalkunde is dat gesproken talen een eigen niveau van klankstructuur hebben, dat deels los staat van andere delen van het taalsysteem (die zich meer direct met betekenis bezighouden). Dat niveau wordt bestudeerd in een eigen deeldiscipline van de taalkunde, de fonologie. Maar wat gebeurt er als talen functioneren in andere modaliteiten dan spraak?'

'In 1960 toonde de Amerikaanse onderzoeker William Stokoe aan dat ook gebarentalen van dove gemeenschappen een eigen fonologie hebben, waarbij bijvoorbeeld de handvormen van gebaren volgens gelijkaardige principes geanalyseerd kunnen worden als klankstructuren in gesproken talen. Dat was een absolute revelatie, omdat het toont hoe een apart te analyseren vormniveau ook bij talen in een andere modaliteit bestaat, met zichtbare handvormen eerder dan hoorbare klanken.'

'De in 2020 verschenen studie van Edwards en Brentari is even baanbrekend, omdat ze hetzelfde punt maakt voor nog een andere modaliteit, namelijk tactiele communicatie waarbij doofblinden met een systeem van aanrakingen (vooral op handen en armen) met elkaar praten. Met observationele en experimentele methoden maken de auteurs duidelijk dat in zich ontwikkelende vormen van tactiele communicatie in doofblinde gemeenschappen in de VS een eigen fonologie aan het ontstaan is.'

'Zo bevestigen ze dat een eigen vormniveau, te analyseren volgens eigen principes die deels los staan van de rest van het systeem, een fundamentele structurele eigenschap is van talen, in om het even welke modaliteit (horen, zien én voelen). Mogelijk zelfs een van de weinige absoluut universele eigenschappen. Waar de meeste eerder voorgestelde universalia (bijvoorbeeld in verband met woordklassen of woordvolgorde) sneuvelen van zodra we meer verschillende types talen gaan bestuderen, lijkt deze stand te houden, zelfs in de meest extreme omstandigheden.'

'Soms laat een wetenschappelijke doorbraak op zich wachten. In 2020 publiceerde een stel evolutiebiologen een artikel dat een dispuut na 150 jaar lijkt te beslechten.'

'In 1871 publiceerde Charles Darwin “The Descent of Man, and Selection in Relation to Sex”. In dit boek legde hij de focus op seksuele selectie. In zijn eerder meesterwerk “The Origin of Species” (1859) kwam die vorm van selectie beperkt aan bod en lag de klemtoon op natuurlijke selectie onder de vorm van overlevingsselectie. Alfred Russell Wallace was een uitzonderlijk naturalist die erg opkeek naar Darwin. In 1858 stuurde hij een niet-gepubliceerd manuscript van zijn hand naar Darwin. Die laatste moet zich uit de naad geschrokken hebben want Wallace was onafhankelijk tot ‘zijn’ idee van natuurlijke selectie gekomen. Ondanks de convergentie in hun denken rond overlevingsselectie, keken de twee pioniers van de evolutiebiologie anders naar de rol van seksuele selectie en partnerkeuze.'

'Bij vele soorten verschilt het mannelijke en het vrouwelijke uiterlijk. Denk aan een wilde eend met felgekleurde mannetjes en een bruin gecamoufleerde vrouwtjes. Seksueel dimorfisme heet dat. Darwin argumenteerde dat seksuele selectie mannelijke kleuren verwijderde van vrouwelijke kleuren. Vrouwelijke partnerkeuze prefereert kleurrijke mannetjes. Wallace zag dat anders. In zijn model trekt overlevingsselectie de vrouwelijke kleur weg van die van mannetjes.'

'In het vakblad Evolution Letters pakten biologen de kwestie aan bij Europese dagvlinders. In zijn boek over seksuele selectie wijdde Darwin trouwens een heel hoofdstuk aan deze kleurrijke insecten. De nieuwe studie toont dat kleuren van mannelijke vlinders sneller evolueren dan deze van vrouwtjes. Door analyse van de richting van de evolutie van seksuele kleurverschillen doorheen hun afstamming bleken veranderingen aan de mannelijke kant dubbel zo belangrijk voor het verklaren van seksueel dimorfisme dan veranderingen bij vrouwtjes. Hiermee biedt de studie ondersteuning voor het model van Darwin.'