Deel dit artikel

biologie en fysica lijken op het eerste gezicht weinig raakvlakken te hebben. als er echter een verklaring moet worden gevonden voor het gedrag en speciale eigenschappen van dieren, dan zijn de beide wetenschappen intens verstrengeld. alleen al met de basiswetten en eenvoudige principes van de fysica kan een heel elegante verklaring worden geboden voor een brede waaier aan gedragingen. in de bijenwereld bijvoorbeeld kunnen we bepaalde gedragingen begrijpen vanuit drie verschillende domeinen van de fysica: warmte, vloeistoffen en licht.

Bij-zondere voorbeelden uit de fysica

Liesbet Geris

In Furry Logic: The Physics of Animal Life illustreren Matin Durrani en Liz Kalaugher hoe biologie en fysica op elkaar inspelen. Ze geven een bijzonder onderhoudende opsomming van dierlijke gedragingen waar de fysica een verklaring geeft voor biologische observaties, of waar fysici uitgedaagd worden om nieuwe technieken en modellen te ontwikkelen om die observaties te kunnen verklaren. In wat volgt richt ik mij op drie voorbeelden uit de bijenwereld.

Op het Japanse platteland worden de honingbijen belaagd door de reuzenhoornaar, een wespachtig insect dat vooral daar voorkomt. Door hun grootte (5 cm) en de hardheid van hun exoskelet zijn reuzenhoornaars veel sterker dan de kleinere honingbijen. Een hoornaar markeert het bijennest dat hij wil aanvallen door het te besproeien met feromonen. Andere hoornaars komen op dit signaal af en als ze met minstens drie zijn, vallen ze samen het nest aan. Een hoornaar kan tot veertig honingbijen per minuut doden, een groep van twintig tot dertig hoornaars kan een volledige bijenkorf van 30 000 honingbijen in drie uur tijd uitmoorden. Dit is een ongelijke strijd, maar toch zijn de Japanse honingbijen erin geslaagd om een adequate verdediging uit te bouwen. Daarbij maken ze geen gebruik van hun angels omdat die toch niet door het harde exoskelet van de hoornaar geraken, maar wel van warmte.

Alle lichamen en objecten – of ze nu vast, vloeibaar of gasvormig zijn – bestaan uit atomen en moleculen. Bij temperaturen boven het absolute nulpunt (-273.15 °C oftewel 0 kelvin) zijn al die deeltjes in beweging. Temperatuur is dan een maat van de gemiddelde kinetische energie van die deeltjes. Wanneer twee lichamen met een verschillende temperatuur contact maken, zal het lichaam met de hoogste temperatuur warmte overdragen aan het andere lichaam. Die directe warmteoverdracht heet conductie. Warmteoverdracht tussen twee lichamen die niet in contact zijn, is mogelijk door straling; de warmte-energie reist dan door de lucht via elektromagnetische golven. Een derde vorm van warmteoverdracht is convectie. Daarbij wordt de warmte (of koude) meegevoerd door stroming van vloeistoffen of gassen. Bijen gebruiken nu deze drie vormen van warmteoverdracht als verdedigingsmechanisme tegen de Japanse reuzenhoornaar. Zodra de bijen het feromoonsignaal van de hoornaar bij hun nest opmerken, verzamelen ongeveer honderd werkers zich bij de ingang. Als de indringer het nest nadert schudden ze met hun buik alsof ze hem proberen te verjagen, waarna ze zich terugtrekken in de korf. De indringer denkt dat hij de overhand heeft, kruipt het nest in en gaat zo nietsvermoedend zijn ondergang tegemoet. Intussen heeft een duizendtal bijen hun honingraatplichten even aan de kant geschoven om het nest te verdedigen. Ongeveer vijfhonderd van hen kruipen rond de ongelukkige hoornaar in een dichte bijenbal (van amper een handbreedte in diameter). De rest staat klaar om op te ruimen. Na een ‘groepsknuffel’ van ongeveer twintig minuten verspreiden de bijen zich opnieuw en laten de hoornaar dood achter – samen met enkele honingbijen die de ontmoeting niet overleefd hebben.

Bijen gebruiken de drie vormen van warmteoverdracht als verdedigingsmechanisme tegen de Japanse reuzenhoornaar

Wat gebeurt er nu tijdens zo’n dodelijke groepsknuffel? Dit werd duidelijk toen er in 1995 warmtecamera’s werden ingezet om te kijken naar de bijenbal. De temperatuur in het centrum van de bal bedraagt een spectaculaire 47 °C. Dat is heel dicht bij de maximale temperatuur die bijen aankunnen (48-50 °C) maar – en dat is het belangrijkste – dat is boven de maximale temperatuur die hoornaars kunnen verdragen (44-46 °C). Dit fysiologische verschil geeft de bijen het beslissende voordeel in de strijd om te overleven. Dan blijft nog de vraag hoe bijen, die koudbloedige wezens zijn, de temperatuur zo hoog kunnen opdrijven. Het eerder vermelde buikschudden blijkt niet (alleen) onderdeel te zijn van een afleidingsmanoeuvre maar ook een opwarming voor het aankomende gevecht. Door de spieren in hun borstkas te vibreren drijven de bijen hun lichaamstemperatuur de hoogte in. Door daarna zo dicht op elkaar te kruipen wordt die warmte via conductie doorgegeven van bij tot bij en overgedragen op de hoornaar. In de kleine luchtopeningen in de bijenbal kunnen ook straling en convectie een handje toesteken. Een aangename bijkomstigheid van de bijenbal is dat de koolstofdioxide die door de bijen uitgeademd wordt de hoornaar verstikt – of hem minstens verzwakt – en hem daardoor nog minder in staat stelt om met de hoge temperaturen om te gaan.

Dit bijzonder efficiënte verdedigingsmechanisme wordt helaas niet gebruikt door alle soorten bijen. Europese honingbijen, die recent ingevoerd werden in Japan voor hun hoge honingproductie, hebben tot op heden nog niet geleerd om zich adequaat tegen de hoornaar te verdedigen. Eerst en vooral reageren ze niet op zijn feromoonsignaal. Vervolgens vallen ze de indringer aan, waarbij ze wel een bal lijken te vormen, maar omdat ze hem proberen te steken, kan die bal zich niet zo efficiënt organiseren en loopt de temperatuur onvoldoende hoog op. Met alle desastreuze gevolgen van dien.

Een tweede voorbeeld uit de bijenwereld waar biologie en fysica samenspelen zijn vloeistoffen. Bijen creëren immers wervelingen in de lucht waardoor ze tegen de verwachtingen van de conventionele aerodynamica in toch kunnen vliegen. Bijen hebben het niet onder de markt tegenwoordig. Langs alle kanten worden ze in hun bestaan bedreigd. Er is de mysterieuze bijenverdwijnziekte waarbij plotsklaps een hele kolonie bezwijkt en waar vooralsnog geen duidelijke verklaring voor gevonden is. Ook de varoamijt, virussen en pesticiden, die het geheugen van bijen aantasten zodat ze vergeten waar ze voedsel gevonden hebben, staan op de shortlist van milieuveranderingen die het de bijen niet gemakkelijk maken. Voorts is er steeds minder habitat voor bijen, enerzijds door het verdwijnen van onbespoten bloemenvelden ten voordele van intensieve landbouw, anderzijds door de gemanicuurde gazons waaruit elk bloem verbannen is. Daarnaast zijn er nog de aanvallen op bijenkorven door muizen, hoornaars en parasieten. En alsof dat allemaal nog niet erg genoeg is, hebben bijen ook nog eens kleine vleugeltjes.

Bijen creëren wervelingen in de lucht waardoor ze tegen de verwachtingen van de conventionele aerodynamica in toch kunnen vliegen

Bij de hommels (langharige bijen) zijn de vleugels van een werkster ongeveer even lang als haar lijf (11-17 mm). Ze zijn gemaakt van een transparante laag chitine, hetzelfde materiaal als het exoskelet van de bij. Met die transparante laagjes chitine moet een bij haar eigen massa in de lucht houden, plus hetzelfde gewicht aan eten dat in de vorm van pollen aan haar lijf kan blijven hangen. Hoe doet een bij dat? Alleszins niet door de klassieke regeltjes van de aerodynamica te volgen, want dan zou ze met die kleine vleugeltjes onvoldoende lift kunnen genereren om te vliegen. Bijen zijn blijkbaar in staat om lift te creëren op een manier die nog niet eerder beschreven was, en die we nog maar net beginnen te kopiëren in nieuwe technologische toepassingen. Zelfs met al onze krachtige computers en jets en helikopters en ruimteshuttles begrijpen we nog steeds niet volledig hoe het komt dat bijen kunnen vliegen. Maar vliegen doen ze.

De klassieke regels hebben betrekking op statische vleugels (van vliegtuigen) of op vleugels die kunnen worden benaderd als statisch, zoals bij vogels die – in vergelijking met de snelheid waarmee ze zich voortbewegen – traag met hun vleugels slaan. Bijen daarentegen bewegen hun vleugels 150 keer per seconde. Bovendien draait de bij tijdens het flapperen haar vleugels zodat bij het naar boven slaan van de vleugel de onderkant naar boven wijst. Op die manier wordt tijdens de opwaartse slag lift gegenereerd. Bijenvleugels verschillen dus wel heel veel van statische vleugels. Het resultaat van een berekening die uitgaat van een statische vleugel heeft bijgevolg weinig of niets te maken met de reële situatie van de bij. Een andere manier was het vereenvoudigen van de vlucht tot een serie van momentopnames, waarbij er voor elke momentopname gebruik kon worden gemaakt van de conventionele aerodynamica. Hiervoor werden heuse windtunneltjes gebouwd om bijen te filmen tijdens hun vlucht onder allerhande voorgeschreven condities en vliegsnelheden. Maar ook met deze benadering slaagden onderzoekers er niet in te verklaren waarom bijen kunnen vliegen.

De volgende stap was de poging om de vliegkunst van de bijen zelf na te bootsen. Charles Ellington en zijn collega’s in Cambridge (Verenigd Koninkrijk) creëerden in het begin van de jaren 1990 een bionisch insect. Omdat bijen net iets te hoog gegrepen leken werd een bionische doodshoofdvlinder gebouwd. Die is wat groter en heeft een lagere flapperfrequentie, wat het bestuderen makkelijker maakt. Om het nog eenvoudiger te maken bouwden de onderzoekers een bionisch insect dat tien keer groter was dan het origineel, met een totale vleugelspan van één meter. Vervolgens werd er rook over de vleugels van het bionisch insect geblazen om te visualiseren wat er precies rond die vleugels gebeurde. Met dat experiment gaf de bij voor het eerst een deel van haar vlieggeheimen vrij. Bij de klassieke aerodynamica beweegt de rook netjes over de vleugel en vloeit er aan de achterkant weer af. Hier gebeurde iets helemaal anders. De rook deed acrobatische toeren, draaide rond en bewoog ten slotte in een richting loodrecht op de richting van de vlucht. Door de combinatie van specifieke fysische eigenschappen van de vleugel en de zeer hoge flapperfrequentie wordt dus een werveling gecreëerd boven de vleugel; die zuigt de vleugel opwaarts en creëert een extra lift. Het mysterie leek opgelost, althans gedeeltelijk. Nu het duidelijk was waar ze precies naar moesten kijken, hebben wetenschappers intussen hetzelfde fenomeen ook vastgesteld bij roterende propellerbladen, zoals in helikopters en windturbines. Het mechanisme werd dus al gebruikt voor men het begreep. Of hoe de natuur toch steeds opnieuw al een patent blijkt te hebben op onze meest ingenieuze uitvindingen.

Bijen gebruiken specifieke dansbewegingen om hun korfgenoten op de hoogte te brengen van waar er voedsel kan worden gevonden

Een laatste voorbeeld is licht: bijen gebruiken gepolariseerd licht om hun weg naar huis te vinden. De Europese honingbijen mogen dan de voordelen van het buikschudden van hun Japanse soortgenoten nog niet beheersen, het zijn wel goede dansers. In die dansbewegingen ligt het geheim van de bijennavigatie. Ze gebruiken specifieke dansbewegingen om hun korfgenoten op de hoogte te brengen van waar er voedsel kan worden gevonden. Afhankelijk van de afstand tussen de bijenkorf en de vindplaats van nectar en pollen zal de bij een ander danspatroon vertonen. De code bleek niet moeilijk te achterhalen. Wanneer het eten honderd meter van de korf verwijderd is, zal de werkster tien korte rondjes dansen in vijftien seconden. Maar wanneer het eten drieduizend meter verwijderd is, zal ze in diezelfde tijd drie grotere circuits vliegen. Het verband is zelfs zo exact dat wetenschappers via observatie van de dans zelf ook het voedsel kunnen terugvinden. Het inschatten van de juiste afstand doet een bij door te kijken naar de mate waarin haar beeld van de wereld die ze waarneemt tijdens de vlucht verandert. Maar afstand alleen is natuurlijk nutteloos als je niet de juiste richting kunt aangeven. De vraag blijft dus hoe bijen erin slagen om de richting te communiceren in hun dans.

Een bijenkorf bevat vele honingraten die verticaal staan. Nobelprijswinnaar Karl von Frisch en collega’s hebben in de jaren 1940 ontdekt dat de hoek van de circuits die de bij danst ten opzichte van een verticale as verband houdt met de hoek tussen het voedsel, de bijenkorf en de zon. Als de korf, het voedsel en de zon allemaal op een rechte lijn liggen, dan doet de bij haar dansje verticaal omhoog. Maar wanneer de lijn van voedsel naar de korf 60 ° gedraaid is in tegenwijzerzin van de lijn van de korf naar de zon, dan zal de bij het rechte stuk van haar dans uitvoeren op 60 ° tegenwijzerzin ten opzichte van de verticale as. Met andere woorden, bijen gebruiken de verticale as, die ze kunnen detecteren door de aantrekkingskracht van de zwaartekracht op hun lijfjes om de positie van de zon te symboliseren. Als je de honingraat horizontaal zet in een bijenkorf zonder venster, raakt de bij in de war, want wanneer ze zich niet meer op de zon kan oriënteren, worden haar danspatronen een rommeltje. Als je met een sterk elektrisch licht in de verduisterde bijenkorf schijnt, zijn de bijen meteen terug van weggeweest met de lamp als hun nieuwe referentiepunt. De bijen moeten niet per se de zon zien, een klein streepje licht is al voldoende – wat natuurlijk wel een verschil maakt in landen zoals België, waar het vaak bewolkt is. Om te begrijpen wat bijen precies gebruiken om zich te oriënteren moeten we even te rade bij de lichttheorie van James Maxwell.

Licht kan worden gezien als een set van golven opgebouwd uit elektrische en magnetische velden. Die velden fluctueren op en neer langs assen in een rechte hoek ten opzichte van elkaar. De straling afkomstig van de meeste lichtbronnen en van de zon is ‘ongepolariseerd’, dat wil zeggen dat het elektrische veld constant verandert en het magnetische veld, dat loodrecht op het elektrische veld staat, dus ook. Bij gepolariseerd licht daarentegen beweegt het elektrische veld constant in dezelfde richting. Bijen zijn in staat om het polarisatiepatroon van de hemel te gebruiken wanneer ze de zon zelf niet zien. Dat polarisatiepatroon volgt de baan van de zon van het noorden tot aan het hoogste punt aan de hemel en dan verder naar het zuiden omlaag. Als je het licht dat binnenvalt in een korf door een polaroidfilter laat gaan en zo de richting van de polarisatie van het licht wijzigt, veranderen de bijen de richting van hun dans. Ondertussen weten we dat bijen niet de enige dieren zijn die de polarisatie van licht gebruiken. We weten ook dat dieren polarisatie van het licht gebruiken voor alles gaande van navigatie en detectie van de vijand tot camouflage en communicatie. Maar hoe bijen en andere dieren de polarisatie van het licht exact kunnen waarnemen is vooralsnog onduidelijk.

Bovenstaande voorbeelden zijn slechts het tipje van de ijsberg van de verstrengeling van biologie en fysica. Voor om het even welk dier zijn er processen waar met inbreng van simpele principes uit de fysica een verklaring kan worden gevonden voor het geobserveerde gedrag. De bij blijkt hiervoor wel een bijzonder dankbaar studieobject, dat niet alleen maar mooie voorbeelden aanlevert van het gebruik van fysica in de biologie (polarisatie en warmte) maar zelfs een directe aanleiding is tot de ontdekking van nieuwe aerodynamische mechanismen.

Een logisch gevolg van de studie van het gedrag van dieren is dat de bestudeerde eigenschappen kunnen worden ingezet bij het ontwikkelen van nieuwe technologieën. Dit domein wordt ‘biomimetisme’ genoemd. Een eerste vorm van biomimetisme is zich inspireren op de natuur voor het ontwikkelen van nieuwe producten, van plakband geïnspireerd op de plakkerige voeten van gekko’s, over zelfreinigende frigowanden, geïnspireerd op de haaienhuid, tot pigmentvrije verf, geïnspireerd op pauwenveren. Een tweede vorm is het gebruiken van natuurlijke processen als inspiratiebron. Voor het maken van de nieuwe generatie levende implantaten voor skeletale defecten kijken de onderzoekers naar de processen zoals ze voorkomen tijdens de embryonale ontwikkeling in de baarmoeder en proberen dit proces na te bootsen om een zo robuust mogelijk implantaat te creëren met de cellen van de patiënt. De derde vorm van biomimetisme is het bestuderen en emuleren van ecosystemen. Een voorbeeld hiervan is duurzame textielproductie, geïnspireerd op het ecosysteem van bossen waarbij alle onderdelen (zoals ontwerp, productie, transport, verkoop en recyclage) deel uitmaken van een groter harmonieus geheel. Biomimetisme is een veld in volle opgang en dat hoeft niet te verwonderen want de natuur heeft miljoenen jaren de tijd gehad om alle producten, processen en ecosystemen te optimaliseren. Een betere bron van inspiratie voor het oplossen van onze meeste complexe technische vragen is moeilijk denkbaar.

Matin Durrani en Liz Kalaugher, Furry Logic: The Physics of Animal Life. (Londen: Bloomsbury Sigma, 2017).

Liesbet Geris is hoogleraar computationele weefselbouwkunde aan de universiteit van Luik en de KU Leuven. Samen met haar team en hun klinische en industriële partners zoekt ze naar oplossingen voor het herstel van grote en niet-helende skeletale defecten.

Deel dit artikel
Gerelateerde artikelen