3. Stimulering van
interdisciplinair onderzoek
3.1. Inleiding
Wetenschappelijk onderzoek in nieuwe richtingen of buiten de algemeen geac-cepteerde (disci pli naire) grenzen komt soms moeilijk tot ontwikkeling. Dat heeft te maken met inhoudelijke belem me ringen als de onbekendheid van het nieuwe terrein. Dat leidt tot problemen bij de for mulering van onder zoeks-vragen, onbekendheid met en experimentele en technische mogelijkheden. Maar ook fi nancieel-or ga ni sa tori sche problemen kunnen een rol spelen, evenals de moeilijk heid aanstaande en jonge on der zoekers in een nieuw vakgebied op te leiden. Op betrek kelijk korte ter mijn kunnen nieuwe richtingen in onder zoek worden gestimuleerd door het instellen van onderzoeksprogramma’s in de tweede geldstroom. Voor de langere termijn zijn de vormgeving van studierichtingen en onderzoekers oplei dingen van be lang om het onderzoek in vakgebieden te stimu-leren of op peil te houden. Een enkele opmerking over onderwijs en fi nanciering van de natuurkunde van levende materie is hier op zijn plaats. Voorts wordt als voorbeeld een aantal ini tia tieven genoemd die in het buitenland zijn genomen om het onderzoek op het raakvlak van natuur kunde en levens weten schappen te steunen. Tot slot volgen enkele opmerkingen over de Nederlandse uitgangspositie voor nieuw onderzoek.
3.2. De rol van het onderwijs
Het onderwijs in de natuurkunde van levende materie vraagt om twee redenen aandacht. Ten eerste is de belangstelling van scholieren voor natuur- en exacte wetenschappen al jaren tanende. Ook al is het ar beids marktperspectief voor afgestudeerden in deze wetenschappen goed, de diversiteit van func ties die men kan vervullen draagt bij aan de onduidelijkheid van het beroepsperspectief en vormt daarom vaak aanleiding om een andere studie te kiezen. Deze nega tieve beeldvorming is veel minder van toe passing op de levenswetenschappen. Voor ge neeskunde en biologie bestaat veel interesse. Ook nieuwe opleidingen waarin levensweten schap pelijke en technologische kennis wordt gecombineerd, staan in de belangstelling van (aanstaande) stu denten. Aandacht in het onderwijs van exacte vakken voor de levenswetenschappen of voor levend materiaal kan er daarom toe bijdragen dat de instroom in de exacte en natuurwetenschappelijke vakken niet verder daalt of zelfs weer gaat toenemen. Ten tweede verschillen de uitgangspunten en werkwijzen in de natuurkunde en in de levensweten schappen sterk van elkaar. Ten behoeve van het natuurkundige onderzoek van levende materie is het daarom van belang in onderwijsprogramma’s voor aanstaande onderzoekers zowel levensweten schap pen als natuurkunde op te nemen. Dat be-vordert inzicht in de thema’s die in het onderzoek in elk van beide disci plines een rol spelen. Tevens draagt het leren spreken van elkaars taal bij aan begrip voor de cultuur van het onderzoek in elk van beide vak gebieden, natuurkunde en levens-wetenschappen.
De awt stelt vast in zijn rapport Vitaliteit en Kritische Massa (1999) dat de instroom in de vakken wiskun de, natuurkunde en scheikunde te laag is om alle thans bestaande opleidingen en onderzoeks faciliteiten open te houden. De vsnu heeft in reactie op het awt-rapport een Bachelor-Master con venant ge schre ven waarin de universiteiten afspraken maken over de samenwerking in het onder-wijs in de (tech nische) natuurwetenschappen. De universiteiten streven naar goede doorstroommoge lijk heden tussen natuurwetenschappen onderling en tus-sen natuur- en levenswetenschappen. De vsnu con sta teert een toenemende be-hoefte bij studenten aan multidisciplinaire opleidingen en de univer si teiten met (technisch) natuurwetenschappelijke opleidingen streven er naar nauw samen te werken om aan deze vraag tegemoet te komen. Voor de werving van studenten en opleiding van onderzoekers in het gebied van natuurkunde van levende materie kan een aanbod van aansluitende bachelors- en mas ters opleidingen gunstig zijn wanneer ook de levenswetenschappen in deze samenwerking worden betrokken.
Thans worden al studierichtingen aange bo den met een multidisciplinair karakter. Een groot aantal uni versiteiten heeft bachelors- en
mastersprogram-ma’s voorbereid waarin delen van natuur- en le vens we tenschappen zijn verenigd. Onder studenten bestaat betrekkelijk grote belangstelling voor der gelijke op-leidingen. Daarbij valt op dat ze vooral aantrekkingkracht hebben op studenten met een bio lo gi sche of een technische belangstelling. Studenten wier belangstel-ling in de eerste plaats uitgaat naar de na tuur kunde kiezen eerder voor een mo-nodisciplinaire studie. Vanuit natuur kun dige en levenswe ten schappelijke basis-opleidingen moet het mogelijk zijn door te stromen naar een mas ters opleiding op het gebied van natuurkunde van levende materie. In natuurkundige bachelors-opleidingen zou daarom (keuze)ruimte moeten zijn voor levenswetenschappe-lijke vakken en in le vens weten schap pelijk bachelorsopleidingen moet studenten de mogelijkheid worden geboden zich de fysische ma nier van denken eigen te maken.
In recente plannen voor de vormgeving van natuurwetenschappelijk opleidin-gen wordt een sterke bun deling van opleidinopleidin-gen in drie hoofdrichtinopleidin-gen voorge-steld:
– Levenswetenschappen en technologie: biologie, een groot deel van de schei-kunde, milieu- en farmaceutische wetenschappen; een koppeling met medi-sche wetenschappen.
– Natuurwetenschappen en technologie: wiskunde, natuurkunde, sterrenkun-de, een deel van de scheikunde; een relatie met bedrijfskunde en economie. – (Technische) informatica: informatica, kunstmatige intelligentie,
informatie-kunde.
Het Bachelor-Masterconvenant van de vsnu scheidt de opleidingen in wis-, natuur- en scheikunde in algemene universiteiten af van die in technische uni-versiteiten. De natuurkunde wordt daardoor op af stand geplaatst van de levens-wetenschappen. Het is duidelijk dat binnen een dergelijke indeling de in teractie tussen beide gebieden niet vanzelf tot stand komt. Spe ciale aandacht moet daarom uitgaan naar het opzetten van onderwijs dat voorbereidt op onderzoek in de natuurkunde van levende materie. In dat onderwijs wordt aandacht besteed aan een breed scala van thema’s uit natuurkundig en levens we ten schappelijk onderzoek. Reeds in het voortgezet onderwijs moe ten leerlingen de mogelijkheid heb ben zowel natuurkunde als biologie te volgen. In het hoger on derwijs moet de combinatie nog steeds eenvoudig kunnen worden gemaakt.
3.3. Onderzoeksfi nanciering
De fi nanciering van het onderzoek in de natuurkunde van levende materie kan worden gerealiseerd volgens de thema’s uit het vorige hoofdstuk. Een duidelijke structuur van onderzoeksfi nanciering is met name in dit veld van belang omdat het om multidisciplinair onderzoek gaat.
De steun vanuit bestaande disciplines voor ontwikke lingen in het grensgebied van natuurkunde en le vens wetenschappen verdient nadere aandacht. Het uit-gangspunt is dat nieuwe ontwikkelingen een kans moeten krijgen. Het is echter zo goed als onmogelijk te voorspellen of een bepaalde vorm van na tuurkundig on der zoek op termijn een belangrijke bijdrage zal leveren aan de beantwoording van bio lo gi sche vragen, of omge keerd. Het is wel mogelijk om op basis van een
educated guess een ver wach ting op te stellen. Teneinde enig overzicht te krijgen
kunnen aanvragen voor fysisch-biolo gisch on der zoek in vier categorieën worden onderscheiden:
1. Onderzoek dat zowel voor fysici als voor onderzoekers in de levens weten-schappen interessant lijkt.
2. Onderzoek dat nu voor de levenswetenschappen relevant is, maar dat (nog) geen directe con se quen ties heeft voor fysisch onderzoek.
3. Onderzoek dat thans voor de natuurkunde interessant lijkt, maar waarvan het belang voor de le vens wetenschappen nog moet blijken.
4. Tenslotte is er speculatief onderzoek waarvan de relevantie voor beide takken van wetenschap nog zal moeten blijken.
Voor het onderzoek in de eerste categorie (nu relevant voor beide groepen) zou het weinig moeite moe ten kosten een onderzoeksstrategie en een prioritering van onderzoeksprojecten te formuleren. Voor het onderzoek in de tweede categorie (nu alleen relevant voor de levenswetenschappen) kunnen strategie en pri oriteiten het beste door biologen worden vastgesteld. Voor het onder zoek in de derde cate-gorie moeten strategie en prioriteit door natuurkundigen worden vast gesteld. De vraagstellingen van onderzoek in deze categorie zullen fy sisch van aard zijn ook al zullen levenswetenschappelijke in zichten een belangrijke rol spelen. Men zou geneigd zijn om de laatste cate gorie (eventueel in een la ter stadium relevant voor een of voor beide groepen onderzoekers) buiten beschou wing te laten. Toch is dat niet verstandig. Er moet, ook in de toe komst, ruimte blijven voor bril jant maar tegendraads on der zoek. De beoordeling van der gelijke on derzoeksvoorstellen is met behulp van peer review maar in beperkte mate mogelijk. De bes te metho de om ruimte te laten voor dit soort werk bestaat uit het toe kennen van persoonsge-bonden steun aan bril jan te onderzoekers.
De rol van de natuurkunde verschilt voor de bovengenoemde catego rie ën. Bij het initiëren van on der zoek van categorie 1 (zie hierboven), ligt een interdiscipli-naire fi nanciering voor de hand. Bij onder zoek van categorie 2 zullen organisaties die biologisch onderzoek fi nancieren een voortrekkersrol moe ten vervullen. Bij onderzoek van categorie 3 zullen juist de fysische organi saties het voortouw moe-ten nemen. Zodra blijkt dat onderzoek dat in eerste instantie past in een van de categorieën 2 of 3 voor natuurkunde én levenswetenschappen relevant is, dient
samenwerking en (fi nanciële) steun van uit beide disciplines te worden bewerk-stelligd. Dit onderzoek is dan tot de eerste categorie gaan beho ren.
De uitwerking van thema’s voor onderzoek in de categorieën 1 en 2 is van belang voor de sa menwer king tussen natuurkundigen en levenswetenschap-pers. Deze uitwerking staat echter voor de onder ha vi ge verkenning op de tweede plaats. Het gaat er nu juist om die gebieden van onderzoek aan biolo gi sche sy-stemen en materialen te identifi ceren die toegankelijk wor den dankzij recente ontwikkelingen in de natuurkunde.
3.4. Ontwikkelingen buiten Nederland
Mondiaal gezien maakt veel onderzoek dat voor de verkenning relevant is deel uit van een van de (sub)disciplines bio fysica, moleculaire biologie, natuurkunde van levende materie of fysische biologie. Aangezien deze verkenningsactiviteit beperk t van omvang is en de grenzen van het te verkennen onderzoeksterrein diffuus zijn, is het niet mogelijk een ‘volledige’ in ven tarisatie te maken van na tuur kundig onderzoek aan le vend mate ri aal. Bovendien bestaan sommige sa menwerkings-verbanden voor na melijk uit een losse bundeling van afzonderlijk opererende (mono disci plinaire) onder zoeks groepen. Enkele initiatieven zijn echter als voor-beeld het vermelden waard. Het eer ste betreft de orga nisatie van het levenswe-tenschappelijk on der zoek aan de University of Michigan en de bouw daarvoor van een ‘stenen instituut’. Het tweede gaat over een speciale vorm van on der zoeks-stimulering door de National Institute of General Medical Sciences in de Ver-enigde Staten met als doel de samenwer king van on der zoekers uit ver schillende disciplines te bevorderen. Het derde betreft een initiatief van het Franse Centre National de Recherche Scientifi que waarmee samen wer king tussen onderzoekers in de na tuur kunde en de levens we tenschappen wordt gestimuleerd, maar dan geïnitieerd vanuit de natuur we ten schappen. Bij wijze van voorbeeld zijn twee instituten vermeld waar in natuurkundigen en biologen een traditie hebben op-ge bouwd om ‘onder één dak’ samen te werken: het Centre for Studies in Physics and Biology (Rockefeller University) en het Institut Curie te Parijs. Tot slot wordt verwezen naar twee Max Planck Instituten, in Dresden en Dortmund.
De University of Michigan kent het Life Sciences Institute. De universiteit streeft er naar onderzoekers uit de biologie, informatica, scheikunde, natuurkun-de en klinische geneeskunnatuurkun-de onnatuurkun-der één dak te huis vesten. De aanleiding voor dit initiatief is de overtuiging dat voor de oplossing van problemen in de levenswe-tenschappen samenwerking tussen onderzoekers met verschillende academische achter gron den nood zakelijk is. Het instituut zal in het najaar van 2003 worden geopend. Het hoofdprogramma van het on der zoek betreft de signaaloverdracht
in en tussen cellen. Onder zoeksthema’s zijn biocomplexiteit, bio-in formatica, biotechnologie en translationeel onderzoek, scheikundige en structurele biologie, cogni tie ve neurowetenschappen, genomics en complexe genetica, en maatschap-pelijke en ethische aspecten van levenswetenschappen.
Het National Institute of General Medical Sciences (onderdeel van de Na-tional Institutes of Health, vs) biedt mogelijkheden om integrerend onderzoek te doen naar biologische processen. Het uit gangs punt daarbij is dat hoewel veel kennis van moleculaire processen nog ontbreekt, inmiddels vol doende bekend is om complexe problemen op het gebied van de levenswetenschappen aan te pakken. Met zoge naamde glue grants wordt de mogelijkheid geboden zowel het eigen onderzoek voort te zetten (disciplinair) als interdisciplinaire onderzoekssa-menwerking te starten, teneinde complexe biologische problemen te bestuderen. De sa menwerking van onderzoekers uit natuurkunde, technische wetenschap-pen, wiskunde, infor mati ca met onderzoekers uit de levenswetenschappen wordt hiermee bevorderd.
Het Franse Centre National de la Recherche Scientifi que heeft in het laatste paar jaren van de vorige eeuw het programma Physique et Chimie du Vivant uitgevoerd. Dit programma had als doel de sa men werking tussen natuurkun-digen, scheikundigen en biologen te bevorderen door innovatief on der zoek aan biologische problemen te stimuleren. Een van de doelen van het programma was gebruik te maken van de verworven kennis van genetisch materiaal.
Aan de Rockefeller University, New York, werken natuurkundigen en biologen samen in het Centre for Studies in Physics and Biology. Dit instituut is opge-richt om de wisselwerking tussen natuur kun di gen en biologen te vergroten; het biedt ruimte en faciliteiten aan onderzoekers uit beide disciplines. Het bevordert samenhang in natuurkundig en wis kun dig onderzoek van biologische systemen, onder meer door informele contacten te sti mu leren tussen onderzoekers uit ver-schillende disciplines. De sa men wer king tussen beide groepen on derzoekers kan nieuwe bena de ringen voor biologische problemen op leveren en nieuwe richting-en voor na tuurkundig onderzoek. Er wordt onder meer onderzoek gedaan naar niet-lineaire dynamica in na tuur kundige processen en dyna misch gedrag van biologische struc tu ren. Met behulp van statistische fysica en numerieke metho-den wormetho-den modellen ontwikkeld van cel lu laire bio fy si sche processen, zoals de vouwing van bio-macro moleculen. Statistische mecha nische technieken worden toegepast bij het analyseren van genoom informatie. Bij het onderzoek naar wissel-werkingen tussen eiwitten wordt gebruik gemaakt van fl uo rescentietechnieken. In het Institut Curie, Parijs, wordt onderzoek gedaan naar biologische vraagstuk-ken met behulp van natuur kun dige tech nie vraagstuk-ken. Het onderzoek is onder meer gericht op de dynamica van cytoskeletten, mo le cu laire motoren en polymerisatie
van rna en dna, maar ook op het ontrafelen van de fysica die ten grondslag ligt aan de geluidsdetectie door haarcellen.
In de biologisch-geneeskundige sectie van het Max-Planck-Gesellschaft wordt in een aantal institu ten voor levenswetenschappelijk onderzoek gebruik gemaakt van natuurkundige principes of van met behulp van natuurkunde ontwikkelde ap pa ratuur. Het onderzoeksoogmerk ligt daar echter primair in de ge nees kunde of de biologie. Voor het type onderzoek waar deze verkenning naar uitgaat zijn voor beel den te vinden in de sectie natuur-, scheikunde en technische weten-schappen, zoals het Instituut voor de natuurkunde van complexe systemen te Dresden, waar onderzoek wordt gedaan naar kracht en bewe ging in cellen en naar dynamische eigenschappen van membranen. In deze zelfde sectie van het Max-Planck-Gesellschaft wordt in het nieuwe Instituut voor moleculaire fysiolo-gie, Dortmund, onder zoek gedaan naar relaties tussen structuur en functies van eiwitten die een rol spelen bij signaal over dracht en energietransport.
3.5. ‘Nederland in de startblokken’
Het raakvlak van natuurkunde en levenswetenschappen breidt zich momenteel sterk uit. Sinds enkele jaren leiden mogelijkheden op gebied van instrumentatie en inzichten in levensprocessen tot geheel nieu we invalshoeken voor natuur-kundig onderzoek aan levend materiaal. Een analyse van sterke en min der sterke onderzoeksgroepen op dit gebied in Nederland is daarom nu nog niet te geven. Ook maakt de ver nieu wing die nu plaatsvindt het zo goed als onmogelijk om bij deze verkenning terug te grijpen op in het verleden uitgevoerd onderzoek in de natuurkunde van levende materie. De Verken nings com mis sie kan om deze reden geen overzicht geven van past performances op het terrein van de natuur kun de van levende materie. Andere organisaties die onder zoek beoordelen hebben dat voor het onder havige onderzoek in het recente verleden evenmin gedaan, omdat natuurkunde van levende materie niet werd gezien als een aandachtspunt.
De Verkenningscommissie meent echter wel dat in Nederland delen van het onderzoek in de natuur kunde, scheikunde, wiskunde en biologie een zeer gun-stige uitgangspositie hebben voor natuurkundig onderzoek aan levend materiaal en levende systemen. Samenwerking met groepen in de te noemen subdisciplines en onderzoeksgebieden zou kunnen worden bevorderd. Aan de hand van vsnu-on der zoeksbeoorde lingen van de scheikunde (2002) en bio lo gie (najaar 1999), het verkenningsrapport Bio-exact mondiale trends en nationale positie in biochemie
en biofysica, een recente studie in opdracht van het Gebied Chemische
Weten-schappen van nwo en een no ti tie van fom over fysica van levens pro cessen is dit beeld als volgt nader te onderbouwen.
Voor de scheikunde is het onderzoek in de biochemie, moleculaire biologie, katalyse en vloeistoffen en grensvlakken van belang. Ook op het gebied van spec-troscopie (structuurbepaling van grote (bio) mo leculen), colloïdchemie (ontwik-keling van colloïdale deeltjes, functionele colloïden, structuur vor ming in colloï-dale systemen), structuuranalyse in biochemie en microbiologie, eiwitdynamica en delen van het materialenonderzoek kent Nederland goede onderzoeksgroepen die zouden kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van natuurkunde van levende materie.
In de biologie kan samenwerking met onderzoekers uit de natuurkunde tot grote vooruitgang leiden, met name op het gebied van kwantitatieve analyse van biologische processen op moleculair en cel lu lair niveau en van modelmatige analyse van fysiologische processen zoals signaaltransductie in zowel dierlijke, plantaardige als microbiologische systemen. De uiteindelijke uitdagingen zul-len liggen bij modelmatige analyses van biologische processen op het niveau van organismen en op ecologisch niveau. Daarnaast zul len technische ontwikkeling-en van fysische techniekontwikkeling-en eontwikkeling-en sterke verbetering mogelijk makontwikkeling-en van on-line analyses van biologische processen op alle organisatieniveaus.
In de natuurkunde zelf zijn het onderzoek naar mechanische en dynamische functies van bio molecu len, microscopische dynamica van biomacromolecu-len en bionano technologie van belang. De statis tische fysica is in een goede uitgangspositie om inzicht te verschaffen in bio mo leculaire regel net wer ken en signaaloverdracht. De natuurkunde kan voorts bijdragen aan onderzoek naar de complexe en hiërarchische architectuur van de cel. Daarbij kan worden gedacht aan dynamica van het cyto skelet, biopolymere materialen, transport in en door membranen en de ordening van chromatine.
Samenwerking vanuit de hierboven genoemde deelgebieden kan Neder-land een sterke uitgangspositie opleveren voor single molecule-onderzoek, spectroscopie en imaging. Ook op het gebied van de fy si sche verwerking van zintuiglijke waarnemingen en, meer algemeen, de modelvorming binnen de sys teembiologie, kan Nederland, mondiaal gezien, een vooraanstaande plaats innemen.
