Mosselbedden zijn ‘zo sterk als staal’
01-07-2013 Mosselbedden zijn niet een willekeurige verzameling mossels, maar de mossels vormen een patroon dat lijkt op de manier waarop moleculen en atomen zijn gerangschikt in materialen als brons en staal, of in polymeren zoals rubber. Een team van ecologen en wiskundigen van het NIOZ Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee en de universiteiten van Utrecht en Leiden, onthullen hun bevindingen in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) van 1 juli.
“We ontdekten in onze studie dat mossels een patroon vormen volgens het principe van ‘fase-scheiding’, een binnen de ecologie onbekend proces,” benadrukt drs. Quan-Xing Liu van het NIOZ, op dit moment verbonden aan de Universiteit van Amsterdam. Fase-scheiding, waarbij moleculen en atomen van een verschillend type zich van elkaar scheiden en daarbij ruimtelijke patronen vormen, is een belangrijk fysisch proces wat de sterkte verklaart van legeringen zoals brons en staal, of polymeren zoals rubber.
Ecologische modellen die het ontstaan van regelmatige, zelf-georganiseerde ruimtelijke patronen verklaren, waren tot nu toe voornamelijk gebaseerd op ruimtelijke verschillen in de groei of sterfte van organismen. Het principe achter fase-scheiding is gebaseerd op beweging, en betreft dus het gedrag van dieren. Dat is dus een fundamenteel ander proces van ecologische patroonformatie,” voegt Liu toe.
Experimenten voor in de schoolklas
“Deze ontdekking werd gedaan met een heel simpel experiment, dat in elke schoolklas herhaald kan worden,” zegt prof. dr. Johan van de Koppel van het NIOZ, de begeleider van Liu. “We hebben mossels gelijkmatig uitgespreid over de bodem van een aquarium en met behulp van een camera zien we dat de mossels vervolgens een regelmatig verspreid patroon vormen. Dit patroon vormt uiteindelijk een soort net, wat erg lijkt op het patroon wat in natuurlijke mosselbedden wordt gevonden. In deze netvormige patronen zijn de mossels goed beschermd tegen golven en tegen roofdieren zoals meeuwen, die graag een hapje mossels nuttigen.”
Quan-Xing Liu maakte vervolgens een wiskundige beschrijving van de beweging van de mossels, wat hij integreerde in een model. Tot zijn verrassing leek dit model erg op het klassieke model voor fase-scheiding dat Cahn en Hilliard in 1958 ontwikkelden. Fase-scheiding leidt tot de vorming van bijenraat-vormige structuren in materialen, die polymeren en legeringen zoals brons en staal heel sterk kunnen maken. Deze resultaten benadrukken dat hetzelfde proces mosselbedden robuust maakt. Mosselbedden zijn, zogezegd, ‘zo sterk als staal’.
Een algemeen principe
De resultaten van deze studie overstijgen de ecologie van de mossel. Aggregatie en patroonvorming door bewegende dieren is een fenomeen dat bij veel soorten gevonden wordt. Mogelijk is het principe van fase-scheiding toe te passen op meer aggregerende dieren, zoals bijvoorbeeld foeragerende vogels, of de vorming van mierennesten.
Het onderzoek benadrukt bovendien dat zelfs in de 21e eeuw wetenschappers nog steeds universele principes kunnen ontdekken die fenomenen verklaren in totaal verschillende disciplines, zoals materiaalkunde en ecologie.
Dit onderzoek is financieel ondersteund door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) via het Nationaal programma voor Zee- en Kustonderzoek: het Project WaddenEngine, en door het Mosselwad project, gefinancierd door het Waddenfonds en het Nederlandse Ministerie van Infrastructuur en Milieu.
/////
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 1 2013.
Meer informatie:
Peter Herman, NIOZ, 0113 - 577 475, 06 - 51 34 67 58
Nienke Bloksma, NIOZ Communicatie, 0222 - 369 460, 06 - 53 49 47 14