Het is een fascinerende tak van wetenschap: de biomimicry, oftewel leren van de natuur. Deze aanpak heeft al talloze nieuwe inzichten en producten opgeleverd. Oók in ons vakgebied verkeer en vervoer, weet Marcin Korecki van ETH Zürich en TU Delft. In deze bijdrage vertelt hij over zijn eigen biomimicry-inspanningen: wat kunnen we leren van mycorrhizale netwerken?
Leren van de natuur is ook ons vakgebied niet vreemd. In de jaren ’90 bijvoorbeeld nam Eiji Nakatsu de ijsvogel als model bij het ontwerpen van de aerodynamische neus van de Japanse hogesnelheidstrein. In 2010 bestudeerden Atsushi Tero en zijn team een slijmzwam om vervoersnetwerken robuuster te maken. En dan hebben we nog het recent afgeronde EU-project DIT4TraM, waarin onder meer TU Delft werkte aan een netwerkmanagementaanpak geïnspireerd op de gedistribueerde intelligentie van zwermen spreeuwen.
Wij hebben de traditie voort willen zetten en hebben ons dit jaar aan de TU Delft verdiept in mycorrhiza, een symbiose van schimmels en wortels van planten. Samen vormen die een complex netwerk dat ‘goederen’ vervoert: koolstof, stikstof, fosfor enzovoort. We kunnen ‘vervoermiddelen’ onderscheiden en er zijn ook ‘terminals’, voor de overslag van de goederen. Daarmee vormt het complex van planten (bomen) en mycorrhiza in feite een vervoerssysteem – een biologische evenknie van ons menselijke, meer op technologie gestoelde vervoerssysteem.
In deze bijdrage staan we kort stil bij enkele interessante overeenkomsten tussen beide systemen. Dat geeft ons voldoende basis om daarna ook wat lessen te trekken: doet de mycorrhiza het op onderdelen misschien beter dan wij?
OVEREENKOMSTEN
Modaliteiten en knooppunten
We noemden al dat we in ons plantaardige vervoerssysteem verschillende modaliteiten kunnen onderscheiden. Het floëem en xyleem bijvoorbeeld vervoeren binnen een bepaalde plant of boom – vergelijkbaar met bussen en trams die de buurten van een stad verbinden. Het mycorrhizale netwerk zelf is voor het vervoer tússen planten of bomen. Dat komt overeen met ons intercityvervoer. Een andere vorm van ‘interplanttransport’ is de directe afgifte van elementen aan de bodem. Die elementen kunnen ook, zij het met enige moeite, andere planten bereiken. Deze rudimentaire vervoersvorm heeft wel wat weg van lopen, onze meest ‘basic’ vervoerswijze.
Als er meerdere modaliteiten zijn, zijn er vanzelf ook terminals en knooppunten nodig. Zo heeft mycorrhiza arbuskels, een soort zuigorganen waarmee het stoffen naar binnen trekt.
Herkomst en bestemming
Wie vervoersnetwerken bestudeert, zal al snel herkomst-bestemmingmatrices opstellen: wie of wat reist van waar naar waar? In het geval van supply chains worden de oorsprong en bestemming van commodities vaak bepaald door de verdeling van hulpbronnen: waar is erts, koper of gas te vinden en waar is dat nodig? Vervoer (transport) is in dit opzicht nauw verbonden met factoren als geografie en economie.
Interessant genoeg zijn er bij mycorrhiza vergelijkbare vervoerspatronen tussen ‘rijke’ oorsprongen en ‘arme’ bestemmingen geïdentificeerd. Koolstof kan zo van de ene (koolstofrijke) boom via het netwerk van schimmels en wortels naar een andere (koolstofarme) boom reizen.
Topologie
De topologie van het netwerk hangt ook af van de fysieke omstandigheden. Bergen, dalen, rivieren en meren: ze bepalen alle nadrukkelijk hoe een vervoersnetwerk eruitziet.
Iets soortgelijks speelt bij mycorrhizale netwerken. Sommige schimmels groeien bijvoorbeeld niet of nauwelijks in bepaalde soorten bodem. Er ontstaan dan vanzelf andere netwerken om het transport van plant (boom) tot plant (boom) mogelijk te maken.
Economie
In onze kapitalistische economieën is een marktkracht als concurrentie bepalend voor de ontwikkeling van een transportsysteem. Dit idee van concurreren zie je zelden terug in biologische netwerken, maar wel in het netwerk van planten en mycorrhiza. Dat omvat een verscheidenheid aan organismen: verschillende soorten schimmels verbinden zich met verschillende planten en bomen, en concurreren met elkaar om middelen, ruimte en toegang tot de planten. Dat zou je kunnen zien als verschillende aanbieders van transportoplossingen (luchtvaartmaatschappijen, aanbieders van deelvervoer) die concurreren om klanten.
Nog een mooie overeenkomst is dat de interacties tussen planten en schimmels lijken te worden bepaald door economische mechanismen. Zowel planten als schimmels kunnen namelijk de hoeveelheid uitgewisselde elementen moduleren. Ze gebruiken hiervoor een bidirectioneel controlemechanisme dat een eerlijke uitwisseling voor beide partijen garandeert.
LESSEN
Decentraal organiseren
Eén interessant leerpunt is dat mycorrhizale netwerken decentraal zijn georganiseerd en dat ze zich ook nadrukkelijk vormen naar de externe omstandigheden. Zoiets is wellicht ook mogelijk met onze netwerken, door zowel het ontwerp als het beheer van het mobiliteitssysteem decentraler en democratischer te organiseren. Een voorbeeld: juist de mensen die last hebben van bepaalde modaliteiten, doordat ze dicht bij een weg of knooppunt wonen bijvoorbeeld, zouden invloed moeten hebben op hoe het vervoerssysteem in hun buurt beheerd wordt.
‘Zelfherstellend’ netwerk
Mycorrhizale netwerken groeien vanzelf en onderhouden zichzelf – een flink contrast met onze dure en onderhoudsgevoelige infra. Nu lijkt een zelfherstellend netwerk wel heel utopisch, maar vergeet niet dat juist aan de TU Delft al zichzelf reparerend beton is ontwikkeld. Ondenkbaar is het dus niet. Los daarvan is een mooie les om bij het ontwerp en de materiaalkeuze van nieuwe infrastructuur te streven naar ‘eenvoudig te onderhouden’ en ‘minimale impact op het milieu’.
Meerdere soorten bedienen
Dan het feit dat mycorrhizale netwerken een verscheidenheid aan soorten en organismen bedienen. Zou dat ons er niet toe kunnen aanzetten om menselijke transportsysteem ook te ontwerpen met andere diersoorten in gedachten? Dat doen we al een beetje: naast viaducten en aquaducten hebben we immers ook ecoducten. Maar een mogelijkheid is ook om dieren echt in het vervoerssysteem te betrekken, zoals paardrijden en vervoer met paard en wagen. Dat lijkt eerder parasitair dan symbiotisch, omdat het voordeel voor de werkdieren vaak twijfelachtig is. Maar als dieren niet overbelast worden, maar juist een goed leven met voedsel en onderdak krijgen, is er wellicht een win-win.
Passief vervoer
Interessant is ook dat het transport in de planten- en schimmelsymbiose vaak gebaseerd is op van nature voorkomende concentratie- of drukgradiënten (‘stromingen’). Xyleem bijvoorbeeld maakt van dit ‘passieve vervoer’ gebruik.
Deze benadering, natuurlijke krachten inzetten voor transport, zouden we ook kunnen gebruiken om onze transportsystemen te verbeteren. Nieuw is dat niet: de scheepvaart voer eeuwenlang voornamelijk op wind. Tegenwoordig is ons transport echter bijna compleet gemotoriseerd, met vele tonnen aan emissies als gevolg. Het zou mooi zijn als we, net als plant-mycorrhizanetwerken, onze vervoersnetwerken weer wat meer op natuurlijke krachten zouden laten leunen.
Altruïsme
Een laatste les. Het mycorrhizatransport is gebaseerd op een mutualistische relatie met een hoge mate van altruïsme: rijkere gebieden verplaatsen middelen naar armere gebieden. Wellicht zouden we ons menselijke transportsysteem ook wat ‘altruïstischer’ kunnen maken. Denk dan aan gratis openbaar vervoer in dichtbevolkte gebieden. Een alternatief is gratis of in ieder geval fors goedkoper vervoer voor specifieke groepen, zoals studenten en mensen onder een bepaalde inkomensgrens.
Tot slot
Biomimicry, leren van de natuur, heeft al op talloze terreinen zijn vruchten afgeworpen, óók in de wereld van verkeer en vervoer. Juist in een sterk technologisch en economisch gedreven werkveld kan kijken naar de natuur tot verrassende inzichten leiden.
In ons onderzoek hebben we onderzocht wat mycorrhizale netwerken, die aantoonbaar de kenmerken ven een mobiliteitssysteem hebben, ons kunnen leren. Deze lessen zijn algemeen, maar ze zijn er. Wellicht dat ze als inspiratie kunnen dienen om ons mobiliteitssysteem de komende jaren net wat natuurlijker en beter te maken.
_____
De auteurs
Dr. Marcin Korecki is postdoctoraal onderzoeker aan de ETH Zürich. Van april tot en met juli dit jaar was hij ‘visiting researcher’ aan de TU Delft.
Prof. dr. ir. Serge Hoogendoorn is hoogleraar Smart Urban Mobility aan de TU Delft.
