De evolutie van levende wezens is vaak een resultaat van elkaar beïnvloedende soorten en stambomen, in de loop van miljoenen jaren. Wiskundige Renee Hoekzema ontwikkelt nieuwe methoden om die co-evolutie beter te begrijpen. Voor haar onderzoek "Knippen, Plakken en Evolueren: Van Gladde Vormen naar de Vorm van het Leven" ontvangt ze nu een Vidi-financiering van NWO.
Hoe is de enorme diversiteit aan leven op aarde ontstaan? Om evolutionaire verwantschappen te reconstrueren, gebruiken biologen stambomen die laten zien hoe soorten zich in de loop van miljoenen jaren hebben vertakt. “Maar de evolutie volgt niet altijd één enkele stamboom”, zegt VU-wiskundige Renee Hoekzema. “Organismen beïnvloeden elkaars evolutie voortdurend. Denk bijvoorbeeld aan parasieten en hun gastheren, die zich vaak gezamenlijk ontwikkelen, of aan genen die tussen verschillende soorten worden uitgewisseld.”
De wiskunde van evolutie
“Om zulke ingewikkelde evolutionaire processen te begrijpen, zijn nieuwe wiskundige modellen nodig. Een belangrijke ontwikkeling in de afgelopen decennia is het idee om niet alleen afzonderlijke stambomen te bestuderen, maar de volledige ruimte van alle mogelijke stambomen. Door deze ruimte een meetkundige structuur te geven, wordt het mogelijk om evolutionaire stambomen met elkaar te vergelijken, afstanden te meten en statistische analyses uit te voeren.”
Knippen en plakken
Hoekzema is gespecialiseerd in de topologie, een tak van de wiskunde die vormen en ruimtes bestudeert. Een van de centrale ideeën in haar onderzoek is dat ingewikkelde vormen begrepen kunnen worden door ze in stukken te knippen en op verschillende manieren weer aan elkaar te plakken.
In haar Vidi-project breidt Hoekzema deze technieken uit van gladde vormen naar netwerken en boomstructuren. Zulke structuren komen overal in de wetenschap voor, van de natuurkunde tot de biologie. Door hun onderliggende wiskundige structuur te bestuderen, hoopt ze nieuwe verbanden te leggen tussen verschillende gebieden van de wiskunde.
De evolutie van het leven begrijpen
Een belangrijke toepassing is de ontwikkeling van een nieuwe geometrische theorie voor co-evolutie: de gezamenlijke evolutie van verschillende soorten of biologische systemen. Door de stambomen van bijvoorbeeld parasieten en hun gastheren tegelijkertijd te bestuderen, kunnen onderzoekers beter begrijpen hoe hun evolutionaire geschiedenis met elkaar verweven is.
Het project verbindt fundamentele wiskunde met belangrijke vragen uit de evolutiebiologie. De nieuwe theorie kan op termijn bijdragen aan het reconstrueren van evolutionaire geschiedenis, het begrijpen van biodiversiteit en het analyseren van complexe biologische gegevens.