Uitdagingen voor Nederlandse wetenschap en maatschappij

Transcriptie

1 Uitdagingen voor Nederlandse wetenschap en maatschappij Uitdagingen voor Nederlandse wetenschap en maatschappij 1

2 2 Uitdagingen voor Nederlandse wetenschap en maatschappij

3 Uitdagingen voor Nederlandse wetenschap en maatschappij Wetenschappers zijn deel van de samenleving. Bij universiteiten, bedrijven en kennisinstituten beantwoorden ze elke dag een grote maatschappelijke behoefte aan kennis. Kennis die onze elementaire nieuwsgierigheid bevredigt, zoals die naar onze plaats in het universum; kennis die ons helpt problemen te voorkomen of te bestrijden, zoals ziekte en schaarste aan water, voedsel, en grondstoffen; kennis ook die grote nieuwe kansen biedt. Wetenschap en samenleving zijn als pioniers, onderweg in een onbekend berglandschap. In de verte geven hoge pieken richting, maar een landkaart ontbreekt. Sommige obstakels blijken groter dan ze zich aanvankelijk lieten aanzien, maar af en toe duiken ook onverwachte doorsteken en verrassende vergezichten op. Kennis en innovatie helpen de samenleving op deze tocht, en af en toe is het nuttig goed rond te kijken. Waar liggen de beste toppen? Welke paden brengen ons dichterbij. Hoe maken we de tocht aangenaam? Door welke uitdagingen laten we ons inspireren? De Europese Unie formuleerde onlangs een flink aantal maatschappelijke uitdagingen ( Societal Challenges ) voor het Europa van 2020: gezondheid, demografische veranderingen, welzijn, voedselzekerheid, duurzame aquacultuur en marien onderzoek, de bio-economie, duurzame en schone energie, slimme mobiliteit, klimaatverandering, milieu en grondstoffen, inclusieve, innovatieve, reflecterende en veilige samenlevingen. De Europese Commissie gebruikt deze uitdagingen om aanvragen voor financiële steun aan onderzoek en innovatie te toetsen. In Nederland identificeerde het kabinet in 2010 eerder negen topsectoren waarin het land wereldwijd sterk staat: agri & food, chemie, creatieve industrie, energie, high tech, logistiek, life sciences & health, tuinbouw en water. Het kabinet koos deze sectoren niet alleen omdat ze kennisintensief en export-georiënteerd zijn, maar ook omdat ze belangrijke bijdragen kunnen leveren aan het oplossen van wereldwijde maatschappelijke vraagstukken. Via innovatiecontracten werken bedrijven, onderzoekers en overheid samen, en vanuit de wetenschap speelt NWO in deze contracten een belangrijke rol. In 2011 formuleerde de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) in haar Nederlandse wetenschapsagenda bijna vijftig intrigerende en onopgeloste wetenschappelijke vragen. Volgens de Akademie waren ze het meer dan waard om door Nederlandse wetenschappers beantwoord te worden, al was het maar omdat het maatschappelijke nieuwsgierigheid zou bevredigen. Ook in die vragen klonken maatschappelijke behoeften al regelmatig door. Ook NWO, een van de belangrijkste onderzoeksfinanciers in Nederland, denkt na over hoe wetenschap zich kan laten inspireren door maatschappelijke behoeften aan kennis. Niet om een nieuwe agenda te maken die concurreert met andere agenda s, maar om te proberen uiteenlopende agenda s met elkaar te verbinden, als startpunt voor vruchtbare dialoog en samenwerking met al NWO s maatschappelijke partners, inclusief universiteiten, bedrijfsleven en overheid. Uitdagingen voor Nederlandse wetenschap en maatschappij 1

4 Aan welke fundamentele en meer direct toepasbare kennis heeft de samenleving de komende decennia grote behoefte? Welke dringende globale problemen vragen erom te worden aangepakt? Welke revolutionaire mogelijkheden kunnen worden verkend? NWO-wetenschappers hebben afgelopen zomer in multidisciplinaire gesprekken nagedacht over de invulling van zes grote uitdagingen, glimmende toppen ver weg in het berglandschap. Deze zes uitdagingen pretenderen niet álle wetenschappelijke vragen van dit moment te omvatten. Ze proberen evenmin álle Nederlandse wetenschap samen te persen onder deze zes daken. Ze vormen wél een inspirerende mix van fundamentele en meer concrete uitdagingen voor Nederlandse wetenschap; van oplossingsrichtingen voor dreigende problemen en opwindende kansen; van maatschappelijke vraagstukken in 2030 en de wat kortere termijn. De zes staan niet los van elkaar, maar vertonen juist vele dwarsverbanden. Veerkrachtiger samenlevingen Van harde grenzen naar flexibiliteit en aanpassingsvermogen Een circulaire economie Van grondstofverbruik naar gesloten kringlopen Een hoge kwaliteit van leven Ontplooiing en zorg toegesneden op het individu Bouwstenen van leven Herstellen, ontwerpen en benutten van biologische systemen Greep krijgen op complexiteit Complexe systemen leren beïnvloeden en benutten Big Data verantwoord gebruiken Zoeken naar patronen in grote gegevensbestanden Wat deze zes uitdagingen bovenal met elkaar gemeen hebben, is dat ze wetenschappers uit uiteenlopende disciplines verleiden grote vraagstukken gezamenlijk, multidisciplinair te benaderen. Waar onderzoekers samen werken aan vragen die afzonderlijke kennisterreinen ontstijgen, kunnen zij elkaar inspireren en kan grote vooruitgang worden geboekt. Een open blik, korte afstanden, goede organisatie en een traditie van informele samenwerking geven Nederlandse wetenschappers daarbij een goede startpositie. Tot slot: kennis is internationaal, maar de Nederlandse samenleving en wetenschap hebben ook een eigen positie. Sommige uitdagingen verdienen een hogere plaats op een Nederlandse agenda, al was het maar omdat ons land en zijn wetenschappers juist daar dringende vragen hebben of grote kansen voor de toekomst zien. 2 Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

5 Veerkrachtiger samenlevingen Van harde grenzen naar flexibiliteit en aanpassingsvermogen Globalisering maakt samenlevingen kwetsbaar voor snelle veranderingen en nieuwe dreigingen. Vraagstukken ver weg, van klimaatopwarming en besmettelijke ziekten tot en met geweldsconflicten en computercriminaliteit, dringen via talloze verbindingen snel door in ieders leven. Elkaar opvolgende innovaties bieden nieuwe oplossingen, maar zorgen ook voor nieuwe problemen. De klassieke respons, strakke regie door de overheid, kan al die schokken niet meer voldoende opvangen. De vertrouwde stelsels van lokale, nationale en wereldwijde instituties geven simpelweg niet genoeg bescherming meer. Samenlevingen zullen veranderingen daarom buigzamer en creatiever moeten opvangen, net zoals Nederland naast harde dijken flexibeler methoden inzet om met grote hoeveelheden rivierwater om te gaan. Burgers en organisaties moeten in staat worden gesteld hun vele onderlinge verbindingen te gebruiken om zich flexibel aan veranderende omstandigheden aan te passen. Zo worden ze wendbaarder en minder afhankelijk van langzamer reagerende regels en instituties. Die overgang vergt innovatie en creativiteit, en intensieve samenwerking van veel wetenschappelijke disciplines. Samenlevingen raken steeds meer vervlochten. Mondiale ontwikkelingen zoals klimaatverandering, schaarste van water, voedsel en grondstoffen, economische en religieuze verschuivingen en oorlog en vrede geven ook lokaal snelle verstoringen van de bestaande orde. De nu al grote onderlinge verbondenheid zal de komende decennia nog veel groter worden. Zowel fysiek transport als de uitwisseling van informatie nemen nog stormachtig toe in omvang en intensiteit. Technologische en sociale innovaties, zoals miniaturisering, digitalisering, zelforganisatie en sociale media, helpen ons op de snelle verschuivingen te reageren. Tegelijk zorgen ze zelf ook voor nieuwe grootschalige veranderingen. Economische en sociale problemen in Afrika genereren dramatische migratiestromen aan de grens van Europa. Een bank die failliet gaat in de Verenigde Staten doet wereldwijd economieën wankelen. Sociale, culturele en religieuze bewegingen grijpen via sociale digitale media om zich heen. Het zijn maar een paar van vele voorbeelden van ingrijpende en razendsnelle veranderingen. Samenlevingen hebben moeite om voldoende snel en adequaat op al die veranderingen te reageren. Traditionele oplossingen, afkomstig van nationale overheden die zaken in goede banen proberen te leiden met nieuwe regels en normen, volstaan niet meer. De impliciete belofte dat zij samenlevingen tegen grote schokken kunnen beschermen, kunnen zij niet meer waarmaken. De nieuwe tijd vraagt om samenlevingen die het vermogen hebben om elastisch te reageren op veranderingen en schokken, zoals graan buigt in de wind en zich dan zelf weer opricht, of zoals ons land rivieren de ruimte geeft in plaats van ze alleen maar hard in te kaderen. Rigide oplossingen moeten plaats maken voor flexibiliteit en veerkracht. Uitdagingen voor Nederlandse wetenschap en maatschappij 3

6 Veerkrachtige bescherming komt meer van binnenuit dan van buitenaf, en meer van onderop dan van bovenaf; ze komt van individuele burgers, organisaties en systemen die in staat zijn hun onderlinge verbindingen te gebruiken om op eigen initiatief wendbaarder, creatiever en innovatiever te zijn. Er zullen nieuwe maatschappelijke ontwerpen nodig zijn om de arbeidsmarkt veerkrachtig te laten reageren op ingrijpende veranderingen, zoals robotisering en miniaturisering. Burgers moeten in staat worden gesteld flexibel te blijven in tijd, plaats en levensloop. Nieuwe typen onderwijs zullen burgers moeten opleiden die zich blijven aanpassen, met meer aandacht voor communicatie en interpersoonlijke vaardigheden, voor teamwerk en multidisciplinariteit, voor creativiteit en metacognitie, voor kritisch en oplossingsgericht denken. Jong en oud moeten leren hoe zij antwoorden kunnen vinden op nog onbekende vragen. Overheden zullen minder gebruik moeten maken van logge rechtsregels en verbodsbepalingen en subtieler moeten proberen om het functioneren van samenlevingen te beïnvloeden. Hoe stel je grenzen aan de manieren waarop ze het gedrag van hun burgers subtiel of zelfs ongemerkt beïnvloeden? Hoe kan de illusie van een samenleving zonder risico s worden doorbroken, en kunnen burgers leren om zelf risico s af te wegen en er rationeel mee om te gaan? Zijn alternatieven te vinden voor de rigide normen die burgers nu moeten beschermen tegen schadelijke effecten van technologie of omgevingsinvloeden, maar die in de praktijk steeds lastiger te handhaven zijn? Onder welke condities gaan burgers en organisaties zichzelf organiseren, en wanneer levert dat vermogen de beste uitkomsten op? Zijn zulke condities te creëren, bijvoorbeeld met financiële prikkels die niet vastigheid en continuïteit belonen maar juist flexibiliteit en wendbaarheid? Kan worden voorkomen dat burgerinitiatieven uiteindelijk weer professionaliseren en bureaucratiseren en zo weer aan veerkracht verliezen? Kunnen nieuwe strategieën worden ontworpen om de werking van kritieke vormen van infrastructuur te garanderen? Kunnen overheidsdienaren zoals politie, brandweer, gezondheidszorg en lokale bestuurders zo worden uitgerust dat zij flexibeler kunnen anticiperen en reageren op onzekere en onbekende dreigingen en andere snelle veranderingen? Nieuwe digitale verdienmodellen blijven dieper doordringen in de oude economie. Of het nu gaat om muziek, media, retail of taxi- en hotelbranches, steeds meer vertrouwde organisatievormen en stelsels van regelgeving zullen moeten worden aangepast aan nieuwe realiteiten. De voortschrijdende digitalisering roept ook immense vragen op rond privacy en identiteit. Kunnen we modellen ontwerpen waarin burgers hun informatie kunnen beschermen zonder dat het Internet zijn open karakter verliest? Hoe kunnen burgers hun eigen aanpassingsvermogen vergroten met hulp van slimme telefoons, horloges, brillen en medische apparatuur, en kunnen ze tegelijk voorkomen dat van die technologie zelf weer dreigingen uitgaan zoals verlies van privacy of digitale criminaliteit? Historische en internationale vergelijkingen kunnen ons helpen te leren van veerkracht in andere samenlevingen en culturen. De geschiedenis staat aan de basis van veranderingen, maar erfgoed dat slim wordt gebruikt kan ook veerkracht geven voor de toekomst. Onderzoek zal antwoorden moeten zoeken op fundamentele vragen naar de kenmerken van veerkrachtige sociale systemen. Daarnaast zal toegepast onderzoek, bijvoorbeeld dat gerelateerd aan creatieve industrie, nieuwe technische, sociale en culturele innovaties ontwerpen, toetsen en implementeren. Nieuwe wisselwerkingen tussen geesteswetenschappen, gedragswetenschappen, natuurwetenschappen, gezondheidswetenschappen en technische wetenschappen zijn daarbij cruciaal. 4 Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

7 Een circulaire economie Van grondstofverbruik naar gesloten kringlopen De economie draait, zeggen we vaak, maar in feite glijdt ze als het ware naar beneden. De mensheid verbruikt in hoog tempo grondstoffen die op zullen raken. Energie, mineralen en ertsen worden aan de aardkorst onttrokken, verwerkt tot producten en worden ten slotte afgevoerd naar plekken waaruit ze niet of nauwelijks zijn terug te winnen. Dramatische voorbeelden van eindig winbare grondstoffen zijn olie, gas en fosfor, maar de volledige lijst is veel langer. Zo n economisch systeem is op den duur niet houdbaar, en met steeds meer mensen in steeds grotere steden komt de bodem alleen maar sneller in zicht. Een overgang naar een circulaire economie is onontkoombaar: één die, aangedreven met energie die komt van de zon, gesloten water- en grondstofkringlopen eindeloos zal kunnen laten draaien. Het is een wereldwijde uitdaging waarin Nederland veel te winnen en te bieden heeft. Over een jaar of tien is de wereld door de nu bekende voorraad Indium heen. Indium is een zeldzaam metaal, bijna even zeldzaam als zilver, dat wordt gebruikt voor de fabricage van LCD- en aanraakschermen. We weten niet of de grote vraag naar Indium nieuwe rendabele bronnen zal opleveren. Maar het voorbeeld illustreert goed de structuur van onze lineaire economie. In essentie graaft die stoffen op uit de grond, verwerkt ze in allerlei producten en voert ze dan via verbrandingsovens, stortplaatsen en afvalwater af naar de atmosfeer, de bodem en de oceaan. De toekomstige schaarste van olie, dé grondstof voor kunststof en energie, is bekend. Maar ook water en andere fundamentele grondstoffen zullen schaars worden, zoals fosfor, essentieel voor kunstmest en dus voor de wereldwijde productie van voedsel. Jaarlijks verdwijnen miljoenen tonnen fosfor via onze wc s bijna allemaal in zee. Uiteindelijk kan een globale fosforcrisis niet uitblijven, en vroeger of later zal dat gelden voor vele grondstoffen. Bedrijven merken al dat grondstofprijzen heviger dan voorheen fluctueren, en de zorg groeit dat landen hun export van schaarse grondstoffen zullen gaan beperken. We ontkomen niet aan een fundamentele omslag: die van een lineaire economie naar een circulaire economie, één waarin water en grondstoffen ronddraaien in eindeloze kringlopen, aangedreven met energie uit invallend zonlicht. Van verbruikers moeten we gebruikers worden; in plaats van producten te kopen, moeten we ze huren en recyclen. De wetenschap moet nu antwoorden zoeken op belangrijke vragen om te zorgen dat onze kleinkinderen straks oplossingen hebben voor een groot probleem. Een circulaire economie raakt aan veel maatschappelijke uitdagingen zoals geformuleerd door Europa, zoals voedselzekerheid, bio-economie, duurzame schone energie, groen transport, klimaat, grondstoffen en demografie. Ze raken ook aan mondiale vragen rond watergebruik, bevolkings- en welvaartsgroei, bodemgebruik en verstedelijking. Uitdagingen voor Nederlandse wetenschap en maatschappij 5

8 Een compact, stedelijk en wetenschappelijk hoog ontwikkeld land als Nederland kan belangrijke bijdragen leveren. Oprakend aardgas in onze eigen bodem herinnert ons aan de urgentie van het probleem. Een sterke traditie van samenwerking tussen alfa-, bèta- en gammawetenschappers kan een sleutel zijn naar het vinden van oplossingen. Samen kunnen disciplines op zoek naar industriële materialen die beschikken over de gewenste eigenschappen maar alleen bestaan uit afbreekbare grondstoffen, die via natuurlijke, biologische kringlopen kunnen circuleren. Producten en materialen moeten langer meegaan, of zo ontworpen zijn dat snel slijtende onderdelen apart kunnen worden vervangen. Aan het einde van de rit moeten ze worden gerecycled en via technische kringlopen volledig worden hergebruikt. Samen kunnen ze werken aan een bio-based economy die landbouwgrond verantwoord gebruikt voor de productie van voedsel én hoogwaardige grondstoffen. Ze moeten vaststellen of de vereiste efficiëntie kan worden bereikt zonder intensieve, gecontroleerde, hoog-technologische landbouwproductie. Kunnen en moeten we bijvoorbeeld gewassen zo verbeteren dat ze zonlicht efficiënter kunnen omzetten in voedsel? Kunnen we over dertig jaar, met tien miljard mensen, wel twee keer zoveel voedsel, grondstoffen en energie gebruiken, zoals nu wordt voorspeld? Tal van disciplines uit alfa, bèta en gammawetenschappen kunnen zich buigen over delen van de oplossing. Hoe komen we tot een duurzame energievoorziening, waarin hernieuwbare energie wordt gewonnen, opgeslagen en gedistribueerd met systemen die zelf ook kunnen worden hergebruikt? Hoe brengen we het gebruik van schoon water in balans met natuurlijke kringlopen, in Nederland en elders op de wereld? Kan een lineaire economie vitaal worden gehouden maar ondertussen stapsgewijs circulair worden gemaakt? Kan economische groei worden losgekoppeld van grondstofverbruik? Waarom is het dat ons bewustzijn over schaarste in golven komt maar ook weer verdwijnt? Welke maatschappelijke en ethische veranderingen zijn nodig om de omslag te maken? Hoe passen niet alleen grondstoffen maar ook mensen in een circulaire economie? Hoe voorkomen we bijvoorbeeld arbeidsmarkttekorten in de gezondheidszorg, hoe houden we mensen in het arbeidsproces? Welke regels en mechanismen (zoals nieuwe vormen van statiegeld), en welke organisaties met macht om ze te handhaven, kunnen zorgen dat cyclische producten op de vrije markt goedkoper zijn dan producten van oude productiesystemen? Zal de markt de overgang zelf financieren, of zijn grote publieke investeringen onontkoombaar? Zal een internet of things helpen kringlopen te sluiten? Kan de overgang naar een circulaire economie op wereldschaal worden bevorderd? Of zijn pogingen kringlopen lokaal te sluiten, bijvoorbeeld in afzonderlijke steden, een goed alternatief? Maakt de wereldwijde verstedelijking de opgave moeilijker of minder moeilijk? En kan Nederland, als moderne, urbane samenleving in een kwetsbare delta, zich profileren als innovatieve proeftuin? 6 Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

9 Een hoge kwaliteit van leven Maatwerk in de zorg voor meer gezondheid en welzijn De samenleving vergrijst en verandert snel en ingrijpend. Dat brengt nieuwe uitdagingen mee rond de kwaliteit van het leven van mensen, van de vroege jeugd tot en met de ouderdom. Gezondheid staat bij velen bovenaan de prioriteitenlijst. Maar goede gezondheid omvat meer dan afwezigheid van ziekte: het omvat lichamelijk, geestelijk en sociaal welbevinden, kansen voor mensen om zo veel mogelijk onder eigen regie bevredigend in een veranderende maatschappij te blijven functioneren. Om gezondheid, welzijn en welbevinden van jong tot oud werkelijk te verbeteren, zullen kennis en technologie de komende decennia meer gebruik moeten maken van maatwerk. Individuele talenten en behoeften van jong en oud moeten vroeg worden herkend en benut, zodat mensen kunnen leren zich aan ingrijpende veranderingen aan te passen. Gerichte preventie, vroege diagnose en effectiever en veiliger ingrepen moeten meer ziekten voorkomen, behandelen en hanteerbaar maken. Ook stapeling van chronische ziekten zal vragen om nieuwe medische- en ouderenzorg en om antwoorden op vele aanverwante maatschappelijke vragen. Nederland loop internationaal voorop met het nieuwe concept van gezondheid: health as the ability to cope, adapt and self-manage. Zorg voor een goed en gezond leven betekent niet alleen het voorkomen, opsporen en behandelen van ziekte, maar daarnaast nog veel meer. Het betekent bijvoorbeeld: mensen van jong tot oud leren maatschappelijk en sociaal te blijven functioneren door veranderende omstandigheden adequaat op te vangen; hun individuele talenten en behoeften herkennen en ze in staat stellen zich levenslang te ontwikkelen. Het betekent ook: beter begrijpen hoe lichamelijke en geestelijke ziekten ontstaan, en die kennis benutten voor betere ziektepreventie, vroegere diagnoses, effectiever en minder ingrijpende behandelingen en goede en mensvriendelijke verzorging. Het betekent ook leren omgaan met de groeiende gevolgen van vergrijzing; met het feit dat steeds meer mensen langer zullen leven met combinaties van steeds meer chronische ziekten. De uitdaging sluit nauw aan bij maatschappelijke uitdagingen die Europa zichzelf heeft gesteld: gezondheid, demografische veranderingen en welzijn. De gezochte antwoorden zullen niet zoals in het verleden moeten uitgaan van grote stelsels en instellingen, maar moeten denken vanuit individuele burgers en hun mogelijkheden en behoeften. De laatste jaren neemt de levensverwachting van Nederlanders, mede dankzij betere gezondheidszorg, snel toe. Zo is de sterfte aan hart- en vaatziekten de afgelopen decennia gehalveerd. Volgens sommige prognoses zal de helft van alle komend jaar in ons land geboren baby s de honderdste verjaardag kunnen vieren. Maar helaas worden niet al die levensjaren gekarakteriseerd door gezondheid, welzijn en welbevinden. Het groeiende veranderingstempo van de samenleving doet een groot beroep op het vermogen van jonge én volwassen mensen om zich snel genoeg aan te passen. Om te voorkomen dat meer mensen buiten de boot vallen, zullen we al vanaf het prille begin hun individuele kwaliteiten moeten identificeren en ze in staat stellen die flexibel te ontwikkelen. Hoe kunnen we de groeiende kennis over de ontwikkeling en de structurele plasticiteit van de hersenen inzetten om dat leerproces levenslang voort te zetten, zowel op het werk als in de sociale omgeving? Uitdagingen voor Nederlandse wetenschap en maatschappij 7

10 De strijd tegen lichamelijke, maar ook geestelijke ziekten kan sterk veranderen als we meer te weten komen over het effect van combinaties van genetische aanleg en omgevingsinvloeden. Genetische diagnostiek zal ons steeds meer vertellen over individuele kansen op veelvoorkomende chronische en ouderdomsziekten. Met die kennis zullen we preventieve en therapeutische ingrepen op vele gebieden beter moeten laten aansluiten op individuele patiënten, zoals nu al op relatief kleine schaal gebeurt bij de behandeling van enkele typen tumoren en hersenaandoeningen. Groeiende databanken vol informatie en biomedisch materiaal zullen ons bovendien moeten helpen verbanden te leggen tussen erfelijkheid en tal van omgevingsinvloeden zoals leefstijl en voeding, pedagogische en sociale factoren, leefmilieu en sociaaleconomische positie. De Nederlandse wetenschap heeft grote kansen om al dergelijke kennis te vertalen naar concrete vernieuwingen in de praktijk. Translationeel onderzoek moet meer bruggen slaan tussen fundamenteel en praktijkgericht onderzoek. Op die bruggen kan het verkeer ook de andere kant op: via multidisciplinair onderzoek kan praktijkkennis leiden tot nieuwe fundamentele vragen. Kennis moet uiteindelijk leiden tot betere preventie, diagnostiek en behandeling, en tot goede en menswaardige verzorging die mensen helpt zo veel en zo lang mogelijk zelfstandig maatschappelijk te functioneren. Gevoeliger diagnostische tests, effectiever, betaalbare medicijnen, minder ingrijpende en tegelijkertijd ook betere behandelingen zullen hierbij doorslaggevend kunnen zijn. Hetzelfde geldt voor het opvangen van de gevolgen van vergrijzing. We leven steeds langer, maar veel van de gewonnen jaren ontberen gezondheid en welzijn. Hoe ouder we worden, hoe meer chronische ziekten we zullen krijgen; hoe beter die ziekten worden behandeld, hoe meer combinaties van aandoeningen ons lichamelijk, geestelijk en sociaal welbevinden ernstig zullen aantasten. Hoe richten we de gezondheids- en ouderenzorg beter in op deze stapeling van diagnoses? Hoe optimaliseren we gezondheid en welzijn van een patiënt in hun samenhang, niet als verzameling klachten? Hoe leveren we maatwerk in het vergroten van levenskwaliteit? Medisch-technische kennis over lichaam en geest zal vooral meer levenskwaliteit opleveren wanneer ze wordt geïntegreerd met kennis uit de sociale en culturele wetenschappen. Hoe sluiten we het best aan op de werkelijke behoeften van mensen? Hoe communiceren we effectiever met hen over hun gezondheid? Hoe richten we zorg en onderwijs in op manieren die het eigen initiatief van mensen benutten en hen zelf controle geven? Hoe maken we zorg en persoonlijke ontwikkeling tegelijk geïndividualiseerd en betaalbaar, stuurbaar en rechtvaardig? Hoe hebben we over twintig jaar voldoende van de juiste arbeidskrachten om al die ideeën in praktijk te brengen? Kan meer ruimte voor implementatieonderzoek voorkomen dat nieuwe technologie ten onrechte ongebruikt blijft, of wordt ontwikkeld zonder dat er behoefte aan bestaat? Welke onbedoelde neveneffecten en ethische vragen gaan door al die nieuwe technologie worden opgeroepen? En hoe beschermen we onze persoonlijke levenssfeer te midden van al die nieuwe bestanden vol met geïndividualiseerde informatie over onze gezondheid? 8 Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

11 Bouwstenen van leven Herstellen, ontwerpen en benutten van biologische systemen De afgelopen decennia hebben wetenschappers veel geleerd over het bouwwerk van het leven. We weten steeds beter hoe atomen, moleculen, cellen, weefsels en organen in elkaar grijpen en samenwerken in complete organismen, zoals de mens. De kennis over al die bouwstenen en hun wisselwerkingen groeit nog volop. Tal van eencellige organismen wachten nog op ontdekking. Computermodellen laten ons zien hoe vele biochemische processen op elkaar inwerken, en dode elektronica wordt steeds vaker met succes aangesloten op levend materiaal. Aan de horizon gloren tal van mogelijkheden om natuurlijke, door evolutie ontstane levensprocessen te imiteren, herstellen, verbeteren of op de tekentafel nieuw te ontwerpen. De mogelijke toepassingen strekken zich uit van medische technologie tot nieuwe, op levende structuren gebaseerde materialen en industriële processen. Onderzoek als dit raakt de kern van het leven, en ethische vragen zullen dus ook belangrijk zijn. Maar de potentie voor innovatie is groot. Wat maakt levende materie levend? Kunnen we het bouwwerk van het leven doorgronden? Zo zeer zelfs, dat we in het laboratorium bouwstenen kunnen samenbrengen tot ander leven dat dan wat de evolutie heeft voortgebracht? Het zijn enerverende vragen rond één van de grootste wetenschappelijke uitdagingen van deze tijd. De afgelopen decennia is grote vooruitgang geboekt op vele afzonderlijke deelterreinen. Systematisch is het levensbouwwerk tot in de kleine onderdelen ontrafeld. Biologen, scheikundigen en natuurkundigen leerden alles over de bouw en de werking van biomoleculen, zoals eiwitten en DNA. Ze leerden veel over de binnen- en de buitenkant van cellen, en hoe zij communiceren. Biomedici leerden hoe stamcellen kunnen worden geprogrammeerd om uit te groeien tot bepaalde weefsels en organen. Wiskundigen en informatici leerden veel losse elementen in rekenmodellen te vangen, en ingenieurs ontdekten hoe ze cellen kunnen fuseren met elektronica tot biochips en moleculaire schakelaars. Nu zien wetenschappers de tijd rijp om kennis uit al die deelterreinen samen te brengen. Biologie, scheikunde, geneeskunde, natuurkunde, wiskunde, informatica en techniek kunnen hun expertise bundelen om de bouw en de werking van levensprocessen volledig te begrijpen, van biomoleculen tot en met ingewikkelde netwerken van cellen, microben, weefsels en organen. Ze zullen het kunnen herkennen als moleculaire levensprocessen verkeerd gaan, bijvoorbeeld door ziekte, en herstellend kunnen ingrijpen. Ze zullen netwerken van levende cellen kunnen ontwerpen, bijvoorbeeld om medicijnen te testen of slimme, afbreekbare biomaterialen te synthetiseren. En ze zullen eencellige organismen kunnen bouwen die beter dan eencelligen uit de natuur kunnen worden gebruikt voor industriële productieprocessen. Centraal in de uitdaging staat de wens om levende materie te begrijpen, van moleculen tot en met complete organen en organismen. Hoe vinden atomen elkaar? Hoe combineren ze zich tot grote biomoleculen? Hoe reageren die moleculen met elkaar? Uitdagingen voor Nederlandse wetenschap en maatschappij 9

12 Hoe wisselen ze informatie uit en vormen ze cellulaire netwerken, bijvoorbeeld binnenin onze lichaamscellen? Hoe weten die cellen dat zij andere taken hebben dan cellen elders in het lichaam? Hoe communiceren ze met elkaar en met stoffen in hun omgeving? Hoe werken ze samen met andere celtypen in weefsels en organen met complexe functies? De volgende stap is alle bouwstenen en hun onderlinge wisselwerkingen in computermodellen te vangen, te begrijpen en na te bootsen. Levende cellen kunnen bijvoorbeeld worden samengebracht op chips. Als minuscule orgaanmodellen zouden ze kunnen worden gebruikt om, heel snel en nog zonder proefdieren, het effect van duizenden potentiële medicijnen te testen. Het is maar één van vele rationeel ontworpen toepassingen die, dankzij fundamentele kennis en een inmiddels rijk gevulde gereedschapskist, de komende jaren kunnen worden uitgebreid en nieuw uitgedacht. Kunnen we medicijnen ontwerpen die gericht ingrijpen in biochemische reacties die bij ziekte spaak zijn gelopen? Die alleen daar in het lichaam actief worden waar ze nodig zijn? Die van buitenaf met laserlicht of elektronische signalen kunnen worden aan- of uitgezet? Kunnen we tumoren laten oplichten met hulp van speciaal ontworpen moleculen? Kunnen we biologische of semi-biologische materialen maken voor implantaten of voor sensoren die in het lichaam worden aangebracht? Kunnen we stamcellen zo bewerken dat ze weefsel van beschadigde organen herstellen? Een belangrijk onderdeel van de uitdaging ligt in synthetische biologie: levende systemen die door de mens zijn ontworpen en geconstrueerd. Kunnen we bijvoorbeeld moleculen maken die, als we ze samenbrengen, dezelfde complexe interacties aangaan als moleculen in een levende cel? Kunnen we zulke levende netwerken zo ontwerpen dat ze moeilijk synthetiseerbare biochemische verbindingen of duurzamer, slimmer materialen voor ons kunnen maken? Kunnen we levende systemen combineren met elektronica, zodat levende moleculen of cellen met computers kunnen communiceren? En kunnen we pacemakers of andere elektronische hulpmiddelen laten lopen op stroom die wordt geproduceerd in ons eigen lichaam? Is het mogelijk volledig kunstmatige algen- of gistcellen te bouwen? Levende cellen die zo zijn ontworpen dat ze op industriële schaal biobrandstof kunnen maken of hardnekkige, giftige stoffen kunnen afbreken? Cellen misschien die door hun bouw fundamenteel anders werken dan wat de evolutie op aarde heeft voortgebracht? Al deze vragen brengen ons heel dicht bij de vraag naar de kern van het leven. Dat vraagt ook om ethische reflectie en analyse. Hoe verandert kennis over de bouwstenen van het leven, en de mogelijkheid daarin heel gericht in te grijpen, de manier waarop we dat leven en ons zelf bezien? Welke wetenschappelijke doelen zijn ook maatschappelijk wenselijk? Waar liggen ethische grenzen of mogelijke risico s? Hoe gaan we verantwoord om met de schijnbaar onbegrensde mogelijkheden, en hoe organiseren we dat? 10 Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

13 Greep krijgen op complexiteit Complexe systemen leren beïnvloeden en benutten De wereld is ontstellend complex, en de komende decennia zal die complexiteit nog veel groter worden. Complexe systemen zijn overal om ons heen: grote, zoals het klimaat, het Internet en de wereldeconomie, en kleinere, zoals lokale vervoersnetwerken en ons eigen lichaam en brein. Complexe systemen bestaan uit een groot aantal onderdelen die allemaal op elkaar reageren. Hoewel die onderlinge interacties simpel en voorspelbaar zijn, ontstaat op de schaal van het hele systeem soms nieuw, niet te voorspellen gedrag. Door invloed van buitenaf kan een complex systeem, soms vrij plotseling, bovendien in heel nieuwe toestanden raken. Een beter begrip van complexiteit kan ons leren voorbodes van omslagpunten in complexe systemen eerder te herkennen, en onvoorspelbare systemen op slimme manieren toch te beïnvloeden. En het zal ons in staat stellen complexe systemen te ontwerpen met uiterst nuttige toepassingen, zoals slimmere materialen of stabiele stroomnetwerken met duizenden kleine en wisselvallige producenten. Veel mensen hebben gehoord van de chaos-theorie: een wiskundige verklaring voor het verschijnsel dat simpele bouwstenen op een hoger niveau ingewikkeld, deels onvoorspelbaar gedrag kunnen vertonen. De natuur zit vol met complexe systemen. Simpele atomen die elkaar aantrekken of afstoten vormen samen grotere moleculen, die zichzelf op nog hogere niveaus organiseren tot cellen, organen en complete organismen. Miljarden hersencellen, die op elkaar reageren volgens basale biochemische wetten, vormen bij elkaar een creatief brein. Eenvoudige gasmoleculen genereren in de atmosfeer grote wervelstormen die maar beperkt te voorspellen zijn. Ook de mens creëert complexiteit. Zoals robots die, slechts geprogrammeerd om botsingen te vermijden, met elkaar gecompliceerde dansen gaan uitvoeren. Zoals economische markten waarop miljoenen consumenten hun eigen belang volgen maar samen toch in een recessie belanden. En zoals het Internet, waarin miljarden mensen en machines steeds meer verbonden raken. Hoe divers ook, complexe systemen hebben gemeen dat ze bestaan uit heel veel componenten die op hun buren reageren. Samen vormen ze een dynamisch netwerk waarvan het gedrag niet meer te voorspellen is op grond van de losse onderdelen, ook niet in computermodellen. Kleine oorzaken hebben in het netwerk soms opeens grote gevolgen. Er zijn kantelpunten waarin het systeem gemakkelijk van de ene in een andere toestand raakt, zeker als meerdere complexe systemen onderling ook nog eens interacties aangaan. Ogenschijnlijk rijke ecosystemen kunnen opeens veranderen in woestijnen. Een virus of een modetrend kan plotseling wereldwijd doorbreken. En een ogenschijnlijk robuuste financiële wereldorde kan onverwacht als een kaartenhuis instorten. Meer begrip van complexe systemen en netwerken zal ons nieuwe kansen bieden, maar zal ons ook kunnen helpen beter in te spelen of te reageren op complexe gevaren. Als we beter snappen hoe duizenden biomoleculen in ons lichaam in netwerken op elkaar reageren, zullen we nieuwe medicijnen tegen ernstige ziekten zoals kanker kunnen ontwikkelen. Begrip van onze hersenen, een complex netwerk bij uitstek, kunnen we toepassen in bijvoorbeeld onderwijs Uitdagingen voor Nederlandse wetenschap en maatschappij 11

14 en zorg. We zullen biochemische moleculen leren ontwerpen die zichzelf assembleren tot nieuwe, slimmere materialen die anders niet te produceren zouden zijn. In de economie zullen we productieketens leren maken die flexibel, efficiënt en toch solide en duurzaam zijn. We zullen slimmere stroommarkten kunnen ontwerpen waarin veel kleine wind- en zonnestroomproducenten energie kunnen leveren zonder dat het netwerk het begeeft. We zullen wegen, rails, luchthavens en digitale netwerken efficiënter kunnen maken door piekbelastingen tegen te gaan. We zullen leren hoe we complexe systemen door ze meer divers te maken stabieler en minder kwetsbaar kunnen maken, en hoe we kantelpunten langer van te voren kunnen zien aankomen. Zo kon de recente bankencrisis onder meer ontstaan doordat het toezicht zich richtte op individuele banken, niet op het complexe systeem dat al die banken samen vormen. Een focus op het systeem had kunnen bevorderen dat al die banken minder op elkaar leken, of kunnen zorgen voor branddeuren waardoor het vuur minder naar alle landen en sectoren kon overslaan. Ook meer algemeen kan beter begrip van complexiteit helpen om marktuitwassen zoals zeepbellen tegen te gaan. Het economisch gedrag van mensen lijkt op vogels die in grote zwermen vliegen: ieder afzonderlijk reageert op de directe buren, en het resultaat is dat we allemaal tegelijk dezelfde kant op gaan. Als we die interacties kunnen beïnvloeden, kunnen we economieën stabieler maken. Het zelfde geldt voor andere sociale systemen, zoals grote groepen mensen of online sociale netwerken, waar één vonk soms wel, en soms niet genoeg is om de vlam in de pan te laten slaan. In de ecologie kan kennis over complexiteit ons leren wanneer ecosystemen, bijvoorbeeld door gebrek aan diversiteit, zo kwetsbaar worden dat ze imploderen tot een woestijn, of overwoekerd worden door een paar binnendringende soorten. In klimaatonderzoek zal meer kennis ons hopelijk in staat stellen grote kantelpunten zo te voorspellen dat samenlevingen zich tijdig kunnen aanpassen, en ons misschien leren hoe het complexe systeem van aardkorst en klimaat zo nodig ten goede te beïnvloeden. Onderzoek naar complexiteit is een uitzonderlijk multidisciplinair vakgebied: meteorologen, scheikundigen, natuurkundigen, wiskundigen, biologen, geneeskundigen, economen, bedrijfskundigen, psychologen, sociologen, planologen, geologen en historici hebben in Nederland al ontdekt dat er op dit punt veel is dat ze bindt. Methoden die in één discipline succes brengen, kunnen vaak ook in andere met succes worden toegepast. De wetenschap van complexiteit is daardoor op een punt gekomen dat ze haar praktische nut kan gaan bewijzen. We wonen in een compact land met vanouds veel onderlinge verbindingen. Als één land zich realiseert wat het betekent dat de wereld één hypercomplex systeem aan het worden is, dan is dat Nederland. Niet toevallig bevindt Nederlandse wetenschap zich op dit gebied in de internationale voorhoede. Nederland kent en ondergaat de risico s van een complexe wereld, en kan ook voorop lopen bij het grijpen van kansen. 12 Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

15 Big Data verantwoord gebruiken Zoeken naar patronen in grote gegevensbestanden De hoeveelheid gegevens die we samen meten en opslaan groeit explosief. Wetenschappers, bedrijven, overheden en burgers voeden samen een onstuimig groeiende gegevensberg. Telescopen, camera s, scanners, telefoons, computers, chipkaarten, energiemeters het is nog maar een fractie van het groeiende arsenaal aan al of niet wetenschappelijke instrumenten die continu gegevens produceren en toevoegen aan steeds meer en steeds grotere databestanden. Die grote bestanden kunnen met nieuwe wetenschappelijke methoden worden geanalyseerd en geïnterpreteerd, ook als de gegevens aanvankelijk niet voor wetenschappelijk onderzoek waren bewaard. Zo kunnen we de wereld gedetailleerder waarnemen, en ontdekken we nieuwe patronen. Dat levert nieuwe kennis en nieuwe inzichten op, die we kunnen gebruiken voor betere producten, diensten of beslissingen. Het gebruik van big data genereert ook big questions, in de wetenschap en in de maatschappij. Wat zijn betrouwbare analysemethoden? Hoe zorgen we dat te veel of te onbetrouwbare gegevens ons niet verblinden of misleiden? Wie gaat bepalen wat er wel en niet met gegevens over burgers gebeurt? Hoe gaat big data onderzoek goed samen met fundamentele maatschappelijke waarden zoals privacy en individuele autonomie? Gegevens zijn overal. De explosieve groei van digitale registratie, opslag en uitwisseling geeft ongekende en onbekende mogelijkheden, zowel binnen als buiten de wetenschap. De analyse van grote bergen gegevens geeft mogelijkheden om kennis en inzicht te vergroten, maar werpt ook nieuwe wetenschappelijk en maatschappelijke vragen op. Big Data onderzoek kan slaan op grote gegevensbestanden afkomstig van medische, sterrenkundige of andere wetenschappelijke instrumenten. Aan de hand van nauw omschreven hypothesen kunnen computers de gegevensberg gericht doorzoeken. Onnoemlijk veel informatie over de wisselwerking van moleculen in ons lichaam kan zo bijvoorbeeld in één veelzeggend plaatje worden samengevat. Big Data omvat ook het groeiende aantal bestanden met gegevens die oorspronkelijk niet voor onderzoek werden vastgelegd. De locatie van mobiele telefoons, bijvoorbeeld, het gedrag van wandelaars rond beveiligingscamera s of de inhoud van ons digitale sociale verkeer. Ook hierin kunnen onderzoekers naar patronen zoeken, ondanks het feit dat ze de precieze inhoud van zulke bestanden vaak niet goed kunnen controleren. Veel landen investeren in Big Data-onderzoek, in de verwachting dat het kan helpen om bijvoorbeeld medische zorg te verbeteren, veiligheid te vergroten en infrastructuur efficiënter te maken. Bedrijven zien grote kansen om hun productieketens te stroomlijnen of om nieuwe producten en diensten te ontwikkelen. Nederland heeft bij digitale informatieverwerking een goede uitgangspositie. Onze economie en infrastructuur blinken uit in automatisering en monitoring, en ook bij het digitaliseren van cultuurdragers zoals tekst, beeld en geluid loopt ons land voorop. Het ontluikende Big Data-veld biedt grote wetenschappelijke uitdagingen. Krachtiger computers en computeralgoritmen kunnen vragen beantwoorden die voorheen onoplosbaar leken, en dat in een breed spectrum van disciplines. Uitdagingen voor Nederlandse wetenschap en maatschappij 13

16 Patronen in de locatiegegevens van miljoenen auto s en mobiele telefoons kunnen ons bijvoorbeeld helpen slimmere steden en slimmere wegen te bouwen. Gegevens over de actuele stroomvraag en stroomproductie van duizenden huishoudens kunnen helpen slimme netwerken in te richten en stabiel te houden. Verdachte patronen in de beelden van beveiligingscamera s kunnen misdaad misschien eerder of vaker signaleren. Analyse van miljoenen teksten kan helpen betere vertaalmachines te maken. Analyse van complexe, biomoleculaire patiëntgegevens kan helpen bij behandelingskeuzes: kan dit medicijn voor u werken of niet? Uit gebundelde gegevens van ziekenhuizen en ziektekostenverzekeraars valt te leren welke behandelingen meer of minder succesvol zijn. Ook informatie uit miljoenen persoonlijke gezondheidssensoren kan straks nuttige lessen bevatten voor de gezondheidszorg. Maakbedrijven kunnen slimmer worden dan nu door gegevens uit bijvoorbeeld productierobots, logistieke ketens en een internet der dingen samen te gebruiken om efficiënter, flexibeler, sneller, mensvriendelijker en duurzamer te produceren. Wetenschappers zullen meer details kunnen zien: kleinere elementaire deeltjes, en planeten verder weg. Geologen kunnen zwakkere bodemtrillingen analyseren op zoek naar olievelden of aardwarmtebronnen diep in de aardkorst, en risico s van aardbevingen nauwkeuriger inschatten. Ook de methoden van Big Data-onderzoek zelf vormen belangrijke wetenschappelijke uitdagingen. Hoe kun je wetenschappelijk verantwoorde conclusies trekken uit heterogene, incomplete, onverifieerbare, gevoelige, verspreid opgeslagen gegevens met onbekende foutenmarges? Hoe kan inzicht in de samenhang tussen big data en small data de betrouwbaarheid van zulke conclusies vergroten? Hoe voorkom je dat patronen in de gegevensberg ten onrechte worden aangezien voor oorzaken en gevolgen? Hoe gaat Big Data-onderzoek om met eisen zoals controleerbaarheid, herhaalbaarheid en vergelijkbaarheid van onderzoek? Wat als bestanden veranderen, verloren gaan of te groot zijn om volledig op te slaan of te verwerken? Wie garandeert de kwaliteit en veiligheid van bestanden? Al zulke vragen worden voer voor een heel nieuw type academicus: de data scientist. Sociale- en geesteswetenschappen zullen zich ook moeten buigen over grote maatschappelijke vragen die opdoemen nu allerlei openbare en niet-openbare bestanden onderwerp kunnen worden van onderzoek. Van wie zijn gegevens, en hoeveel toegang en zeggenschap brengt dat met zich mee? Hoe kunnen burgers beslissen waarvoor hun informatie mag worden gebruikt, zeker als niet langer vooraf duidelijk is welke onderzoeksmogelijkheden in de toekomst zullen ontstaan? Wat blijft er over van privacy als geanonimiseerde gegevens via de koppeling van bestanden toch tot personen herleidbaar worden? Hoe reageren burgers op den duur op de realisatie dat hun persoonlijke informatie op grote schaal wordt geanalyseerd door bedrijven en overheden? Hoe verwerken we legitieme zorgen over privacy in belangrijke Big Data-toepassingen, bijvoorbeeld in de medische wetenschap? Welke taken komen er op het bord van overheden en internationale organen? Zijn er geheel nieuwe wetten en verdragen nodig om het aanleggen en gebruiken van databestanden in verantwoorde banen te leiden? En, niet te vergeten, wat betekent de groeiende wetenschappelijke focus op kennis die digitaliseerbaar is? Welke plaats heeft straks kennis die níet in databestanden kan worden gevangen? 14 Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

17 2 Uitdagingen voor Nederlandse wetenschap en maatschappij