Een zachtgloeiend sponsje

De vraag waarom de mens zo'n groot hoofd vol hersens bezit, heeft al heel wat evolutiebiologen langdurig van de straat gehouden. Zo'n anderhalf miljoen jaar geleden begonnen hoofd en hersens van onze voorouders zomaar enorm uit te groeien tot de vertrouwde, loodzware voetbal die op onze nek staat te wiebelen.

Op het eerste gezicht had dat alleen maar evolutionaire nadelen. Extra belasting, bijvoorbeeld, van de ruggegraat, die toch al niet voor rechtopgaan ontworpen was. Maar ook moeten mensenjongen sindsdien veel te vroeg geboren moeten worden. Anders passen ze domweg niet meer door het geboortekanaal. Het gevolg is dat waar veulens, biggen, puppies en apenjonkies al vrij snel na de geboorte aan de wandel gaan, terwijl hun hersens nog maar langzaam groeien, baby's pas na een vol jaar van voortgaande stormachtige breingroei wankel in de benen komen. Een levensgevaarlijke toestand tussen de leeuwen van Afrika!

Daartegenover moeten wel heel grote voordelen staan, anders had onze soort nooit overleefd. Maar wat precies ons unieke 'groeihoofd' tot een succes maakte, is niet gemakkelijk te zien. Toegenomen intelligentie, ofwel computing power, kan het niet zijn. Moeder Natuur plant niet, ze doet maar wat. Dat er ooit dankzij het hersengezwel Homerussen, Shakespeares, Newtons en Einsteins zouden opstaan, interesseert haar niet. (En was dat wel zo, dan was ze vast nooit aan het experiment begonnen, want de mens is toch vooral een unieke bedreiging voor de natuur als geheel geworden.) Wat telt, is een onmiddellijke profijt van groeiende hoofden. Alleen een niet-nadelige afwijking kan zich door de soort verspreiden, alleen met niet-nadelige nieuwe eigenschappen kan de soort zelf overleven. Rauwe menselijke intelligentie lijkt in oeromstandigheden nauwelijks een serieus voordeel. Mensen handhaven zich in oerwouden, savannen en steppen niet merkbaar beter dan tijgers, apen, zebra's of konijnen.

Een van de meest intrigerende theorieën over het nut van hersens is de radiatortheorie. Hersens dienden vanouds uiteraard om het lichaam te besturen, maar het voordeel van de explosieve groei ervan was toegenomen koelingscapaciteit. Op de hete Afrikaanse savanne is dat een sterk argument, weten wij georganiseerde globetrotters maar al te goed. En inderdaad, een mens verliest maar liefst dertig procent van zijn warmte via het hoofd. De toegenomen denkkracht die nu zo belangrijk is, is in deze gedachtengang dus spin off, een toevallig bijproduct. Maar de samenloop van omstandigheden had niet idealer kunnen zijn. Hersenactiviteit genereert zelf ook veel warmte, onze drie pond hersenen zijn verantwoordelijk voor ruim 20 procent van ons totale energieverbruik. Die warmte moet snel worden afgevoerd, anders verandert je hoofd in een hardgekookt ei. Het explosief groeiende schedeloppervlak, doorweven met een fijn netwerk van kleine adertjes, leverde blijkbaar genoeg koelingsvermogen om al die activiteit mogelijk te maken. Ruim een miljoen jaar na het begin van de herseninflatie bouwen we met ons goedgekoelde hoofd zelf hersenen, die we computers noemen. En meteen stuiten we op hetzelfde probleem: koeling. Computers werken met elektrische stroompjes die door draadjes van het ene punt naar het andere vloeien. Maar hoe meer stroom je door een draad perst, hoe heter die wordt. Dat komt goed uit bij broodroosters en elektrische straalkachels, maar niet in computers. Die gaan stuk van te veel warmte. Zelfs de kleinste computer bestaat uit enorm veel schakelaartjes en nog meer verbindingen daartussen, die allemaal een beetje warmte produceren. Die warmte kun je niet kwijtraken aan de buitenlucht, zoals bij een broodrooster of straalkachel. Als de schakelaars van een computer daarvoor ver genoeg uit elkaar stonden, was zo'n apparaat niet alleen enorm groot, maar werden ook de verbindingen veel langer. Nu is stroom wel snel, maar niet oneindig snel, zodat langere verbindingen dus meer tijd kosten. Je zou dan bij elke stap die de computer zet een tijdje moeten gaan wachten tot alle stroompjes zijn uitgevloeid, waardoor zelfs simpele berekeningen eindeloos zouden gaan duren. Langere verbindingen betekenen ook meer transportverlies, in de vorm van warmte. Ze vereisen dus meer stroom. Maar dat levert weer meer warmte op, en zo raken we van de wal in de sloot.

Computers kunnen alleen maar zinvol bestaan bij korte verbindingen en dus dicht opeengepakte schakelaars, zodat er maar heel weinig warmte kan worden afgevoerd. Vandaar dat de spanningen waarmee microprocessoren en andere chips werken steeds verder zakken. Nu lopen de nieuwere op 3,3 volt, nog maar kort geleden was 5 volt de norm, en daarvoor nog meer. Het idee is simpel: minder stroom betekent minder warmte, en dus minder koelingsbehoefte. Probleem opgelost. Of toch niet?

Nee, omdat het aantal verbindingen in een chipje steeds groter wordt, en daardoor de schakelaars steeds dichter op elkaar zitten en de 'draadjes' steeds dunner worden. Computers worden daar sneller en krachtiger van, maar meer en nauwere verbindingen met minder tussenruimte betekent ook meer warmteproductie bij nog minder ventilatie. Nog lagere voltages kunnen dat nog wel even compenseren, maar daar komt een einde aan. Er komt een moment dat schakelaars zo zacht met elkaar fluisteren dat ze elkaar door de natuurlijke elektrische achtergrondruis niet meer kunnen verstaan, en dan houdt het op. Het is de natuurlijke limiet van de stroomdraadjescomputer, die niet echt ver weg meer is.

Vandaar dat er druk gezocht wordt naar alternatieven. Lichtpulsen kunnen misschien de taak van elektrische stroompjes deels overnemen. Maar ook zoekt men naar andere constructiematerialen en bouwprincipes. Er zijn zelfs onderzoekers die proberen om algen als geheugenmodulen in te zetten. En waarom niet? Moeder Natuur bouwt al miljoenen jaren veel betere computers dan het beste dat mensenhanden hebben voortgebracht. Daar valt nog heel wat van te leren. Misschien is de computer van morgen wel een zachtgloeiend, vochtig sponsje.

    • Rik Smits