artikel afdrukken
bionieuws 17, 27-10-2012

nieuws
Voorspellen van plotselinge omslagen

Omslagen in complexe systemen komen bijna altijd als een verrassing. Nu blijkt dat universele waarschuwingssignalen al vroegtijdig wijzen op een naderend kantelpunt in voedselwebben, financiële markten of epilepsie.

Door Gert van Maanen
© bionieuws


‘Ecologische omslagen zijn nog steeds mijn uitgangpunt’ zegt aquatisch ecoloog Marten Scheffer. ‘Maar het fascineert me dat kennis over kantelpunten ook toepasbaar is op zaken als migraine en depressies. Als je weet hoeveel mensen lijden aan depressies, kun je daar maatschappelijk veel meer betekenen, dan met het nog verder uitdiepen van je kennis over het helder maken van troebele zwemplassen.’ Reden voor Scheffer om op 10 en 11 oktober een aantal internationale kantelexperts in Amsterdam te laten brainstormen met sociale, medische en epidemiologische onderzoekers. Oogmerk van de bijeenkomst is een brug te slaan tussen theorie en praktijk, en te inventariseren welke kennis nodig is om vroege waarschuwingssignalen te identificeren van op handen zijnde omslagen. Hiertoe lanceerde Scheffers het Synergy Program for Analyzing Resilience and Critical transitionS (Sparcs), dat kennis over kantelpunten ‘viraal wil verspreiden’ onder andere disciplines. Dit mede te financieren uit de twee grote wetenschappelijke prijzen die Scheffer binnenhaalde: een NWO-Spinozapremie in 2009 en een ERC Advanced Grant in 2011, samen goed voor 5 miljoen euro.

De toepassing van early warning-signalen staat nog in de kinderschoenen, maar Scheffer en medestanders denken dat er rond kantelpunten (zie ‘Kantelen in het kort’) inderdaad universele wetten gelden. Kort gezegd duidt de snelheid waarmee een systeem herstelt van verstoringen op de nabijheid van een kantelpunt. ‘De veranderingen raken vertraagd, we noemen dat critical slowing down, en er zijn aanwijzingen dat het voor heel uiteenlopende systemen opgaat’, aldus Scheffer. Als voorbeelden noemt hij psychiatrische aandoeningen, omslagen in financiële markten en – in zijn eigen vakgebied – de omslag van regenwoud naar droge savanne. Scheffer en de ook in Amsterdam aanwezige Amerikaanse aquatisch ecoloog Steve Carpenter hebben rond het omslaan van meren naam gemaakt. Zij vormen samen ook de twee eerste auteurs van een review in Science van 19 oktober, dat mogelijkheden verkent om verlies van veerkracht nabij een kantelpunt in verschillende systemen te detecteren. Een suggestie waarmee zij drie jaar geleden voor het eerst op de proppen kwamen (Nature, 3 september 2009).

De Science-publicatie laat nu zien dat er algemene wetmatigheden zijn in complexe systemen als voedselwebben of sociale netwerken die ze robuust of juist fragiel maken. Zo leiden veel onderlinge verbindingen tussen eenheden in een systeem tot een grotere stabiliteit, maar zorgt die sterke verbondenheid er ook voor dat onder bepaalde omstandigheden het netwerk als geheel kan instorten. Er is volgens de auteurs sprake van een uitruil – trade-off – tussen lokale en systemische veerkracht van systemen. ‘Een sterke verbondenheid bevordert lokale veerkracht, omdat effecten van lokale veranderingen geëlimineerd kunnen worden door toevoer uit het bredere systeem’, stellen de auteurs. Zo kan bijvoorbeeld lokale schade aan een koraalrif gerepareerd worden door toestroom van organismen uit nabij gelegen riffen of kan een individuele bank in problemen gered worden door het overkoepelende financiële systeem. ‘Als de omstandigheden echter veranderen, kunnen sterk verbonden systemen een omslagpunt bereiken, waarbij juist een lokale verandering een domino-effect veroorzaakt die door kan tuimelen in een systemische transitie.’

Algenbloei
De eerste aanwijzingen dat zulke transities of regimewisselingen voorafgegaan worden door waarschuwingssignalen komen uit de ecologie. Zo deden Carpenter en zijn team een meerjarig experiment in een compleet meer tussen Michigan en Wisconsin dat door eutrofiëring een flinke algenbloei kende. Op geregelde tijden introduceerden zij enkele roofvissen. Verschuivingen in populaties prooivissen en plankton zijn gedurende drie jaar gemonitord in dit meer en een controlemeer zonder toegevoegde roofvis (Science, 27 mei 2011). Het meer met de uitgezette roofvissen sloeg uiteindelijk om naar een heldere toestand. Uit analyses bleek dat de theoretisch voorspelde waarschuwingssignalen voor het dramatische omslagpunt al ruim een jaar voordien te zien waren. Scientific American doet in het komende novembernummer uitgebreid verslag van dit experiment met een compleet ecosysteem.

Op kleine schaal ontdekte Scheffers promovendus Annelies Veraart dat kritische vertraging optreedt in de nabijheid van een kantelpunt. Zij liet daarvoor een mini-ecosysteem met blauwalgen steeds meer licht verwerken, tot de populatie instort door inhibitie van fotosynthese (Nature, 25 december 2011). Een fractie van de blauwalgpopulatie werd op gezette tijden

getest op herstelvermogen. Dat herstel blijkt steeds te vertragen als het kantelpunt dichterbij komt. De theorie is ook bevestigd in Amerikaanse laboratoriumexperimenten aan populaties watervlooien (Nature, 23 sept 2010) en gist (Science, 1 juni 2012) die op het punt van uitsterven werden gebracht.

Voortbouwend op deze successen in de ecologie wil Scheffer nu met een breed scala aan wetenschappers de toepasbaarheid in andere vakgebieden onderzoeken. De eerste voorlopige resultaten in aardwetenschappen en in medische en sociale wetenschappen, stemmen optimistisch. Waar Scheffer ook van geniet is het samenwerken met collega’s uit heel andere vakgebieden. ‘Je leert toch altijd een hoop van elkaar. Het is enorm stimulerend om de verschillende manieren van kijken naar een complex systeem naast elkaar te leggen, en om dan naast de verschillen ook verrassend veel overeenkomsten te ontdekken.’


Kader: Kantelen in het kort
Het eenvoudigst demonstreert Marten Scheffer het met een stoel. Als je die met een vinger rustig een duwtje geeft, keert die gewoon op zijn vier poten terug. Er komt echter een punt waarop je de stoel zo ver uit balans brengt, dat die omkiept en in een compleet andere toestand terechtkomt. ‘Om de stoel dan weer in de uitgangspositie terug te krijgen, moet je veel meer moeite doen. Het is een metafoor, maar het illustreert wel goed de essentie van kantelpunten en kritische transities’, meent Scheffer. ‘Er is rond een kantelpunt maar een kleine inspanning nodig voor een groot effect. Uit de nieuwe stabiele toestand kom je niet eenvoudig terug naar de uitgangssituatie.

‘Als je erop gaat letten, zie je talrijke voorbeelden van abrupte of grote veranderingen. Dat zijn echter lang niet altijd kritische transities’, waarschuwt Scheffer. In de ecologie zijn wel mooie voorbeelden te vinden: bij de instorting van visbestanden of het omslaan van meren van een heldere naar een troebele toestand. Maar ook bij zaken als klimaatverandering, epilepsie, financiële markten en publieke meningsvorming kan sprake zijn van kritische transities, meent Scheffer.

‘Dat klinkt nogal breed, en dat is het ook’, beschrijft hij. ‘Een cel, een vis, een populatie en de aarde zijn te beschouwen als dynamische systemen, waarbij hun toestand begrepen kan worden als resultaat van een balans van processen.’ In zulke dynamische systemen gelden bepaalde universele wetten. Als er in zulke systemen positieve terugkoppelingen bestaan, kunnen cycli, chaos en alternatieve evenwichten ontstaan.

Abrupt
In de buurt van kantelpunten neemt de veerkracht af. Dat is het best te begrijpen aan de hand van een grafische weergave en zogeheten stabiliteitslandschappen. In de bovenste figuur zijn de twee alternatieve systeemtoestanden zichtbaar in de bovenste en onderste doorgetrokken lijn. Bovenin beginnend hebben veranderingen in omstandigheden slechts een geleidelijk effect, tot kantelpunt F2 wordt bereikt. Dan klapt het systeem

abrupt om in de alternatieve toestand: de onderste lijn. Geleidelijk terugdraaien van de omstandigheden levert geen onmiddellijk herstel op. Het systeem vertoont hysterese: pas als het veel verder terug gelegen kantelpunt F1 is bereikt klapt het systeem terug in de uitgangstoestand.

Geëxtrapoleerd naar stabiliteitslandschappen zijn de alternatieve stabiele systeemtoestanden in de onderste figuur herkenbaar als dalen. Hoe breder en dieper de dalen, hoe veerkrachtiger het systeem functioneert. Na een geleidelijke verandering is slechts een klein duwtje genoeg om een kritische transitie naar de alternatieve systeemtoestand onafwendbaar te maken.

‘Het idee dat systemen op onzichtbare wijze fragiel worden door graduele trends in klimaat, vervuiling, landbedekking, armoede of exploitatiedruk lijkt misschien contra-intuïtief. Maar, intuïtie kan een slechte gids zijn. Dat is precies waarom een goede en transparante

systeemtheorie behulpzaam kan zijn’, aldus Scheffer. Hij benadrukt dat er in realiteit vaak meerdere alternatieve stabiele toestanden en drempelwaarden zijn, die bovendien kunnen fluctueren. Zo is het nutriëntenniveau voor omslag van helder naar troebel water afhankelijk van de diepte en grootte van meren. Computermodellen zijn onontbeerlijk om mogelijke scenario’s te simuleren. ‘Zulke modellen zijn vanzelfsprekend sterke idealisaties’, erkent Scheffer. Reality checks en waar mogelijk experimenten zijn nodig om zeker te zijn dat er echt sprake is van kritische transities.

Boek:
Critical Transitions in Nature and Society
Marten Scheffer
Princeton Studies in Complexity, 2009
Princeton University Press
9780691122045
Paperback, 400 pagina’s, 42,20 euro

Meer informatie:
http://www.sparcs-center.org en http://www.early-warning-signals.org