DOOR STEIJN VAN SCHIE - Beeld: Princeton Studies in Complexity / Martin Scheffer - 12-06-2021 - Ecologie
Ook deze stabiele toestand bereikt een keer een kantelpunt. Foto: detail omslag Critical Transitions in Nature and Society-Marten Scheffer-Princeton Studies in Complexity-2009
Door de levensverwachting van een complex systeem vast te stellen, zijn naderende kantelpunten nauwkeuriger te voorspellen.
De weerbaarheid van ecosystemen is beter te kwantificeren door aan bestaande modellen een extra maat toe te voegen: de mean exit time, oftewel de verwachte tijd waarna een systeem onder invloed van natuurlijke fluctuaties verspringt naar een alternatieve stabiele toestand. Met een dergelijke ‘levensverwachting’ zijn naderende kantelpunten van dynamische systemen beter te voorspellen. Dat demonstreren onderzoekers van onder meer de Rijksuniversiteit Groningen en Wageningen Universiteit 11 juni in Science aan de hand van tijdreeksdata van twee goed beschreven dynamische systemen: populatiefluctuaties van cyanobacteriën in een Noord-Amerikaans meer en klimaatshifts in het Pleistoceen-Holoceen. De analogie van een balletje dat zich in een vallei tussen twee heuveltjes bevindt, leent zich goed om te omschrijven hoe een systeem verstoringen opvangt; een verstoring duwt het balletje de heuvel op, die meestal van nature weer richting het dal rolt. Totdat er een zo grote verstoring plaatsvindt, dat het balletje over de heuvel rolt en in een nieuw dal terecht komt. Het kantelpunt is bereikt.
ZETJES
Al met al is het een sterk versimpelde weergave van bijvoorbeeld ecosysteemtoestanden. In werkelijkheid geven kleine natuurlijke verstoringen continu zetjes aan het balletje. Gevolg: het balletje is, net als een dynamisch systeem, continu in beweging. De nu voorgestelde mean exit time neemt deze continue natuurlijke variatie expliciet mee, en beschrijft hoelang een balletje gemiddeld al heen en weer rollend in een dal blijft voordat het over een heuvel rolt.
Verbeelding van de alternatieve stabiele toestanden waarin een ecosysteem kan verkeren. Bron: Marten Scheffer
De onderzoekers schatten vervolgens de mean exit time van twee dynamische systemen: de cyanobacteriën van het Amerikaanse meer en de shifts tussen ijstijden in het Pleistoceen-Holoceen. Vanwege de langdurige tijdreeksdata van beide systemen, lukt het fluctuaties door de tijd heen te reconstrueren en daarmee ook het landschap waarin het fictieve balletje rolt. De onderzoekers plakken daarmee tevens een tijdseenheid aan de veerkracht van de alternatieve toestanden.
VEERKRACHT
‘Deze studie is een belangrijke stap voorwaarts in het begrijpen en voorspellen van de kans op kantelpunten in ecosystemen’, oordeelt Arie Staal, milieuwetenschapper aan de Universiteit Utrecht, niet betrokken bij de studie en tevens gespecialiseerd in de veerkracht van ecosystemen. ‘De mean exit time is een nieuw stuk gereedschap waarmee we ecosysteemveerkracht beter kunnen kwantificeren. Je hebt er alleen wel langdurige en systematische data van een systeem voor nodig. Toch denk ik dat veel onderzoeksteams deze methode gaan toepassen op data die zij hebben – ik ben heel benieuwd welke nieuwe inzichten dat gaat opleveren.’
Zie ook: 'Voorspellen van plotselinge omslagen' (Bionieuws, 27 oktober 2012)