Aarde blijkt veerkrachtiger dan gedacht
We moeten er alles aan doen om klimaatverandering te stoppen. Maar: de aarde blijkt veerkrachtiger dan gedacht. Dat is de verrassende conclusie van een internationaal team van ecologen en wiskundigen, waar ook de Leidse wiskundige Arjen Doelman bij betrokken was. Het team ontdekte dat ecosystemen kantelpunten, veroorzaakt door klimaatverandering, nog kunnen omzeilen. Ze publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Science.
Regelmatig klinkt de waarschuwing dat klimaatverandering kan leiden tot kantelpunten: onomkeerbare situaties waarbij bijvoorbeeld het omklappen van savanne naar woestijn, maar ook het stilvallen van de warme golfstroom, in een versnelling terechtkomt. Daarbij wordt vaak verwezen naar ruimtelijke patronen als voorbodes voor zulke kantelpunten. Het team van ecologen en wiskundigen bekeek deze patronen vanuit een ruimtelijke context en ontdekte dat ecosystemen door die patroonvorming de kantelpunten juist nog kunnen omzeilen.
Turingpatronen als waarschuwingssignaal
‘Ruimtelijke patroonvorming in ecosystemen, zoals wanneer er spontaan ingewikkelde patronen in de vegetatie ontstaan, wordt vaak uitgelegd als vroegtijdig waarschuwingssignaal voor een kritieke overgang,’ vertelt hoofdonderzoeker Max Rietkerk, ecoloog verbonden aan de Universiteit Utrecht. Het internationale onderzoeksteam, dat voortkomt uit een jarenlange samenwerking vooral tussen de Universiteit Utrecht en de Universiteit Leiden, baseerde hun conclusies op wiskundige analyses van ruimtelijke modellen en op nieuwe waarnemingen in echte ecosystemen.
Patroonvorming laat veerkracht zien
Spontaan optredende patronen in de natuur worden vaak Turingpatronen genoemd, naar de beroemde Britse wiskundige Alan Turing. In 1952 beschreef hij hoe patronen in de natuur, zoals strepen en vlekken op de vacht van dieren, zouden kunnen ontstaan uit een egale uitgangspositie. ‘In de ecologie worden deze Turingpatronen veelal uitgelegd als waarschuwingssignalen, omdat ze op een verstoring in een ecosysteem zouden wijzen,’ verduidelijkt de Leidse wiskundige en mede-onderzoeker Arjen Doelman. ‘Uit onze analyse blijkt nu echter dat het feit dát ergens patroonvorming optreedt, niet hoeft te betekenen dat daarmee een evenwicht is verstoord tot voorbij een kantelpunt.’ Ecoloog Rietkerk geeft een voorbeeld. ‘Op de overgang tussen savanne en woestijn zie je allerlei complexe ruimtelijke vormen. Een ruimtelijke reorganisatie dus, maar niet noodzakelijkerwijs kantelpunten. Integendeel, die Turingpatronen zijn daar juist een teken van veerkracht.’
Kantelpunt omzeilen
De onderzoekers ontdekten een interessant fenomeen: multistabiliteit. Dit betekent dat veel verschillende ruimtelijke patronen gelijktijdig kunnen voorkomen onder dezelfde omstandigheden. Rietkerk: ‘Elk van deze patronen kan stabiel blijven onder een breed scala van omstandigheden en klimaatverandering. En het blijkt nu bovendien dat elk complex systeem dat groot genoeg is om ruimtelijke patronen te genereren mogelijk kantelpunten kan omzeilen.’ De vraag zou dus moeten luiden: welke systemen zijn gevoelig voor een omslagpunt en welke niet? ‘Voor de exacte rol van kantelpunten moeten we dus terug naar de tekentafel,’ aldus Rietkerk. ‘Pas dan kunnen we bepalen welke omstandigheden en ruimtelijke patronen leiden tot kantelpunten en welke niet.’
Het artikel ‘Evasion of tipping in complex systems through spatial pattern formation’ verscheen op 8 oktober in Science