Vertragend herstel waarschuwt voor kantelpunt

De nabijheid van een kantelpunt kan worden afgeleid uit de snelheid waarmee een systeem herstelt van verstoringen, schrijven wetenschappers van Wageningen University, onderdeel van Wageningen UR, deze week in het vooraanstaande wetenschappelijke tijdschrift Nature. In hun studie tonen zij in een levend ecosysteem aan dat er universele indicatoren zijn die aangeven of systemen dreigen om te vallen.

Kantelingen zien aankomen
Kunnen we kantelingen als de Arabische lente, het troebel worden van een meer of de financiële crisis zien aankomen? Ons begrip van de meeste complexe systemen is te beperkt om zulke omslagen met modellen te voorspellen. Maar een nieuwe theorie voorspelt verrassend genoeg dat er universele waarschuwingssignalen kunnen zijn die gelden in elk systeem met een kantelpunt. Voorbeelden van zo’n systeem zijn de hersenen, of een ecosysteem, het klimaat of een samenleving. De basis van die theorie is het verschijnsel ‘critical slowing down’ (kritieke vertraging). Dat komt er simpel gezegd op neer dat herstelsnelheden systematisch zouden moeten afnemen naarmate een kantelpunt dichterbij komt.

Levend systeem
In hun studie gebruikt het Wageningse onderzoeksteam een experimenteel ecosysteem om dit wiskundig voorspelde verschijnsel aan te tonen. Het in Nature gepubliceerde onderzoek toont dat basisprincipe voor het eerst aan in een levend systeem. Promovenda Annelies Veraart van de groep Aquatische ecologie en waterkwaliteitsbeheer van Wageningen University maakte met collega’s een mini-ecosysteem in het laboratorium dat een klassiek kantelpunt kent. Het systeem – een vat met cyanobacteriën waarin de condities continu hetzelfde zijn - kreeg als enige variabele geleidelijk meer licht. Dat ging door tot een kritiek punt werd bereikt. Op dat punt stortte de populatie in door een overmaat aan licht.

Bacteriepopulatie
“We waren zelf verbaasd hoe goed de voorspellingen bevestigd werden door ons experiment,” zegt Veraart. De onderzoekster bracht elke vierde dag een verstoring aan in het ecosysteem door tien procent van de bacteriepopulatie te verwijderen. “Aanvankelijk herstelde de bacteriepopulatie hier snel van,” licht zij toe. “Maar we zagen dat de populatie steeds langzamer herstelde naarmate het licht sterker werd en het kantelpunt dichterbij kwam.”
Het experimentele bewijs vormt een belangrijke nieuwe pijler onder het onderzoek van het Wageningse onderzoeksteam. “Toen we de theorie in 2009 in Nature publiceerden deed dat veel stof opwaaien,” zegt Marten Scheffer die het onderzoeksprogramma naar voorspelling van kantelpunten leidt. “Dat is geen wonder want het aantal potentiële toepassingen is enorm. Dit experimentele bewijs van de belangrijkste basis van de theorie schept vertrouwen in de mogelijkheden voor verdere vertaling naar de praktijk”.

Klimaatfluctuaties
De onderzoekers hadden eerder al laten zien dat de voorspelde waarschuwingssignalen optreden in klimaatsfluctuaties die vooraf gaan aan grote klimaatsomslagen in de geschiedenis van de aarde. Toch is de nieuwe stap cruciaal. “Experimentele toetsing is nu eenmaal essentieel, en dat kan alleen als je een systeem goed in de vingers hebt. Het is daarom ook zo mooi dat we de experimentele ecologen en de theoretici hier bij elkaar hebben,” zegt Scheffer.

Bron: Wageningen UR