Plotselinge omslagen in complexe systemen als klimaat, financiële markten, ecosystemen en zelfs het menselijk lichaam kunnen worden voorafgegaan door verrassend vergelijkbare waarschuwingssignalen. Het voorspellen van zulke kantelpunten is wezenlijk, maar erg moeilijk. In een artikel in het wetenschappelijke tijdschrift Nature van 3 september laat een groep wetenschappers van Wageningen Universiteit en collega's van de Universiteit Utrecht en uit Duitsland, Spanje en de Verenigde Staten zien dat systemen die op kantelen staan vaak vergelijkbare signalen afgeven.
Op het eerste gezicht lijkt het onwaarschijnlijk dat een klimaatsomslag, een epileptische aanval, de ineenstorting van een vispopulatie of een omslag in een financieel systeem iets met elkaar gemeen hebben. De Wageningse hoogleraar Marten Scheffer twijfelt daar echter niet aan. In Nature laat hij met collega's zien dat heel verschillende systemen, zoals de hersenen, het klimaat en financiële markten in de buurt van een kantelpunt aan bepaalde universele wetten gehoorzamen die het mogelijk maken vroege waarschuwingssignalen voor een omslag te herkennen.
Kantelpunt
De veranderingen hebben te maken met een verschijnsel dat in de wiskunde bekend staat als ‘Critical Slowing Down’. Het betekent ondermeer dat fluctuaties in de toestand van een systeem dat een kantelpunt nadert langzamer worden: vandaag lijkt als het ware meer op gisteren. Onlangs lieten dezelfde Wageningse onderzoekers nog zien dat zo’n vertraging in schommelingen in het verleden bijvoorbeeld steeds voor radicale klimaatsomslagen optrad. Ook kunnen voor een omslagpunt karakteristieke veranderingen in ruimtelijke patronen ontstaan. Zo kan een bepaald vegetatiepatroon verwoestijning aankondigen, en stijgt voor een epileptische aanval de gelijkenis in activiteit tussen naburige neuronen in de hersenen.
Prof. Marten Scheffer verrichtte het onderzoek met een gezelschap van wetenschappers variërend van economen en klimaatskundigen tot ecologen en wiskundigen. Hoewel de onderzoekers uit de diverse disciplines verschillende praktijkvoorbeelden laten zien, benadrukt Scheffer dat toepassingen voor universele waarschuwingssignalen nog in de kinderschoenen staan. Een van de vervolgprojecten wordt een gezamenlijke zoektocht van prof. Scheffer met de twee andere winnaars van de prestigieuze NWO Spinozapremie 2009 naar mogelijke waarschuwingssignalen voor migraineaanvallen die net als epileptische aanvallen ontstaan wanneer een kantelpunt in de hersenen wordt bereikt.
Het onderzoek werd medegefinancierd door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).
Publicatiegegevens
Early Warning Signals for Critical Transitions. Nature 3 September 2009.
Marten Scheffer, Jordi Bascompte, William A. Brock, Victor Brovkin, Stephen R. Carpenter, Vasilis Dakos, Hermann Held, Egbert H. van Nes, Max Rietkerk and George Sugihara.