økologisk vippepunkt

Alle økosystemer er i kontinuerlig endring grunnet forandring i næringstilgang, klimaendringer, habitatfragmentering og menneskelig utnyttelse av biologiske systemer. Man skulle forvente at endringene skjedde gradvis, men forsøk og modeller har vist at stabile stadier kan bli avbrutt av plutselige raske endringer som ender i en alternativ stabil tilstand.

Den nye stabile tilstanden som oppstår kan være vanskelig å bringe tilbake til opprinnelsen grunnet hysterese. Hysterese vi si at økosystemet reagerer forskjellig på økende og minskende ytre påvirkning. For eksempel vil det ha en annen innvirkning om et dyr dør når det er få igjen av arten, enn når det er mange. Det betyr at effekten på økosystemet ikke alltid er proporsjonal med påvirkningen. Økosystemet kan være formbart og plastisk, men kan også få en stabil og permanent deformasjon som ikke lar seg endre.

Resiliens er økosystemets robusthet, motstandskraft og evne til å tåle, absorbere og motstå forstyrrelser, stress og påkjenninger, og hvor raskt økosystemet vender tilbake til sin opprinnelig normaltilstand som det hadde før forstyrrelsen inntrådte.

Resiliens er spesielt viktig i møte med forstyrrelser som klimaendringer, smelting av breer, tining av permafrost, skogbrann, hogst, tørke, frost, salinisering, oversvømmelse, angrep fra patogene organismer og virus, oljeutslipp, vulkanutbrudd, fjerning av nøkkelarter eller habitatfragmentering.

Homeostase gjør at et komplekst økosystem befinner seg i tilsynelatende likevekt. Innen kjemi, og det samme prinsipp kan anvendes innen biologi og økologi, så virker Le Châtelier prinsippet stabiliserende når et system mottar et ytre påtrykk. En ytre forstyrrelse gjør at systemet responderer med en forskyvning av likevekt, som så motvirker forstyrrelsen eller stresset. Allostase (gresk allo – annen; statis – stå stille) er virkemidlene i form av tilpasninger som systemet anvender for å oppnå stabilitet og homeostase.

Man leter nå etter tidlige varselsignaler om vippepunkt i økosystemer med lav resiliens. Bruker et økosystem lang tid på å restituere seg etter en forstyrrelse så kan dette være et signal om at økosystemet nærmer seg en overgang (et kritisk transisjonspunkt). Det er ikke nødvendigvis slik at et komplekst økosystem som i en tropisk regnskog med et nettverk av organismer, strukturer og energiflyt er robust og stabilt med høy grad av resiliens.

For ca. 10 000 år siden skiftet Jorden fra istid til mer stabilt klima. Menneskets tidsalder antropocen, har gitt menneskeindusert endring av Jorden og dens økosystemer med forurensninger av luft og vann. Der hvor menneskelige sivilisasjoner har utviklet seg har mange økosystemer gjennomgått oppdelinger. Det er en grense for økosystemets resiliens som lett kan overskrides, hvor Homo sapiens representerer en utfordring for stabiliteten til alle Jordens økosystemer.

Ved temperaturøkning grunnet klimaendring vil smelting av havis, isbreer og permafrost gi et vippepunkt hvor et stabilt stadium mister sin stabilitet eller slutter å eksistere og økosystemer tilknyttet is blir permanent endret. Selvforsterkende mekanismer kan øke ustabiliteten.

Den nederlandske økologen Marten Scheffer har også foreslått at en endring i et menneskes mikrobiom (menneskets bakterieflora) også kan passere et vippepunkt og nå et nytt stabilt stadium som kan medføre sykdom. Tidlige signaler i væremåte, kroppsbevegelse og kroppspositur kan indikere ustabilitet med mulig vippepunkt som ender i depresjon eller sykdom.

Immunsystemet, som beskytter mot inntrengere og kjenner forskjellen mellom selv og ikke-selv, kan gjennom et vippepunkt skifte fra forsvar til et stadium med angrep på kroppens egne celler, med cytokinstorm, sepsis, og kollaps.

Det kan også kalles vippepunkt når en virussykdom går over fra å være en lokal epidemi til å bli en global pandemi.

Man kan også snakke om vippepunkter innenfor sivilisasjoner og kulturer, når de gjennomgår endringer eller møter ustabilitet.

Katastrofeteori omhandler bifurkasjoner i dynamiske systemer. Bifurkasjoner (gaffeldeling) vil si at små endringer i utgangsbetingelser og passering av et kritisk punkt kan gi raske og dramatiske endringer i økosystemet. Det blir ustabilt og kan vippe til den ene eller andre siden i gaffeldelingspunktet. Den franske matematikeren René Thom og den britiske topologen Christopher Zeeman har vært viktige bidragsytere til katastrofeteorien.

Det har knyttet seg stor interesse til å kunne forutsi vippepunkter i et uforutsigbart kaotisk system (kaosteori, sommerfugleffekten, Lyapunovfunksjonen) innen økologi, biologi, klima, økonomi eller samfunnssystem. Det kan gjelde raske og plutselige endringer i et økonomisk system, sosialsystem og samfunnsstruktur, klimasystem, økosystem, helse, mikrobiom, eller svingninger i populasjoner og populasjonskollaps. Studier av hvorfor vippepunkter og plutselige endringer i et system oppstår, har fått fornyet aktualitet, med ønske om å forstå på forhånd når blir et system blir ustabilt og kan passere et vippepunkt.

Begrepet transisjonspunkt kan også bli brukt innen væskedynamikk på stedet hvor en væskestrøm rundt et objekt endrer seg fra laminær til turbulent flyt. Det samme gjelder faseoverganger mellom tilstandsformene gass, væske og fast form for et stoff under bestemte temperatur- og trykkforhold.

• klimaendringer
• antropocen
• økologi
• resiliens – psykologi

• Scheffer M: Critical Transitions in Nature and Society, 2009, Princeton University Press.
• Scheffer M et al.: Quantifying resilience of humans and other animals. PNAS, 115 (2018)11883–11890
• Lahti L et al. : Tipping elements in the human intestinal ecosystem. Nature Communications (2014), DOI: 10.1038/ncomms5344
• Xu et al.: Future of the human climate niche, PNAS 117 (2020) 11350-11355.