Natural spatial patterns make ecosystems resilient

~~for Dutch scroll down~~

The article builds on years of collaboration between a variety of research institutes in the Netherlands and abroad, especially between Utrecht University and Leiden University, but also the Netherlands Institute for Sea Research (NIOZ). The researchers approached the idea of a tipping point within a spatial context. “The formation of spatial patterns in ecosystems, like the spontaneous formation of complex vegetation patterns, is often explained as an early-warning signal for a critical transition”, explains lead author Max Rietkerk, ecologist affiliated with Utrecht University. “But these patterns actually appear to allow ecosystems to evade such tipping points.” These findings are based on mathematical analyses of spatial models and new observations from real-world ecosystems.

Alan Turing
Spontaneously emerging patterns in nature are often referred to as ‘Turing patterns’, named after the renowned British mathematician Alan Turing. In 1952, he described how patterns in nature, such as the stripes on animals’ coats, can develop from a homogeneous starting position. “In ecosystems, the Turing patterns are often explained as early-warning signals, because they indicate disturbance ”, clarifies Leiden University mathematician and co-author Arjen Doelman. “Turing’s mechanism of pattern formation is still undisputed. But the fact itself that a pattern is forming somewhere does not necessarily mean that the ecosystem is close to a tipping point.” As an example of such a situation, Rietkerk refers to the transition from savanna to desert. “There you can observe all sorts of complex spatial forms. It’s a spatial reorganisation, but not necessarily a tipping point. On the contrary: those Turning patterns are actually a sign of resilience.”

Evading tipping points
The researchers discovered an interesting new phenomenon in ecology: multistability. It implies that many different spatial patterns can occur simultaneously under the same circumstances. Rietkerk: “And each of these patterns can remain stable under a wide range of conditions and climate change. Moreover, we found that any complex ecosystem large enough to generate spatial patterns may also evade tipping points.” The question now is: which ecosystems are sensitive to tipping, and which are not? “That means we have to go back to the drawing table to understand the exact role of tipping points”, Rietkerk says. “Only then can we determine which conditions and spatial patterns result in tipping points, and which ones do not.”

Protect large ecosystems with natural spatial patterns
NIOZ spatial ecologist and co-author Johan van de Koppel: "Our study makes an important point about the occurrence of tipping points in ecosystems. In relation to climate change, tipping points are a major concern for society: we could suddenly lose ecosystems, such as salt marshes and tidal flats in the Wadden Sea, if a tipping point is reached by sea level rise. Our research suggests that such ecosystems need not be so sensitive to tipping points if undisturbed spatial pattern formation can take place. So, we should be very protective of systems with natural patterns, such as the beautiful and large Saeftinghe salt marsh in Zeeland, where nature has shaped itself."

Kantelpunten door klimaatverandering: terug naar de tekentafel

Natuurlijke patronen maken ecosystemen veerkrachtiger dan gedacht

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. Een internationaal team van ecologen en wiskundigen onderzocht deze patronen en kwam tot een verrassende conclusie. “Ja, we moeten er alles aan doen om de klimaatverandering te stoppen.” Hiermee onderschrijven de auteurs volledig het IPCC rapport. ”Maar het concept van kantelpunten is te eenvoudig. Ecosystemen hebben verbazend veel veerkracht, zolang ze hun diversiteit aan natuurlijke patronen nog hebben, zoals schorren en getijdeplaten.” Hun onderzoek is nu gepubliceerd in het gezaghebbende tijdschrift Science.

Het artikel bouwt voort op een jarenlange samenwerking tussen diverse onderzoeksinstituten in binnen- en buitenland, vooral tussen de Universiteit Utrecht en de Universiteit Leiden maar ook het Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ). De onderzoekers benaderden het idee van kantelpunten vanuit een ruimtelijke context. “Ruimtelijke patroonvorming in ecosystemen, zoals de spontane vorming van complexe vegetatiepatronen, wordt vaak uitgelegd als vroegtijdig waarschuwingssignaal voor een kritieke overgang”, vertelt hoofdauteur Max Rietkerk, ecoloog verbonden aan de Universiteit Utrecht. “Maar zo’n patroonvorming blijkt er nu juist voor te zorgen dat ecosystemen kantelpunten kunnen omzeilen.” Deze bevindingen zijn gebaseerd op wiskundige analyses van ruimtelijke modellen en op nieuwe waarnemingen van echte ecosystemen.

Alan Turing
Spontaan optredende regelmatige 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. “Die Turingpatronen worden in het geval van ecosystemen veelal uitgelegd als waarschuwingssignalen, omdat ze op een verstoring zouden wijzen”, verduidelijkt de Leidse wiskundige Arjen Doelman, mede-auteur van het artikel. “Turings mechanisme van patroonvorming staat nog steeds buiten kijf, maar het feit dát ergens patroonvorming optreedt, hoeft niet te betekenen dat we direct een kantelpunt naderen.” Als voorbeeld van zo’n situatie wijst Rietkerk op de overgang tussen savanne en woestijn. “Daar zie je allerlei complexe ruimtelijke vormen. Een ruimtelijke reorganisatie dus, maar niet noodzakelijkerwijs kantelpunten. Integendeel, die Turingpatronen zijn daar juist een teken van veerkracht.”

Omzeilen van kantelpunten
De onderzoekers ontdekten een interessant fenomeen: multistabiliteit. Dit betekent dat in ecosystemen verschillende ruimtelijke patronen gelijktijdig kunnen voorkomen onder dezelfde omstandigheden. Rietkerk: “Deze patronen zorgen ervoor dat een ecosysteem stabiel kan blijven onder een breed scala van omstandigheden, zoals klimaatverandering. Het onderzoek benadrukt dat elk ecosysteem dat groot genoeg is om natuurlijke ruimtelijke patronen te genereren, daardoor 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.”

Zuinig zijn op natuurlijke patronen
NIOZ-onderzoeker Johan van de Koppel , co-auteur van het stuk, benadrukt: "Onze studie plaatst een belangrijke kanttekening bij kantelpunten in ecosystemen. Kantelpunten door klimaatverandering zijn een grote zorg voor de samenleving. We zouden ecosystemen, zoals schorren en getijdeplaten in de Waddenzee, plots kunnen kwijtraken als een kantelpunt wordt bereikt door zeespiegelstijging. Ons onderzoek suggereert dat zulke ecosystemen helemaal niet zo gevoelig hoeven te zijn voor kantelpunten, zolang er maar onverstoorde ruimtelijke patroonvorming kan plaatsvinden. We moeten dus erg zuinig zijn op gebieden met natuurlijke patronen, zoals het prachtige en grote schor van het Verdronken land van Saeftinghe in Zeeland, waar de natuur zichzelf heeft vormgegeven."