2.2. Äkilliset muutokset ja syklisyys

Järjestelmien toiminnassa tapahtuvat muutokset ovat harvoin tasaisesti eteneviä. Järjestelmän varannoissa voi tapahtua huomattavaa vähittäistä muutosta, mutta muutokset ilmenevät toiminnassa viiveellä tai vasta, kun muutos ylittää kriittisen kynnysarvon. Kun järjestelmän toiminta ei ole suoraan suhteessa järjestelmän varantojen kokoon, järjestelmän toiminnan sanotaan olevan epälineaarista.

Jos ajatellaan vaikkapa edellisen esimerkin kylpyammetta järjestelmänä ja ammeessa olevaa vettä varantona, niin on suhteellisen samantekevää, onko amme puolillaan vai lähes täysi: vesi pysyy ammeessa. Mutta kun veden määrä ylittää ammeen tilavuuden, vesi valuu lattialle ja kastelee talon. Varannon koossa, eli ammeessa olevan veden määrässä, on siis konkreettinen kynnysarvo, jonka ylityksen jälkeen järjestelmän toiminta muuttuu radikaalisti. Tällaisia kynnysarvoja on kaikissa järjestelmissä, mutta niiden tutkiminen on erittäin vaikeaa ilman, että järjestelmää rasitetaan äärimmilleen.

Erityisen hankalia ovat järjestelmät, jotka vaikuttavat päällisin puolin hyvinkin vakailta ja ennustettavilta, mutta jotka jonkin kriittisen pisteen saavutettuaan muuttuvat äkillisesti ja enemmän tai vähemmän pysyvästi. Järjestelmässä tapahtuneen muutoksen jälkeen järjestelmän voi olla hyvin vaikeaa palata muutosta edeltäneeseen tilaan. Järjestelmän kriittistä pistettä kutsutaan myös järjestelmän keikahduspisteeksi (engl. tipping-point). 

Hyvin yksinkertainen esimerkki järjestelmän kriittisestä pisteestä on jään murtuminen rasituksen kasvaessa. Viiden sentin paksuinen järven jää kantaa helposti yksittäisen ihmisen, mutta kun jäälle kokoontuu yhä enemmän väkeä, se pettää yllättäen, ja jäällä olevat joutuvat veden varaan. Olennaista on, että uuden kantavan jääpeitteen syntyminen vaatii aikaa ja jäätymiselle otollisia sääoloja - järjestelmä ei siis välttämättä palaudu ennalleen kuormituksen loputtua.

Luonnonjärjestelmien keikahduspisteitä ja niihin liittyviä järjestelmämuutoksia on tunnistettu esimerkiksi muinaisiin ilmastonmuutoksiin liittyen (näistä lisää seuraavassa osiossa) ja matalissa järvissä, joissa pitkään jatkuvat ravinnepäästöt muuttavat ennen kirkasvetiset järvet sameiksi ja kasviplanktonin dominoimiksi. Järvien palauttaminen entiseen kirkasvetiseen tilaansa on hyvin vaikeaa, vaikka ravinnepäästöt saataisiinkin loppumaan.

Voimistavat takaisinkytkennät, viiveet ja syklisyys

Voimistavat takaisinkytkennät kiihdyttävät järjestelmän varannoissa tapahtuvaa muutosta. Hyvä esimerkki tästä on populaation kasvunopeus. Ajatellaan vaikkapa myyriä, joiden populaatiokoon muutoksia (eli populaatiodynamiikkaa) on tutkittu paljon. Kun myyriä on vähän, populaatio kasvaa hitaasti, sillä pieni määrä myyriä tuottaa vain pienehkön määrän jälkeläisiä. Mutta mitä suuremmaksi myyräpopulaatio kasvaa, sitä suuremmaksi kasvaa tuotettujen jälkeläisten määrä. Voimistava takaisinkytkentä populaation koon ja jälkeläismäärän välillä johtaa nopeasti myyrien määrän räjähdysmäiseen kasvuun.

Myyrien määrä ei kuitenkaan kasva loputtomasti, sillä lopulta joko petojen lisääntyminen tai ravinnon väheneminen asettaa rajan populaatioiden kasvulle. Ravinnon väheneminen ja petojen lisääntyminen toimii populaation kokoa rajoittavana takaisinkytkennän mekanismina.

Myyrien määrä ei kuitenkaan asetu korkeaan tasapainotilaan, vaan romahtaa yleensä hyvin pieneksi. Nämä “myyräsyklit”, eli muutaman vuoden välein esiintyvät hyvin runsaat myyrävuodet, joiden välissä myyriä on hyvin vähän, johtuvat myyrien ja myyriä syövien petojen muodostaman järjestelmän toiminnassa olevista viiveistä.

Kun myyriä on paljon, myyriä syövien petojen - kuten lumikon ja pöllöjen - jälkeläistuotto kasvaa, sillä hyvinä myyrävuosina pedot tuottavat paljon jälkeläisiä. Petojen jälkeläiset myös säilyvät elossa, sillä niille on tarjolla runsaasti ravintoa. Petojen määrän kasvu seuraa myyrien määrän kasvua kuitenkin viiveellä, sillä petojen määrä voi kasvaa vasta, kun myyrät ovat jo runsastuneet. Petojen lisääntyminen on myös hidasta suhteessa myyrien lisääntymiseen, sillä ne tuottavat vain yhden poikueen vuodessa, kun myyrät taasen voivat tuottaa jopa 5-7 poikuetta.

Lukuisten petojen aiheuttama saalistuspaine romahduttaa lopulta myyrien määrän. Myyrien määrän romahdettua petojen ravintotilanne on erittäin huono, jolloin myös petojen populaatiot lähtevät pienenemään - taas viiveellä suhteessa myyrien määrään. Kun pedot ovat vähissä ja myyrien ravintovarat ovat elpyneet, myyrät alkavat jälleen runsastua, ja sykli alkaa alusta.

Yleisesti voidaan todeta, että voimistavat takaisinkytkennät ja viiveet aiheuttavat järjestelmissä helposti syklisyyttä ja äärimmäisissä tapauksissa epäennustettavaa, jopa kaoottista käyttäytymistä.

Jäikö tästä osiosta jotain mieleen, mitä haluaisit kommentoida?Vapaaehtoinen