2.3. Järjestelmien häiriönsieto

Järjestelmän kyky sietää häiriöitä ja palautua niistä, eli järjestelmän resilienssi, on tärkeää järjestelmän toiminnan jatkuvuudelle.

Järjestelmän rakenteen ja toiminnan muuttumattomuus ajassa ei kuitenkaan tarkoita, että järjestelmän resilienssi olisi korkealla tasolla. Asia on miltei päinvastoin: järjestelmän rakenteiden jäykkyys ja toiminnan muuttumattomuus ympäristön muuttuessa tekee järjestelmästä hauraan ja alttiin romahdukselle, kun se kohtaa uudenlaisia ja ennakoimattomia häiriöitä.

Eri tieteenaloilla resilienssille on annettu hieman erilaisia määritelmiä. Insinööritieteissä resilienssillä voidaan tarkoittaa sitä, kuinka nopeasti (teknisen) järjestelmän toiminta palautuu häiriön jälkeen: mitä nopeampi palautuminen, sitä korkeampi järjestelmän resilienssi. Myös järjestelmän vastustuskykyä (engl. resistance), eli kykyä sietää ulkoisia häiriöitä toiminnan muuttumatta, voidaan pitää resilienssin osatekijänä, erityisesti teknisissä tieteissä.

Kun kyseessä ovat laajemmat ja monimutkaisemmat järjestelmät, kuten vaikkapa terveydenhuollon järjestelmä, resilienssiä on vaikeampi määritellä mitattavana suureena. Monimutkaisissa järjestelmissä on paljon sisäisiä prosesseja, jotka aiheuttavat jatkuvaa muutosta. Laajoihin järjestelmiin vaikuttavat myös lukuisat järjestelmien ulkopuoliset muuttuvat tekijät. Monimutkaiset järjestelmät eivät siis koskaan saavuta täysin vakaata tilaa, mikä tekee resilienssin mittaamisesta hankalaa.

Ekosysteemit ovat erityisen monimutkaisia järjestelmiä, ja vaihtelu on oleellinen osa niiden normaalia toimintaa, kuten edellisen osion esimerkki myyräsykleistä hyvin osoittaa. Kanadalainen ekologi C.S. Holling tekikin selvän eron ekosysteemien vakauden (engl. stability) ja resilienssin välillä määrittelemällä resilienssin järjestelmässä olevien vuorovaikutusten säilymiseksi huolimatta järjestelmässä tapahtuvista muutoksista.

Järjestelmän vuorovaikutusten säilyminen edellyttää luonnollisesti myös järjestelmien osatekijöiden säilymistä, sillä ilman osatekijöitä ei ole myöskään niiden välisiä vuorovaikutuksia. Niin kauan kuin järjestelmässä tapahtuvat heilahtelut eivät uhkaa järjestelmän osatekijöiden säilymistä, (ekologisen) järjestelmän voidaan katsoa olevan resilientti.

Ekologisten järjestelmien kohdalla resilienssissä on siis kyse muun muassa lajien ja niiden välisten vuorovaikutusten (kuten saalistuksen) säilymisestä. Järjestelmän vakauden Holling sen sijaan määritteli järjestelmän kyvyksi palautua nopeasti tasapainotilaan häiriön jälkeen. Myyrien ja petojen muodostama järjestelmä on siis hyvin epävakaa, sillä eri lajien yksilöiden lukumäärät vaihtelevat jatkuvasti, joten vakaata tasapainotilaa ei ole. Järjestelmä on kuitenkin resilientti - niin kauan kuin heilahtelut populaatioiden koossa eivät uhkaa lajien säilymistä.

Resilienssi siis määritellään eri tavoin eri tieteenaloilla. Suhteellisen yksinkertaisia ihmisen rakentamia järjestelmiä tutkivissa teknisissä tieteissä resilienssillä tarkoitetaan järjestelmän kykyä sietää häiriöitä ja palautua niistä nopeasti. Monimutkaisia yhteiskunnallisia tai ekologisia järjestelmiä tutkivissa tieteissä resilienssillä viitataan järjestelmän kykyyn kohdata häiriöitä sekä muuttua ja järjestäytyä uudelleen siten, että järjestelmän keskeiset toiminnot ja rakenteet säilyvät.

Monimuotoisuus lisää häiriönsietoa

Järjestelmän toimijoiden monimuotoisuus (engl. diversity) lisää järjestelmän häiriönsietoa vähentämällä järjestelmän haavoittuvuutta yksittäisille häiriöille.

Esimerkiksi monimuotoisissa ekosysteemeissä on monia lajeja, jotka toimivat suurinpiirtein samalla tavalla: on monia yhteyttäviä kasveja, monia kasveja syöviä eläimiä, monia eläimiä syöviä petoja, monia kuolleita organismeja hajottavia mikrobeja, ja kaikilla näillä on monia niistä riippuvaisia loiseliöitä. 

Jos ekosysteemistä häviää yksi laji esimerkiksi uuden taudin leviämisen myötä, ei ekosysteemin toiminta juurikaan muutu, jos ekosysteemissä on taudille vastustuskykyisiä muita lajeja, jotka voivat korvata hävinneen lajin. (On kuitenkin syytä samalla huomauttaa, että kaikki lajit eivät ole korvattavissa. Monissa ekosysteemeissä on erityisen tärkeitä lajeja - niin kutsuttuja avainlajeja - joiden häviäminen tai väheneminen aiheuttaa huomattavia muutoksia järjestelmän toiminnassa). Vastaavasti myös yksilöiden välinen vaihtelu, eli yksilöiden monimuotoisuus, suojaa järjestelmän toimintaa, kun kaikki lajin yksilöt eivät ole samalla tavalla herkkiä samoille häiriöille. 

Tämä on esimerkki jo aiemmin kurssilla mainitusta järjestelmän modulaarisuuden tuottamasta häiriönsiedosta: kun järjestelmä koostuu erillisistä yksiköistä (kuten lajeista tai yksilöistä), häiriöt (kuten taudit) eivät leviä niin helposti koko järjestelmään.

Monimuotoisuus järjestelmän eri tasoilla siis lisää järjestelmän häiriönsietoa, jos toimijoiden välillä on (1) eroa niiden herkkyydessä erilaisille häiriöille (engl. response diversity) ja (2) toimijoiden rooli järjestelmässä on kyllin samanlainen, jotta ne voivat korvata toinen toisiaan järjestelmän toiminnassa (engl. functional redundancy). Monimuotoisuus voi kuitenkin myös lisätä järjestelmän sisäistä vaihtelua (esimerkiksi populaatiokokojen heilahtelua), koska toimijoiden määrän kasvaessa kasvaa myös mahdollisten epälineaaristen vuorovaikutusten määrä.

Edellisen perusteella on helppo ymmärtää, että monimuotoisuuden väheneminen vähentää järjestelmän häiriönsietoa. Äärimmilleen yksinkertaistettu järjestelmä on sellainen, jossa toiminnot ovat kukin vain yhden - tai yhdenlaisen - toimijan varassa. Jos häiriö lamauttaa yhdenkään näistä toimijoista, romahtaa koko keskinäisriippuvainen järjestelmä.

Tehokkuus ja häiriönsieto

Monimuotoiset järjestelmät, joissa kutakin tehtävää suorittaa useampi toisistaan erillinen toimija, sietävät hyvin häiriöitä, mutta eivät välttämättä ole kovin tehokkaita. Vakaissa olosuhteissa tehokkuuserot toimijoiden välillä johtavat siihen, että monesta toimijasta koostuva järjestelmä on tehottomampi kuin järjestelmä, jossa kutakin tehtävää suorittaa vain (vallitsevissa oloissa) tehokkain toimija.

Tuotantojärjestelmissä tehokkuutta kasvatetaankin usein yksinkertaistamalla järjestelmää eli poistamalla järjestelmästä päällekkäisyyksiä. Jäljelle jäävät rakenteet ja toimijat valitaan luonnollisesti niin, että ne ovat mahdollisimman tehokkaita. Häiriöiltä voidaan pyrkiä suojautumaan pitämällä olosuhteet mahdollisimman suotuisina tehostetun järjestelmän toiminnalle. Jos olosuhteet kuitenkin vastoin toiveita muuttuvat, on tehostetulla järjestelmällä varsin alhainen kyky sietää häiriöitä ja vastata muutoksiin.

Tiiviisti kytkeytyneissä järjestelmissä - kuten vaikkapa julkisessa hallinnossa - monimuotoisuus ja useat päällekkäiset toimijat aiheuttavat myös huomattavia hallinnointiin ja koordinointiin liittyviä kustannuksia, eikä tällainen järjestelmä ole myöskään kovin ketterä muuttumaan, kun muutokselle on tarve.

Toisaalta, jos järjestelmä toimii ilman keskusjohtoista koordinointia - kuten markkinatalous - järjestelmän koostuminen useista rinnakkaisista toimijoista nimenomaan mahdollistaa nopeat muutokset; syynä on jälleen järjestelmän modulaarisuus, eli toimijoiden suhteellisen heikot kytkökset toisiinsa. Muuttuneessa ympäristössä parhaiten toimivat ratkaisut valtaavat alaa ja huonommat karsiutuvat pois.

Monimuotoisessa järjestelmässä erillisten toimijoiden toisistaan eroavat päämäärät tai kilpailu toimijoiden välillä voi kuitenkin aiheuttaa kitkaa järjestelmän sisälle ja vähentää sen tehokkuutta. Tällaista kilpailusta aiheutuvaa tehottomuutta havaitaan monissa yhteiskunnallisissa järjestelmissä, joissa eri ihmiset tai organisaatiot ajavat omia päämääriään, jotka eivät välttämättä ole sopusoinnussa koko järjestelmän päämäärän kanssa.

Kilpailusta aiheutuvaa tehottomuutta havaitaan myös kokeellisissa ekosysteemeissä. Esimerkiksi samoista resursseista kilpailevat lahottajasienet estävät toistensa toimintaa kemiallisin yhdistein, minkä seurauksena monilajiset sieniyhteisöt hajottavat puuta hitaammin kuin vähälajiset yhteisöt.

Koska järjestelmän tehokkuus ja häiriönsieto ovat ainakin jossain määrin vastakkaisia tavoitteita, on kunkin järjestelmän suhteen valittava sopiva kompromissi näiden ristiriitaisten tavoitteiden väliltä. (Järjestelmillä on toki muitakin ominaisuuksia, jotka tulee ottaa huomioon.) Järkevän suunnittelun tulisi lähteä siitä, että mitä tärkeämpiä tarpeita järjestelmä palvelee ja mitä pitkäikäisempi järjestelmä on, sitä enemmän tulisi painottaa häiriönsietokykyä lyhyen aikavälin tehokkuuden sijaan.

Välttämättömiä tarpeita palvelevissa järjestelmissä - kuten vaikkapa ruoka- ja energiajärjestelmissä - tapahtuvat häiriöt ovat erityisen vakavia, ja niiltä on syytä suojautua erityisen hyvin. Järjestelmän pitkäikäisyys taas merkitsee, että järjestelmä tulee todennäköisesti ajan mittaan kohtaamaan häiriöitä ja muuttuvia olosuhteita, mikä tekee häiriönsiedosta ja mukautuvuudesta oleellisen tärkeitä ominaisuuksia.

Ajankohtainen esimerkki järjestelmästä, jota ei ole suunniteltu kestämään tulevia muutoksia, on keskisen Euroopan energiajärjestelmä. Keskinen Eurooppa on suuressa määrin riippuvainen yhdestä toimittajasta ja energianlähteestä, eli venäläisestä fossiilienergiasta (öljystä ja maakaasusta). Tämä riippuvuus tuli konkreettisesti ilmi keväällä 2022, kun EU ei pystynyt irrottautumaan Venäjältä ostettavasta energiasta osana Ukrainan sodan johdosta Venäjää vastaan kohdistettuja pakotteita.

Jäikö tästä osiosta jotain mieleen, mitä haluaisit kommentoida? Vapaaehtoinen