Streven. Jaargang 60

[p. 545]

Wetenschap binnenste buiten
De hartslag van moeder aarde?
Geert Verschuuren

Organismen zijn meesters in de stuurmanskunst. Sturen doen ze niet alleen mét hun lichaam maar ook ín hun lichaam. Van minuut tot minuut worden er in het lichaam allerlei processen gecontroleerd en bijgestuurd, en zo worden belangrijke waarden in het lichaam binnen de juiste grenzen gehouden. Denk maar aan de hartslag, de lichaamstemperatuur of het glucosegehalte van het bloed. Zodra de uitslagen te groot worden, wordt er ingegrepen en daardoor schommelen deze lichaamswaarden binnen vrij nauwe grenzen. We noemen dit ook wel zelfregulatie. Zelfregulatie houdt in dat uitslagen of afwijkingen binnen het systeem worden beheerst of verminderd aan de hand van een of andere vooraf ingestelde norm. Deze norm werd ooit door het evolutieproces van natuurlijke selectie op de juiste waarde afgesteld.

Het mechanisme van bijsturing berust op het gegeven dat oorzaak en gevolg in wisselwerking staan tot elkaar zodat het gevolg weer invloed heeft op zijn eigen oorzaak. In feite is de oorzaak-gevolg-keten via een bepaalde norm teruggekoppeld naar het begin: terwijl de oorzaak een versterkende invloed heeft op het gevolg, heeft het gevolg op zijn beurt weer een remmende invloed op zijn eigen oorzaak, zodra de norm is overschreden. Daarom spreekt men ook wel van negatieve terugkoppeling of negatieve feedback. Het is aan negatieve terugkoppeling te danken dat er zelfregulatie mogelijk is. Dit betekent overigens niet dat elke vorm van negatieve terugkoppeling automatisch zelfregulatie tot gevolg heeft; er moet ook een norm zijn ingebouwd.

Meesters in de stuurmanskunst

Er zijn vele voorbeelden te geven van zelfregulatie op basis van negatieve terugkoppeling. Neem bijvoorbeeld deze twee processen: 1. Als de

[p. 546]

lichaamstemperatuur toeneemt, neemt als gevolg daarvan de uitstraling van het lichaam toe, waardoor de lichaamstemperatuur weer afneemt. 2. Als de concentratie glucose in het bloed stijgt, neemt ook de concentratie insuline als gevolg daarvan toe, waardoor de concentratie glucose weer afneemt. Dit zijn mooie voorbeelden van zelfregulatie. Ons lichaam weet wat stuurmanskunst is.

Tot nu toe is er nog weinig aan de hand. Op het eerste gezicht hoort ook het volgende onschuldige voorbeeld in deze serie thuis: 3. Als het aantal prooidieren stijgt, neemt als gevolg daarvan het aantal roofdieren toe, waardoor het aantal prooidieren weer afneemt. Dit lijkt een derde staaltje van stuurmanskunst. Maar er is enige voorzichtigheid geboden.

In strikte zin is hier inderdaad sprake van negatieve terugkoppeling, want het gevolg (meer roofdieren) heeft een remmende invloed op zijn eigen oorzaak (dus minder prooidieren). Toch hanteert men in dit verband ook vaak termen als ‘zelfregulatie’ en ‘natuurlijk evenwicht’. Moeder Aarde zou het aantal roof- en prooidieren goed in evenwicht houden, zoals een goede moeder betaamt. Is dat juist gedacht?

Ik denk van niet. Om van regulatie of evenwicht te kunnen spreken is er niet alleen negatieve terugkoppeling vereist maar ook een vooraf ingestelde norm die door het evolutieproces van natuurlijke selectie op de juiste waarde is afgesteld. De weegschaal van prooidieren en roofdieren zou dan als het ware moeten schommelen rondom een bepaalde normwaarde. De vraag is nu: wat is dan die ‘natuurlijke norm’? Want als er geen norm in het spel is, dan kan er ook geen sprake zijn van een natuur-lijk evenwicht. Er staat dus nogal wat op het spel.

Een natuurlijke norm?

Het is verleidelijk om deze zogenaamde ‘natuurlijke norm’ te zoeken in de draagkracht van het milieu. Het milieu kan boven een bepaald aantal immers geen dieren of mensen meer herbergen. Daarboven zit de aarde, of het leefmilieu, gewoon vol en daarmee is de draagkracht overschreden. Maar pas op: bij het begrip draagkracht is er geen sprake van ‘evenwicht’ maar van ‘overgewicht’. Draagkracht is geen norm maar een maximum. En daarom zullen we de gezochte norm ergens anders moeten zoeken.

Misschien is de gemiddelde toestand of het gemiddelde aantal prooi- of roofdieren wel een goede norm? Maar we moeten voorzichtig zijn om het gemiddelde tot norm te proclameren - al was het alleen maar omdat het milieu voortdurend verandert, en daarmee dus ook die

[p. 547]

zogenaamde norm. Terugkoppeling tussen het aantal prooidieren en het aantal roofdieren kán gewoon niet regulerend werken, want zo'n terugkoppeling zou minstens één generatie ‘nahinken’. Kijk maar: doordat in de volgende generatie(s) ook het aantal prooidieren is veranderd, past het intussen veranderde aantal roofdieren niet meer bij het op dat moment bestaande aantal prooidieren. Als er al een váste relatie tussen beide grootheden zou bestaan, dan zou het gevolg hiervan zijn dat de schommelingen in aantal geleidelijk groter (in plaats van kleiner!) zouden moeten worden.

Kennelijk is er hier dus geen sprake van zelfregulatie of evenwicht en daarom lijkt het beter de term ‘natuurlijk evenwicht’ voortaan maar te vermijden. Het zou verstandiger zijn om deze suggestieve term zo snel mogelijk te vervangen door het meer neutrale begrip stabiliteit. Stabiliteit betekent namelijk alleen maar dat het schommelen van aantallen roofdieren en prooidieren binnen nauwe grenzen blijft. Hierbij wordt in het midden gelaten of het gemiddelde niveau van de fluctuaties op een bepaalde hoogte zou ‘moeten’ liggen en of dat het gevolg is van controle en regulatie. Het gemiddelde aantal prooi- of roofdieren wordt niet tot norm gebombardeerd, maar louter opgevat als de resultante van een (groot) aantal processen die grotendeels onafhankelijk van en tegengesteld aan elkaar zijn. Stabiliteit in de natuur heeft dus alles met kansen en met kansverdeling te maken, en niet met een vastgestelde, ideale norm. Roof- en prooidieren houden elkaar in toom, maar niet in evenwicht. Hun aantal staat voortdurend onder druk, maar niet onder controle.

Risicospreiding

Hoe komt het nu dat ecosystemen en levensgemeenschappen meestal toch een zekere mate van stabiliteit vertonen, ofschoon er geen sprake is van zelfregulatie of natuurlijk evenwicht? Anders gezegd: hoe is er zonder zelfregulatie toch stabiliteit mogelijk? Het antwoord luidt ongeveer als volgt. Een sterke stabiliteit van een ecosysteem hangt samen met een grote soortenrijkdom binnen dat systeem. Hoe meer soorten een systeem rijk is, des te stabieler zit het systeem in elkaar. Dat is geen kwestie van regulatie op basis van een ideale norm, maar heeft alles te maken met kansen en kansverdelingen. Naarmate een ecosysteem ingewikkelder in elkaar zit, bezit het een betere ‘risicospreiding’ en daardoor is het beter tegen fluctuaties bestand. Geen kwestie dus van een gereguleerd evenwicht, maar van een gespreid risico.

Een grote soortenrijkdom heeft dus alles te maken met een goede risicospreiding. Een ecosysteem is minder gevoelig voor fluctuaties

[p. 548]

naarmate het meer soorten met meer onderlinge verbindingen bevat. Denk maar aan een rijk systeem zoals het tropische regenwoud, dat in het algemeen goed tegen verstoringen bestand is. Daarentegen is een arm systeem zoals een akkergebied nauwelijks tegen plagen opgewassen. Een simpel verhaal, zou je zeggen.

Maar zo eenvoudig ligt het nu ook weer niet, want verstorende invloeden zullen in een systeem met een rijk vertakt net van soorten misschien geen gróte schommelingen oproepen, maar mogelijk wel rimpelingen die zó talrijk en wijdvertakt zijn dat het geheel toch aanzienlijk wordt verstoord. In die zin is een tropisch regenwoud toch erg kwetsbaar. Het hangt er maar vanaf hoe stabiliteit wordt gedefinieerd: op basis van de grootte van de uitslagen, ongeacht hoe langdurig ze zijn, of op basis van de duur van de uitslagen, ongeacht hoe groot ze zijn? Je ziet maar weer hoe we elkaar met vage termen gemakkelijk op een dwaalspoor kunnen brengen.

Een superorganisme

Kortom, zelfregulatie is iets wat vooral binnen in een organisme speelt. Maar of het ook tússen organismen speelt, dat is zeer twijfelachtig. Sommige biologen en geologen hebben daar iets op gevonden. Ze hebben hun heil gezocht bij de Gaia-hypothese van de Britse bioloog James Lovelock. Volgens deze hypothese zou onze aarde een soort super-organisme zijn, Gaia genaamd, en dat superorganisme wordt, zo beweert Lovelock, in stand gehouden door allerlei terugkoppelingsmechanismen tussen biosfeer, atmosfeer en lithosfeer.

Dat is nogal wat. Dat het leven het aanschijn van de aarde heeft veranderd en dat de aarde de vormen van het leven heeft gemodelleerd, dat wisten we al. Maar de Gaia-hypothese gaat veel verder. Ze proclameert een actieve regulatie in de natuur - dat wil zeggen: het leven houdt de aarde leef-baar, volgens een bepaalde norm van leefbaarheid. Het leven creëert om zich heen een natuurlijk evenwicht en daardoor is het leven tot nu toe in staat geweest om enorme verstoringen te weerstaan, zoals de inslag van kolossale meteorieten, of de toenemende hitte van de zon. En volgens hetzelfde principe zou het leven ook nu nog in staat moeten zijn de dreiging van een toenemend broeikaseffect te weerstaan.

Kortom, Lovelock ziet de aarde als een kolossaal organisme met een serie ingebouwde normen die voor zelfregulatie zorgen. Met andere woorden, de aarde zou reageren op verstoringen in de natuur zoals een organisme reageert op schommelingen in het bloed. Er zou dus sprake moeten zijn van actieve regulatie, waardoor het levende het levenloze

[p. 549]

onder controle houdt. Neem bijvoorbeeld de vrij constante temperatuur van de aarde: ondanks het feit dat de hitte van de zon sinds het ontstaan van het leven met meer dan vijfentwintig procent is toegenomen, is de aarde vrij constant van temperatuur gebleven. Het lijkt wel of Moeder Aarde een eigen lichaamstemperatuur heeft. De volgende vraag is dan: welk biologisch controlemechanisme schuilt hierachter?

Als antwoord op deze vraag heeft Lovelock het model van Daisyworld ontwikkeld. Stel er groeien witte en zwarte madeliefjes (daisies) op aarde. Bij een geringe zonnestraling groeien de zwarte madeliefjes beter dan de witte doordat zij de warmte beter absorberen. Daardoor komen er meer zwarte madeliefjes en zal de temperatuur geleidelijk stijgen. Zodra de temperatuur voldoende is gestegen, raken de witte madeliefjes in het voordeel, want zij reflecteren zonnewarmte beter. De witte madeliefjes nemen nu de plaats van de zwarte over en het aardoppervlak koelt weer af. Als gevolg van deze negatieve terugkoppelingen blijft de temperatuur binnen bepaalde grenzen schommelen.

Terugkoppelingen genoeg, met als gevolg een stabiliserend effect. Maar terugkoppelingen werken pas regulerend als ze aan een norm zijn gekoppeld. Waar zit de thermostaat van deze temperatuursregulatie? Men heeft wel geopperd dat bepaalde soorten fytoplankton als een thermostaat zouden werken: bij een stijgende temperatuur in de atmosfeer zouden ze in omvang toenemen en daardoor meer van een bepaald gas (dimethyl-sulfide) produceren, dat in de atmosfeer wolkenvorming stimuleert; als gevolg daarvan zou er weer afkoeling optreden, gevolgd door verminderde fytoplankton-produktie enz.

Toetsing

Is de Gaia-hypothese toetsbaar zoals een goede wetenschappelijke hypothese betaamt? Toetsbaarheid houdt onder andere in dat de hypothese ook te weerleggen is. Is de hypothese van een mondiale temperatuursregulatie te weerleggen? Ja, uit onderzoek is gebleken dat de omvang van de planktonpopulatie juist niet rechtstreeks op temperatuursveranderingen reageert, zoals je van een goede thermostaat mag verwachten. Er blijken nog vele andere factoren in het spel te zijn. Kennelijk hebben we ook hier dus niet met een gereguleerd evenwicht te maken maar eerder met een gespreid risico. En dat betekent dat de Gaia-hypothese onvoldoende empirische ondersteuning vindt. Als er al een mondiale thermostaat op basis van fytoplankton bestaat, dan werkt die niet erg goed. Is dat niet de doodsteek voor de Gaia-hypothese?

Nee, de aanhangers van de Gaia-hypothese geven zich niet zo gemakkelijk gewonnen. Zij staan klaar met vele andere regulatiemecha-

[p. 550]

nismen. Het volgende is er een van. Vele bomen blijken voldoende van het (licht ontvlambare) isopreen vrij te maken om daarmee een beginnende bosbrand in stand te houden. Bovendien wordt het zuurstofgehalte in de atmosfeer, mede door de aanwezigheid van methaan, op 21% gehandhaafd. Dankzij een combinatie van beide factoren hebben bossen een zodanige hoeveelheid bosbranden dat ze zichzelf tijdig kunnen verjongen om zo hun eigen voortbestaan te garanderen. Is dat niet fantastisch? Ja, de Gaia-hypothese is een geruststellende gedachte. Moeder Aarde is bedreven in de stuurmanskunst en waakt dag en nacht over ons.

Maar klopt de hypothese ook? In het geval van bosbranden is het extra moeilijk om de hypothese te falsificeren, omdat er in het model zóveel onderlinge verbanden zijn ingebouwd dat er allerlei uitvluchtmogelijkheden zijn. Bovendien kan men de Gaia-hypothese zodanig afzwakken dat er niet veel meer van haar oorspronkelijke sterkte overblijft. Ze komt dan neer op de veilige stelling dat het milieu invloed uitoefent op het leven en dat het leven weer inwerkt op de omgeving. Maar dat is nogal voor de hand liggend. Een andere uitweg is de uitroep dat de Gaia-hypothese toch maar bevestigt dat het leven zich tot nu toe op aarde heeft kunnen handhaven. Maar ook dat wisten we al, zónder de Gaia-hypothese. Als het leven op aarde zich niet had kunnen handhaven, dan waren er nu geen mensen geweest om de Gaia-hypothese op te stellen!

Aan de wieg van Gaia

Nee, het bijzondere van de Gaia-hypothese is dat ze veel verder gaat: de planeet aarde zou een levend superorganisme zijn dat een voor het leven optimaal fysisch-chemisch milieu in stand houdt. Moeder Aarde houdt, zo gezegd, de vinger aan de pols. Dit betekent niet alleen dat het leven aan het milieu is aangepast, maar ook omgekeerd dat het milieu aan het leven zou zijn aangepast. ‘Aanpassing’ is het kernwoord hier. Nu is het zo dat aanpassing alles met evolutie te maken heeft; organismen zijn zelfregulerend geworden doordat ze de test van de natuurlijke selectie hebben ondergaan. Dit vermogen is met ‘vallen en opstaan’ ontwikkeld en daarmee is de norm op de juiste waarde afgesteld.

Maar als de aarde werkelijk, net als een organisme, een zelfregulerend systeem zou vormen, hoe is de aarde dan zelfregulerend geworden? De vraag die we dus aan de Gaia-hypothese moeten stellen is hoe zo'n zelfregulerend superorganisme als Gaia ooit tot ontwikkeling is gekomen. Hoe heeft Gaia ooit de stuurmanskunst geleerd?

[p. 551]

Er kan beslist geen sprake zijn van natuurlijke selectie, want er is maar één Gaia-systeem - en dus is natuurlijke selectie van verschillende Gaia-varianten uitgesloten. Temperatuursregulatie is kennelijk geen ‘vermogen’ van de aarde dat door natuurlijke selectie en aanpassing is ontstaan. Maar dan kan het niet veel anders zijn dan een ‘toevallige omstandigheid’ waarmee planeet aarde - minstens tot nu toe - is uitgerust. Maar of dat gegeven ook een garantie voor de toekomst is, valt te betwijfelen. Gaia herbergt een netwerk van interacties, en die werken dankzij hun veelheid hooguit stabiliserend, maar ze werken niet regulerend op basis van een norm. Kortom, het zogenaamde natuurlijke evenwicht van Gaia blijkt toch weer een kwestie van ‘ordinaire’ risicospreiding te zijn.

Wat blijft er dan nog over van de Gaia-hypothese? Ik vrees niet veel meer dan een ongefundeerde maar geruststellende gedachte: Moeder Aarde waakt over ons. Een gedachte die niet op feitenmateriaal is gebaseerd, maar eerder is ontsproten aan de New Age. Maar is de gedachte van Moeder Aarde werkelijk zo geruststellend? Ik betwijfel het. Eerlijk gezegd voel ik me veel veiliger bij de gedachte dat er een Ander is dan ‘Moeder Aarde’, die over ons waakt.

Om verder te lezen

James Lovelock, Gaia: a New Look at Life on Earth, 1979.

A Watson Gaia, Een levende planeet, in Natuur & Techniek, 60, 1992, pp. 294-305.