DEL II – IPP sedd "utifrån": En kritisk granskning
2.2 Systemekologins grunder
För att förstå komplexa system och processer såsom samband mellan natur och samhälle är det, förutom det allmänna systemtänkande som presenterats i avsnittet ovan, väsentligt att förstå ett antal naturvetenskapliga och ekologiska grundvillkor. Dessa gäller dels fundamentala egenskaper hos materia och energi, dels hur dessa grundläggande beståndsdelar förmår organisera sig till komplexa system som levande organismer och ekosystem. I detta avsnitt introduceras därför översiktligt tre områden: grundläggande resursteori, livets principer och processer samt levande system som ömsesidigt beroende nätverk.
Liten Ordlista och Etymologi
Termodynamik: av gre. therme = värme och dynamikos = kraft, rörelse.
Läran om energins natur och energiformernas omvandlingar.
Biologi: av gre. bios = liv och logos = förnuft, kunskap. Läran om livet. Ekologi: av gre. oikos = hus och logos = förnuft, kunskap. Läran om
(naturens) hushållning.
Resurs: av lat. resurgere = återuppstå. Tillgång som är känd och åtkomlig.
”Naturresurs”: ett medel för att underlätta uppnående av ett visst mål för en viss aktör.
Energi: av gre. en = i och ergeia = arbete. Fysikalisk storhet som är en
gemensam nämnare för alla energiformer. Även abstrakt begrepp avseende förmåga att uträtta arbete.
Exergi: av gre. ex = ut och ergeia = arbete. Måttet på en viss energimängds
förmåga att uträtta någon form av arbete.
Entropi: av gre. in = i och tropé = förändring, eg. vändning . Mått på
organisation, struktur kontrast. Låg entropi = hög grad av organisation (motsvarat av begreppet negentropi)
Materia: av lat. materia = ämne. Material: materia för tillverkning, råvara. Konsumera: av lat. consumere = lägga beslag på.
Producera: av lat. produco = föra fram, sätta i rörelse. Källa: Lundberg och Olsson 1992: 20 ff; Tiberg 1993: 61 ff.
Grundläggande resursteori
Termodynamiken, läran om värmens natur och energiformernas förhållande till varandra, grundlades av Carnot och Clausius på 1800-talet i deras studier av relationen mellan värme och arbete i bland annat ångmaskiner.142 Den klassiska termodynamikens berömda
första och andra huvudsatser har visat sig vara kraftfulla förklaringsmodeller för att förstå såväl fysiska och kemiska som biologiska och ekologiska grundvillkor.
Figur 2:4 definierar kortfattat dessa huvudsatser, vilka sammanfattningsvis kan sägas beskriva de grundläggande villkoren för planetens och livets processer. ”Ingenting försvinner – Allting sprids” är populariserade uttryck för dessa den fysiska resursteorins ”grundlagar”, vilka som vi ska se har en avgörande betydelse för diskussionen om ”hållbar utveckling”.
Klassisk termodynamik Kortfattad förklaring Första huvudsatsen
”Law of conservation” Energi kan varken nyskapas eller förintas, endast överföras mellan olika former. Den totala mängden energi i ett slutet system är alltid konstant.
Andra huvudsatsen
”Entropilagen” Entropin ökar i ett slutet system. Exergi förbrukas i alla reella processer. I fysiska och kemiska processer degraderas kvaliteten hos energin, exergin, det vill säga förmågan att uträtta arbete. Entropin, ett mått på ”oordningen” i systemet, ökar. System tenderar spontant att utvecklas i riktning mot ett tillstånd av utjämning och utspridning.
Figur 2:4. Källa: Kay och Scheider 1994:27 ff; Folke och Kåberger (red) 1991: 63 ff.
I den första huvudsatsen fastläggs energins oförstörbarhet, ”the law of conservation”, vilket bland annat innebär att det inte är energi som bör stå i fokus för samhällets energihushållning, utan exergi, energins förmåga att uträtta arbete. Energins exergiinne- håll varierar kraftigt, från högkvalitativa energiformer såsom strålning från solen, kemiska bränslen och elektricitet till utspridda och lågkvalitativa som olika former av ”spillvärme” och värmeutstrålning från jordytan och atmosfären till rymden. I termody- namikens andra huvudsats fastslås den obönhörliga lagen om energins degradering: att alla reella processer innebär en förbrukning av energins arbetsförmåga, exergi, med en åtföljande ökning av entropi, oordning och utspriddhet. Denna andra huvudsats förklarar också fenomenet irreversibilitet, vilket även anknyter till tidsbegreppet:
This universal increase in entropy draws the `arrow of time´ in nature and repre- sents the extent to which nature becomes more disordered or random. All natural processes can be viewed in light of the second law and in all cases this one-sided aspect of nature is observed. 143
Termodynamikens huvudsatser kan användas för att beskriva fenomen på både makro- och mikronivåer, allt från storskaliga kosmiska fenomen till molekylers egenskaper i behållare. Ludwig Boltzmann, som grundlade den statistiska termodynamiken, förenade på ett elegant sätt dessa nivåer genom att formulera entropi såsom ett matematiskt uttryck för sannolikheten att finna en given fördelning hos partiklarna i ett betraktat system:
In this context, entropy reflects the number of different ways microstates can be com- bined to give a particular macrostate. The larger the number of microstates for a given
143 Kay och Scheider 1994:28. Citat från Eddington , A. 1958. The Nature of the Physical World. University
macrostate, the larger the entropy [...] Systems will tend to the macrostate which has the largest number of corresponding accessible microstates.144
Det kan visas att samma egenskaper som gäller för energi i termodynamikens huvudsat- ser, också gäller för materia.145 Sambandet mellan energi och materia har formulerats i den berömda formeln e=mc2. Enligt första huvudsatsen är det alltså summan av energi och massa som bevaras vid alla omvandlingar. Överföringar mellan energi och materia sker hela tiden både i ett mikroskopiskt och makroskopiskt perspektiv. Exempel är kvantfenomen på partikelnivå eller kärnreaktioner i jordens inre och i solens och stjärnornas förbränningsprocesser. I ett mänskligt perspektiv kan man dock tala om ”materiens oförstörbarhet”. Mängden materia inom biosfären är i princip konstant och atomerna bibehåller i stort sett sin karaktär som olika grundämnen. Även den andra huvudsatsen kan tillämpas på materien. Vid spontana processer tenderar sammansatta ämnen att brytas ner till enklare beståndsdelar och koncentrationsskillnader att utjämnas. Det långsiktiga resultatet är en materiens utjämning och spridning: entropin ökar. Termodynamiken anger flera fundamentala och grundläggande villkor för biosfären, planetens levande system. Såsom figur 2:5 illustrerar, kan jorden betraktas som ett för energi öppet system, där högkvalitativ exergirik energi instrålar från solen och där lågkvalitativ exergifattig energi lämnar systemet. Vad gäller materia kan biosfären emellertid betraktas som ett slutet system. Endast en försumbar mängd materia utbyts mellan planeten och dess omgivning - exempelvis genom asteroider – eller omvandlas till energi, såsom genom kärnreaktioner i jordens inre. De termodynamiska lagarna är också grundläggande systemvillkor till vilka samhälleliga system är obönhörligt hänvisade. De blir därför viktiga att hålla i minnet när vi diskuterar exempelvis ”kretsloppsprincipen”, samhällets energi- och materialomsättning samt IPP-strategin för hållbara produktions- och konsumtionsmönster.
Figur 2:5. Jorden som ett öppet system för energi och slutet system för materia
Källa: Günther och Folke 1993; Hubendick 2001: 46-50.
144 Kay och Scheider 1994:28 145 Lundberg och Olsson 1992:30 ff.
ENERGI FLÖDE MATERIA KRETSLOPP Biologiska och geologiska kretslopp Exergifattig utstrålning Solen Jorden Exergirik instrålning
Livets grundläggande principer
”Ingenting försvinner – allting sprids” må vara begripligt för kemiexperimentets gasbehållare, men intuitivt verkar liv och levande organismer vara något helt annat. Levande system kännetecknas snarare av hög grad av organisation och struktur: de skapar, behåller och utvecklar en ”kontrast” gentemot omgivningen. Kan livets principer förklaras utifrån ett grundläggande fysikaliskt perspektiv? I en artikel benämnd ”Life as a Manifestation of the Second Law of Thermodynamics” sammanfattar E.D. Schneider och J.J. Kay ett termodynamiskt perspektiv på livets grundläggande principer. 146
Under 1900-talet utvecklades den klassiska termodynamiken till studier av mera
komplexa termodynamiska system. Bland andra Carathéodory, Hatsopoulus, Keenan och Kestin kunde visa, att den generella lagen om att ”entropin ökar” inte behöver gälla tillfälligt och lokalt. Till skillnad från den klassiska termodynamiken kunde de förklara hur system, under vissa omständigheter, stabiliseras till lokala och unika jämviktstill- stånd.147 Studierna vidareutvecklades av Prigogine med kollegor, som blev berömda för
sin tillämpning av termodynamiken på öppna system i icke-jämviktstillstånd. De beskrev hur öppna system kan ”drivas” bort från ett klassikt termodynamiskt jämviktstillstånd när de utsätts för utbyte av materia och energi med omgivningen. I ett sådant instabilt
tillstånd kan små fluktuationer hos materien under olika energitillstånd leda till irreversib- la ”tröskelhändelser”, bifurcations, som leder subsystemet till ett lokalt och unikt
jämviktstillstånd.
Fenomenet brukar hänvisas till i termer av självorganisation och dissipativa strukturer (figur 2:6). Genom kontinuerlig dissipation av inflödande energi och degradering av energins kvalitet (exergi) kan systemen uppnå lokalt stabila tillstånd med hög grad av organisation. Sådana förhållanden kan i princip förklara allt från fysiska fenomen som tornados, konvektionsceller och lasrar, till kemiska och biologiska system såsom celler, organismer och ekosystem. Exempel på viktiga dissipativa processer i biosfären är de globala vädersystemen, växternas fotosyntes och evapotranspiration samt mikroorganis- mernas nedbrytningsprocesser.
Denna ”livets termodynamik” har sedan ytterligare utvecklats och förfinats av bland andra Kestin och Schrödinger för att bättre kunnas tillämpas på öppna system långt från jämvikt, vilket gäller för levande system.148 Sådana system utvecklas och upprätthålls i ett ömsesidigt samspel mellan systemets egna processer och omgivningen. Systemen
stabiliseras av ”lokala jämviktsattraktorer” (local equilibrium attractors) och tenderar mot lokala och unika jämviktstillstånd (”emergent attractor states” eller ”optimum operating points”).149
146 Kay och Scheider 1994. 147 Kay och Scheider 1994:28 ff. 148 Kay och Scheider 1994:29, 35. 149 Günther och Folke 1993:7.
Självorganiserande system - Dissipativa strukturer
Dissipation = omvandling från
kvalitativt högre till kvalitativt lägre energiformer: förbrukning av exergi.
Dissipativa strukturer = strukturer
som dissiperar energi. Figur vänster:
Principen för självorganiserande system och dissipativa strukturer. Exempel på dissipativa strukturer.
Figurer nedan från vänster: 1. Strömvirvel
2. Bénard celler-
Värmekonvektion i vätska 3. Havsalg med kalkskal- Coccolithophore
Figur 2:6. Självorganiserande system – Dissipativa strukturer
Källa: Günther och Folke 1993:7; Capra 1996: 87, 105, 165.
Hur kan detta ske? Att planetens livsformer utvecklar och upprätthåller en hög grad av organisation och att denna komplexitet spontant verka öka genom evolutionen, kan i den ”utvidgade termodynamiken” förklaras av de systemförhållanden som solen och jordens biosfär ingår i. Det kan som nämnts ovan visas, att ett system som utsätts för en stark exergigradient kommer att drivas från det ursprungliga jämviktstillståndet, men samtidigt kommer det spontant att tillvarata möjligheter att dissipera och degradera energin, det vill säga att förbruka exergin. Med en så kraftfull exergiinput som planeten jorden erhåller
från solen, kan dissipativa strukturer och självorganiserande system därför enligt detta synsätt nästan ses som ett ”förväntat” resultat:
Life can be viewed as a far-from-equilibrium dissipative structure that maintains its local level of organization, at the expense of producing entropy in the larger system of which it is part. If we view the earth as an open thermodynamic sys- tem with a large gradient impressed on it by the sun, the thermodynamic impera- tive of the restated second law is that the system will strive to reduce this gradi- ent by using all physical and chemical processes available to it [...] We suggest that life exists on earth as another means of dissipating the solar induced gradient and, as such, is a manifestation of the restated second law.150
Detta ”termodynamiska imperativ” är sålunda en grundförutsättning för livets uppkomst och utveckling. Men även planetens övriga gynnsamma omgivningsbetingelser samt livets egna självskapade principer och processer såsom evolution och ekosystemens succession har betydelse. Tillsammans utgör de nödvändiga pusselbitar när vi vill förstå den mångfald och rikedom som biosfären erbjuder. Livets alla former och dess organise- ring i allt mer komplexa ekosystem sammanfattas vackert av Schneider och Kay: ”Life represents a balance between the imperatives of survival and energy degradation”.151
Beskrivningen av dissipativa strukturer kan även anknytas till begreppet autopoiesis: självskapande och självrefererande system (jfr avsnitt 2.1). Levande system, menar Varela och Maturana, kännetecknas av att de skapar och upprätthåller en intern struktur, vad man skulle kunna kalla deras identitet eller egenart gentemot omgivningen:
Autopoiesis [is] the recursive cybernetic processes occurring in living systems at all hierarchical levels [...] mutually shaping each other to a metabolic network. In an autopoietic system, the system boundaries and the components necessary for its transformations are endogenously generated. [...] This means that the system is both self-reliant and self-referential. It is produced by itself. 152
Det självorganiserande systemet upprätthåller och utvecklar sin struktur och organisation genom kommunikation och utbyte av både intern och extern karaktär. För att beskriva förhållandet mellan exergiförbrukning, materialomsättning och organisation kan termen
regenerativ cykel användas.153 Principerna för denna återfinns i figur 2:7 och beskriver en
generell process som återfinns i levande system på alla nivåer, d.v.s. inom såväl den encelliga bakterien eller människokroppen som i regnskogen. De levande systemen importerar materia och energi, vars exergiinnehåll driver systemets ämnesomsättning samt ”byggs in” i systemets strukturer exempelvis som biomassa eller genetisk informa- tion. Den regenerativa cykeln kan ses som grundprincipen för hur kretslopp fungerar i biosfären. Systemen är öppna för energiflöden men relativt slutna när det gäller materia som vissa mineraler, fosfor- och kväveföreningar.
150 Kay och Scheider 1994:35-6. 151 Kay och Scheider 1994:46.
152 Günther och Folke 1993: 6 refererande bl.a. Varela FJ, Maturana HR, Uribe R. 1974. ”Autopoiesis: the
organisation of living systems, characterization and a model”. Biosystems, 5:187-196.
Principen för regenerativa cykeln inom levande system: Exergiförbrukning: Exergirik energiimport – Exergifattig energiexport. (Entropiökning). Materialomsättning: Kretslopp av materia: värdefulla resurser och byggnadsmaterial.
Organisation och struktur.
Exergi förbrukas och materia organiseras inom systemens strukturer.
Figur 2:7. Den regenerativa cykeln
Källa: Günther och Folke 1993:12.
Den regenerativa cykeln hos levande system kan även knytas till frågor om sambanden mellan exergi, information och organisation. Levande organismer är som konstaterats öppna dissipativa strukturer, beroende av energi- och materialutbyte med omgivningen. Den exergi som förbrukas används dels till systemets upprätthållande och ämnesomsätt- ning (värmealstrande transformationer), dels till uppbyggnad och utveckling av systemets massa eller struktur (konserverande transformationer). 154 Som illustreras i
figur 2:8, kan man se de konserverande transformationerna som en ”ackumulering av
exergi” i olika biologiska strukturer såsom biomassa eller genetisk information; det
sistnämnda benämnt ”instructional information”. Denna ”instruerande information” lagras som genetisk diversitet inom och mellan organismer, arter och ekosystem. Man kan således betrakta inte bara genotyper på individnivå, utan även relationerna inom ekosystemen som makrostrukturer uppbärande genetisk information (”organisatorisk
exergi”). En viktig komponent i sammanhanget är de olika former av kommunikation
154 Günther och Folke 1993:4-6 refererande bl.a. Brooks DR, Collier J, et al. 1989. ”Entropy and information
som sker inom och mellan systemen. Man kan exempelvis betrakta evolutionen – den genetiska informationspoolens utveckling – i samspel med ekosystemens succession som en form av kommunikation.
Figur 2:8. Förbrukning av exergi i levande system. ”Ackumulering av exergi” i olika former av biologiska strukturer och ”organisatorisk exergi”.
Källa: efter Günther och Folke 1993: 4-6.
Resonemangen ovan illustrerar den ofantliga komplexiteten i livets olika former och de levande systemens förmåga att skapa organisation och struktur, vilket bidrar till att bygga upp och bibehålla jordens rika biosfär. De levande systemens förmåga att lagra informa- tion är exempelvis förutsättningen inte bara för de enskilda organismerna och arterna, utan även för ekosystemens upprätthållande och utveckling. Den i miljöpolitiska sammanhang omhuldade ”biologiska mångfalden” skall förstås i dessa termer.
Levande system - nätverk och interdependens
”Allting hänger ihop” är inte bara ett populärt ekologiskt uttryck, utan återspeglar en fundamental och grundläggande princip inom systemekologin. Vårt samhälle med dess tekniska och ekonomiska system beror av, men påverkar också, de omgivande ekosyste- men. Detta avsnitt introducerar ett vidgat systemperspektiv på liv och levande system, vilket syftar till att klarlägga den starka interdependens (ömsesidiga beroendeförhållande) som råder mellan biosfärens olika subsystem.
Vi har ovan konstaterat att levande system självorganiserar sig såsom öppna och dissipativa strukturer i ständig växelverkan med omgivningens material- och energiflö- den. Sådana processer sker i olika former på olika nivåer. Allt från enskilda celler, organ och organismer till ekosystem kan betraktas som subsystem inordnade i mera omfattande
supersystem (jfr avsnitt 2.1). Som figur 2:9 illustrerar, kan de levande systemen beskrivas
som inbördes interagerande och av varandra beroende hierarkier av system, ibland benämnda holoner organiserade i holarkier. Varje ”holon” representerar en urskiljbar enhet, ett subsystem inom systemet, medan begreppet ”holarki” betecknar principerna för
Exergiförbrukning
hos levande system
Värmealstrande transformationer Instruerande information Konserverande transformationer Biomassa Makronivå Genetisk diversitet ”Organisatorisk exergi” Mikronivå Genotyper
det övergripande supersystemet. Tillsammans bildar de vad som kan kallas ”infogade självorganiserande system” (nested autopoietic systems). Folke Günther och Carl Folke skriver:155
We argue that cells, organisms and ecosystems, even the entire ecosphere, are autopoietic far-from-equilibrium dissipative systems [...] They are nested within each other, and from this view inseparable, since they, though clearly individual, consist of each other. The nested system consists of identifiable, self-organising parts or holons. [...] It is itself a whole composed of parts, but at the same time a part of some greater whole. Holons are open subsystems of systems of higher order, with a continuum from the cell to the ecosphere. The hierarchy of holons we prefer to call holarchy.
Figur 2:9. Principen för holon – holarki. Inbördes inordnade och ömsesidigt beroende subsystem inom supersystem. Här exemplifierat med holoner på cell-, organism- och ekosystemnivå inom supersystemet (ekosfären). Källa: Günther och Folke 1993:13.
Om vi tillämpar tanken på holoner och holarkier på planetens levande system i sin helhet följer, att detta ytterst kan ses som en sammanhängande helhet. Under 70-talet utvecklade också den brittiske kemisten James Lovelock den s.k. Gaiateorin, som betraktar jordens levande system som en ”superorganism”. Den levande biosfären, Gaia, tillskrivs
155 Günther och Folke 1993:9 hänvisande till bl.a. Prigogine, I. Stengers, E. 1984. Order out of Chaos. New
York: Bantam Books; Koestler A. 1967. The Ghost in the Machine. London: Hutchinson. Se även: www.holon.se/folke/kurs/Bilder/holarchy2.shtml
förmågan att skapa och bibehålla en för systemet gynnsam livsmiljö. Exempelvis gäller det atmosfärens sammansättning av koldioxid och syre, jordens temperaturreglering genom växthuseffekten och reflektionen från jordytan samt havsvattnets salthalt. Teorin är radikal eftersom den på ett så konkret sätt hävdar de levande systemens självskapande och självreglerande förmåga. Vanligt är annars att man utgår ifrån hur levande organis- mer anpassar sig till yttre och givna förutsättningar, men här betonas alltså det levande systemens förmåga att påverka och kontrollera sina miljöbetingelser och livsvillkor. Holarkin med dess ingående holoner representerar å ena sidan självständighet och oberoende, å andra sidan en närmast total interdependens och ömsesidighet. Varje subsystem har en egen lokal jämvikt, men är samtidigt starkt beroende av omgivande subsystem och det överordnade supersystemets processer och utveckling. Detta förhållande är viktigt att förstå när vi diskuterar hur levande system reagerar på störningar.
Som vi har sett tenderar självorganiserande system att uppnå lokalt stabila jämviktstill- stånd. Ur ett övergripande och långsiktigt perspektiv visar detta sig i form av mognande och mera stabila ekosystem. Resiliens är ett begrepp som används för att beskriva ekosystemens integritet och stabilitet, deras buffertkapacitet och förmåga att tåla störningar.156 Samtidigt vet vi att levande system, såväl arter som ekosystem, förändras över tid. Det kan ske genom långsamma processer, såsom arternas evolution och ekosystemens succession. Men det kan också röra sig om plötsliga störningar i form av naturkatastrofer såsom bränder, torka eller översvämningar, eller i form av människans påverkan genom exempelvis artutrotning, ändrad markanvändning eller föroreningar. Hur systemen svarar på störningar är en komplex fråga som beror på en lång rad faktorer och varierar från fall till fall. Principiellt kan man tänka sig följande reaktioner (figur 2:10):
Resiliens hos levande system – Störningars effekter på system
Hög resiliens