Komplexität in der Ökologie
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Komplexität in der Ökologie Ecosystems and the Biosphere as Complex Adaptive Systems by Simon A. Levin (1998) Resilience and Stability of ecological Systems by C. S. Holling (1973) Inhaltsverzeichnis • Vorstellung Simon A. Levin • Einführung • Komplexe Adaptive Systeme (CAS) – – – – Aggregation Nichtlinearität Diversität Flüsse • Von Populationen zu Ökosystemen zu Gaia • Die Herausforderung • Schluss für das moderne Management Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 2 Simon A. Levin • 22. April 1941 in Baltimore • Ökologe und mathematischer Biologe • Professor an der Princeton University • propagiert die Untersuchung der Biosphäre als komplexes adaptives System • untersucht auch Parallelen zu sozialen Phänomenen und Finanzmärkten und Anwendungen auf die Epidemiologie Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 3 Einführung • Ökologen beobachten heute einen großen Rückgang der Biodiversität • Zu beachten ist dabei nicht nur der direkte Effekt auf den Menschen (fehlende Ressourcen in Zukunft) sondern auch der indirekte Effekt durch veränderte Klimatische und Atmosphärische Bedingungen • Die Wichtigkeit von einzelnen Arten unterscheidet sich Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 4 Einführung • Strukturen beeinflussen Funktionen und umgekehrt • Eine evolutionäre Perspektive, im Sinne eines CAS ist wesentlich um diese Aspekte zu untersuchen • Konzepte wie Gaia (Lovelock 1972) wurden entwickelt (Superorganismus) Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 5 Komplexe Adaptive Systeme (CAS) • Es ist schwer eine formale Definition für ein CAS zu finden, da die Angst vorherrscht, ein auf alles anwendbares System zu limitieren. • 6 Eigenschaften eines Wirtschaftssystems nach Arthur und Weiteren (1997), die auch auf ein CAS zutreffen – verzweigte Wechselbeziehungen – Abwesenheit eines Steuerungsorgans – Vielschichtige hierarchische Organisation – Kontinuierliche Adaption – fortwährende Innovation – Dynamiken fernab vom Gleichgewicht Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 6 Komplexe Adaptive Systeme (CAS) • Levin schlägt eine einfachere Form vor; reduziert auf die 3 wesentlichen Mechanismen – Nachhaltige Vielfalt und Individualität der Komponenten – Örtlich begrenzte Interaktion – Ein autonomer Prozess, der aus den Komponenten, aufgrund der Ergebnisse der lokalen Interaktionen, eine Teilmenge für Replikation und Weiterentwicklung auswählt • John Holland identifiziert 4 Eigenschaften – Aggregation – Nichtlinearität – Diversität – Flüsse Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 7 Komplexe Adaptive Systeme (CAS) - Aggregation • Gruppierung – Individuen in Populationen – Populationen in Arten – Arten in Funktionsgruppen • Die Entwicklung von Gruppierungsmustern und hierarchische Organisation sind eine natürliche Konsequenz von Selbstorganisation eines komplexen Systems und ein essentielles Element in der späteren Entwicklung eines Systems Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 8 Komplexe Adaptive Systeme (CAS) - Nichtlinearität • Da komplexe adaptive Systeme sich primär durch Verstärkung lokaler zufälliger Ereignisse, wie Mutation und Variation der Ausstattung, verändern, ist die Spannbreite der möglichen Veränderungen enorm • Manche Eigenschaften sind resistent gegen Veränderungen (Resilienz), manche nicht, abhängig von den Umständen • Pfadabhängigkeit resultiert aus Nichtlinearität: Lokale Regeln der Interaktion ändern sich mit der Veränderung des Systems Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 9 Komplexe Adaptive Systeme (CAS) - Diversität • Einfaches Zählen der Arten nicht Zielführend • Auch z. B. die Gruppierung von Arten hilft hier nicht weiter • Wichtiger ist die Beachtung der Dynamiken einer Art • Dynamischere Arten beeinflussen ihre Umwelt mehr, und würden bei plötzlichem Verschwinden auch größeren Einfluss auf die zukünftige Entwicklung des Systems haben Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 10 Komplexe Adaptive Systeme (CAS) - Diversität • Mehrere Arten, die auf eine Systemkomponente großen Einfluss haben, können in Funktionsgruppen zusammengefasst werden • Dadurch entsteht eine Pufferung und Selbstregulation Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 11 Komplexe Adaptive Systeme (CAS) - Flüsse • Jedes Ökosystem ist charakterisiert durch Flüsse – – – – Nährstoffflüsse Energieflüsse Materialflüsse Informationsflüsse • Diese Flüsse sind die Interaktion zwischen den Systemkomponenten (Individuen, Populationen, Arten, Funktionsgruppen, …) • Auch die Ausgestaltung der Flüsse ist pfadabhängig und veränderlich Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 12 Von Populationen zu Ökosystemen zu Gaia • In wie weit entstehen Systemeigenschaften durch lokale evolutionäre Kräfte und in wie weit sind die lokalen Prozesse von ihrem Effekt auf die Beständigkeit und Funktionsweise des Ökosystems und der Biosphäre beeinflusst und geformt • Generell: Je stärker die Interaktion, desto stärker der wechselseitige evolutionäre Einfluss. Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 13 Die Herausforderung • Untersuchung der Beziehungen der Organisation von Biodiversität und die Funktion dieser Systeme • Sechs fundamentale Fragestellungen: – Welche Muster existieren in der Verteilung und Organisation von Biodiversität – Sind diese Muster einmalig unter lokalen Bedingungen festgelegt, oder historisch oder räumlich bedingt – Wie setzen sich Ökosysteme im ökologischen Zeitrahmen zusammen – Wie gestaltet die Evolution die Ökosystemeigenschaften – Wie sind die Beziehungen zwischen Struktur und Funktion von Ökosystemen – Vergrößert die Evolution die Resilienz oder führt sie zu einem kritische Zustand Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 14 Die Herausforderung • Kritische Zustände werden immer wieder, z. B. in Form von Katastrophen erreicht und bieten die Variationsgrundlage für Anpassung • Agrarwirtschaft als System, wie heute oft in Monokultur betrieben, ist in der Struktur eher von außen (exogen) vorgegeben als aus sich selbst (endogen) entstanden • Krankheitsanfällig, und kann aufgrund fehlender Anpassungsmechanismen zusammenbrechen Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 15 Schluss für das moderne Management • Wenn Resilienz ein Ziel ist, müssen Manager die Eigenschaften eines Ökosystems verstehen, die es ihm ermöglichen die eigene Integrität unter den Bedingungen veränderlicher Umweltbedingungen und menschlichen Eingriffen zu wahren • Die Resilienz-Eigenschaften eines Ökosystems entstehen durch Selektion auf den niedrigeren Ebenen Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 16 Komplexität in der Ökologie Ecosystems and the Biosphere as Complex Adaptive Systems by Simon A. Levin (1998) Resilience and Stability of ecological Systems by C. S. Holling (1973) Inhaltsverzeichnis • Vorstellung C. S. Holling • Theorie • Beispiele • Definitionen • Resilienz versus Stabilität • Fazit Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 18 Crawford Stanley Holling • geboren am 6.12.1930 • kanadischer Ökologe • Professor in der ökologischen Wissenschaft an der Universität von Florida Quelle: http://www.arrowsmithnats.org/index.php?p=1_35_Fi sheries • Mitgründer der konzeptuellen ökologischen Ökonomie Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 19 Theorie Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 20 Theorie Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 21 Beispiele • selbsterhaltende Ökosysteme • Verfahrensanalyse • zufällige Welt • räumliches Mosaik Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 22 Verfahrensanalyse Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 23 Definition • Resilienz Resilienz bestimmt einen bestehenden Zusammenhang innerhalb eines Systems. Sie misst die Fähigkeiten dieses Systems Veränderungen in den Zustandsgrößen, veränderbaren Variablen, Parametern und anderen existierenden Variablen abzudämpfen. Stabilität Fähigkeit nach veränderten Bedingungen der Umwelt und zeitlichen Störungen wieder zum Gleichgewicht zurückzukehren. Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 24 Resilienz versus Stabilität • System kann sehr resilient sein und trotzdem Schwankungen unterliegen (z.B. durch eine niedrige Stabilität) • Gleichgewicht zwischen Resilienz und Stabilität ist ein Ergebnis der evolutionären Geschichte und der zufällig erfahrenen Schwankungen • Der Zusammenhang zwischen Resilienz und Stabilität scheint auch die kritische Sichtweise von Verschiedenartigkeit und Stabilität in ökologischen Systemen zu erklären Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 25 Fazit • Stabilität - betont das Gleichgewicht - Aufrechterhaltung von Ressourcen - Ergebnis der natürlichen Überproduktion mit kleinstmöglichen Schwankungen • Resilienz - Bereich der Anziehung - Bedürfnis nach Beständigkeit Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 26 Fazit Ein auf Resilienz basierender Managementansatz: • betont das Bedürfnis sich Möglichkeiten offen zu halten • betont das Bedürfnis Vorgänge eher im regionalen statt im lokalen Bereich zu zeigen • betont die Verschiedenartigkeit Dominic Kiehl und Katja Hogg -- Advanced Economics of the Environment -- WS1415 20.01.2015 | 27
