Heute vor dem Abgrund, morgen einen Schritt weiter?

Raupen, die Blätter von Bäumen fressen und von Vögeln gefressen werden – das sind die Grundzutaten eines berühmten komplexen Systems, das in den 1970er-Jahren von US-amerikanischen Forscher*innen modelliert wurde. Durch dieses Modell fand das Konzept der Kipppunkte breiten Einzug in die Ökosystembiologie. Denn egal ob Nahrungskette, Ökosystem oder Planet: Alle komplexen Systeme – auch der Mensch selber ist ein solches – ähneln einander.

Zum einen bestehen sie aus klar voneinander unterscheidbaren Elementen, zwischen denen es Wechselwirkungen gibt (Bäume, Raupen, Vögel, etc.). Zum anderen haben komplexe Systeme sogenannte Gleichgewichtszustände. Das sind Zustände, die über längere Zeiträume konstant bleiben, in denen die "Kräfte" im System einander quasi ausgleichen und kleine Veränderungen korrigiert werden: Vermehren sich die Raupen zu stark, finden die Vögel sie leichter und der "Überschuss" wird gefressen – gibt es zu wenige, zahlt sich die Suche für die Vögel nicht aus und die Raupen können nachwachsen.

Drittens gibt es in diesen Systemen Kipppunkte (Tipping Points): Wenn ein Teilelement einen bestimmten Wert überschreitet, verändert sich das gesamte System scheinbar plötzlich stark. Werden beispielsweise die Bäume, auf denen die Raupen leben, sehr groß, können sie sich gut vor ihren Fressfeinden verstecken und stark vermehren. Schließlich sind es so viele Raupen, dass auch die Vögel nichts mehr ausrichten können und der Wald kahlgefressen wird: Das System ist gekippt.

Weil das Überschreiten von Kipppunkten in komplexen Systemen oft mit Krankheit, Katastrophen oder Zerstörung einhergeht – zum Beispiel durch Überschwemmungen, Trockenheit, Artensterben und deren soziale Folgen Hunger, Seuchen und Krieg – versuchen wir meist, einem solchen Szenario entgegenzusteuern. Allerdings sind auch soziale Transformationen wie die Verkehrswende oder die Energiewende von Kipppunkten gekennzeichnet. Ganz gleich aber, ob wir bestimmte Kipppunkte als positiv oder negativ wahrnehmen: Wir müssen sie verstehen und vorhersagen können, wenn wir komplexe Systeme beeinflussen möchten.

Die Welt durch die Augen der Mathematik sehen

Hier kommt die Mathematik ins Spiel. Denn: "Wenn man die Gleichung kennt, kann man das Verhalten eines Systems verstehen. Und dann ist es ganz egal, ob man es mit Raupen, dem Klima oder mit Gruppenbewegungen zu tun hat", sagt Sara Merino-Aceituno. Die Mathematikerin forscht an der Uni Wien zum Thema "Emergenz" – der Frage, wie die Interaktionen der Elemente innerhalb eines Systems großräumige Strukturen erzeugen, also z.B. wie aus dem Verhalten einzelner Vögel die Bewegung eines Schwarms wird.

"Das Wunderbare an der Mathematik ist, dass sie so vielseitig ist, dass dieselben Werkzeuge bei auf den ersten Blick völlig unterschiedlichen Systemen angewandt werden können", beschreibt die Wissenschafterin ihre besondere, "mathematische Perspektive" auf die Welt. (Lesen Sie auch: The hidden patterns our world is made of)

Was alle komplexen Systeme gemeinsam haben, sind sogenannte Gleichgewichtszustände, die von bestimmten Parametern abhängig sind, erklärt Merino-Aceituno: "Parameter sind dabei Werte, die von der Umgebung vorgegeben sind und sich nicht verändern oder wenn, dann höchstens viel langsamer als die Variablen des Systems. Es sind die Stellschrauben, die die Entwicklung des Systems leiten."

Der Weg zurück ist viel länger als der Hinweg

Und diese Parameter spielen eine zentrale Rolle bei einer weiteren Eigenschaft, die für das Verstehen komplexer Systeme wichtig ist: der sogenannten "Hysterese". Das ist die Unfähigkeit eines Systems, eine durch eine kleine Änderung der Parameter – also das Überschreiten eines Kipppunktes – hervorgerufene Veränderung durch eine ebenso kleine Rückveränderung rückgängig zu machen. Man müsse die Parameter im Gegenteil um viele Schritte zurücknehmen, um das System in seinen ursprünglichen Zustand zurück zu bringen. Merino-Aceituno: "Solche Rückveränderungen sind also zwar mathematisch-theoretisch möglich, jedoch in der Praxis oft nicht." 

Warum nicht, das veranschaulicht ihr Fachkollege Henk Bruin, ebenfalls Mathematiker an der Uni Wien und spezialisiert auf Erforschung dynamischer Systeme, am Beispiel des antarktischen Eises: "Eine Erwärmung der Atmosphäre um ein oder zwei Grad Celsius kann den Verlust des westantarktischen Eisschildes bedeuten. Um das ewige Eis aber zurückzubekommen, müsste man die Erde um einen ungleich größeren Temperaturunterschied abkühlen."

Wir haben schon eingangs bei den Raupen ein anderes Beispiel für eine Hysterese gesehen: Erst wenn der Wald kahl gefressen ist und die Raupen in der Folge in großem Stil absterben, kann das System sich wieder erholen – mit kleinen Bäumen, in denen überzählige Raupen von den Vögeln relativ einfach gefunden werden.

Einfache Voraussetzungen für komplexes Verhalten

Henk Bruin schreibt nun eine ganz einfache Gleichung auf ein Blatt Papier (siehe Abb.) und erklärt: "Dies ist die Normalform für Systeme mit solchen Kipppunkten. Sie ist ganz einfach, hat nur eine Variable und zwei Parameter. Mathematische Modelle in der Klimaforschung, der Ökologie und auch der Ökonomie haben aber eine Vielzahl an Variablen und Parametern. Bei derart komplexen Systemen ist es quasi sicher, dass man eine Kombination an Parametern findet, wo Kipppunkte auftreten."

Was aber, wenn man die Gleichung eines Systems gar nicht kennt? Der große Geniestreich bei guten Modellen ist es oft nicht, eine Gleichung zu deuten, sondern zu identifizieren, welche Faktoren überhaupt eine Rolle spielen. Denn diese kennen wir oft noch gar nicht, weder bei hochkomplexen Systemen wie dem globalen Klima noch bei – immer noch sehr komplexen – Subsystemen wie beispielsweise dem Ökosystem Boden. Wie kann man Kipppunkte dann identifizieren – idealerweise noch bevor man sie überschreitet?

Mikrobielle Gemeinschaften bestimmen die Gesundheit des Planeten

Eine, die uns diese Fragen beantworten kann, ist Christina Kaiser. Sie ist eine der Leiter*innen des neuen Clusters of Excellence "Microbiomes Drive Planetary Health" der Universität Wien und betrachtet mikrobielle Gemeinschaften als dynamische Systeme.

"Die ideale Gleichung für Ökosysteme können wir nicht kennen. Dazu sind unsere Messdaten zu unvollständig – und wir wissen oft nicht einmal, welche Faktoren welche Rolle spielen," erklärt Kaiser die Herausforderung in der Ökologie, gerade wenn es darum geht, globale Stoffwechselkreisläufe zu beschreiben. Diese Unklarheit wird besonders dort zum Problem, wo Prozesse, die in kleinsten Maßstäben im Boden ablaufen – so klein, dass die räumliche Struktur des Bodens zum prozessbestimmenden Labyrinth wird – mit den wirklich planetaren Systemen wie den großen Permafrostgebieten, den Wäldern und den Ozeanen auf engste Weise verknüpft sind.

Tippgeber für Kipppunkte

Allerdings gibt es sehr klare Indizien dafür, ob sich ein System einem oder mehreren Kipppunkten annähert: In der Nähe eines Kipppunktes sind die "Kräfte", die ein System im Gleichgewichtszustand halten, nämlich schwächer. Daher wird es für ein System, das mehr oder weniger zufälligen Schwankungen ausgesetzt ist, immer schwieriger, zu seinem Gleichgewichtszustand zurückzufinden – Kaiser spricht von einer "kritischen Verlangsamung" der Systeme.

Gleichzeitig wird es durch diese Schwankungen auch einfacher, in andere Gleichgewichtszustände zu rutschen. Systeme nahe einem Kipppunkt springen daher oft zwischen zwei Gleichgewichtszuständen hin und her – "Flickern" nennen die Ökosystemforscher*innen dieses Verhalten. "Noch interessanter ist dieses Phänomen, wenn es um räumliche Muster geht", beschreibt die Ökologin: "Dort bilden sich in der Nähe von Kipppunkten nämlich sehr regelmäßige, labyrinthartige Muster aus."

Und all das kann man laut Kaiser in echten Ökosystemen auch tatsächlich beobachten. Zum Beispiel in historischen Daten: Vor 34 Millionen Jahren wechselte die Erde sprunghaft von einem sogenannten "Glashaus-Klima" zum aktuellen "Kühlhaus-Klima", das sich durch die Vereisung der Antarktis auszeichnet. Und just vor diesem Sprung zeigen sogenannte Proxydaten, also bis heute erhaltene Spuren und Überreste, die Aufschluss über die damaligen Temperaturen zulassen, dass die Temperaturschwankungen zunehmend "träger" wurden.

In komplexen Systemen bestimmen die Details das große Ganze

"Diese Dynamiken besser zu verstehen ist essenziell um gegensteuern zu können", spricht Kaiser von ihrer Motivation, Böden als komplexe Systeme zu verstehen, wo sich oft kleine Details als Gamechanger für das große Ganze herausstellen. "Denn für einen gesunden Planeten ist es wichtig, die systemischen Gleichgewichte zu wahren, sodass alle Arten gut darauf leben können."

Schließlich habe das Überschreiten der ökologischen Kipppunkte so katastrophale Änderungen zur Folge, dass ein gutes Leben auf der Erde schlichtweg nicht mehr möglich sei. "Um ein solches Szenario zu verhindern, ist es höchste Zeit, rasch und entschieden gegenzusteuern, was nur mit massiven sozialen und politischen Änderungen möglich sein wird", betont die Ökologin.

Bewohnbarkeit als interaktive Eigenschaft

Massive soziale und politische Änderungen stehen uns aber ohnehin auch im Worst Case-Szenario bevor – wenn wir die Ökosysteme über ihre Kipppunkte treiben. Im Institut für Geographie und Regionalforschung beschäftigt sich Harald Sterly mit der Frage, wie Umweltveränderungen die Bewohnbarkeit von Regionen beeinflussen und wie Menschen darauf reagieren.

Im Projekt HABITABLE stellt Sterly die ganz grundsätzlichen Fragen, zum Beispiel: Was bedeutet "bewohnbar" überhaupt? "Eine Trockenssavanne ist zwar für Reisbäuer*innen unbewohnbar, die an diese Verhältnisse gut angepassten Hirtennomad*innen aber können dort relativ gut überleben", veranschaulicht der Humangeograph diese Frage der Definition: Umgekehrt gebe es beispielsweise in Ostdeutschland viele Landstriche, in denen ohne Zweifel Landwirtschaft möglich ist, die aber dennoch zunehmend von ihren Bewohner*innen verlassen werden. "Bewohnbarkeit ist eine Eigenschaft, die aus der Interaktion zwischen Mensch und Ort erwächst", erklärt Sterly.

Das Verhalten ist klar, die Deutung schwierig

Trotz aller Unsicherheit bei den Definitionen kann man in vielen Gesellschaften aber eindeutig Kipppunkte beobachten. Das gehe laut Sterly am einfachsten, wenn Verhaltensweisen, wie zum Beispiel Abwanderung, Geburtenraten, Lebens(erhaltungs)stile etc. plötzlich starken Änderungen unterworfen seien. "Aber ob das gut oder schlecht ist, ist auch eine Frage der Deutungshoheit," wirft Sterly ein und warnt in diesem Zusammenhang auch vor einer "Settlement Bias". Oft betrachten wir Migration und Mobilität nämlich grundsätzlich als etwas Außergewöhnliches im Gegensatz zur Sesshaftigkeit. Sterly erklärt: "Wir neigen dazu, Abwanderung immer als etwas Schlechtes wahrzunehmen. Aber in vielen Risikogebieten möchten Menschen oft eigentlich gerne wegziehen, nur lassen es die Bedingungen nicht zu." Deshalb könne auch Immobilität, vor allem angesichts sich verschlechternder Umweltbedingungen, problematisch sein.

Umgekehrt gebe es auch Abwanderungen, die nicht von den Abwandernden selbst motiviert seien, sondern von der Politik initiiert. So habe beispielsweise die Regierung der Philippinen nach dem Taifun Haiyan 2013 einige Gebiete als "unsicher" bewertet und es der evakuierten Bevölkerung verboten, zurückzukehren.

Die systemische und die politische Perspektive

"Soziale Systeme folgen teilweise anderen Gesetzmäßigkeiten als beispielsweise ökologische," sagt Sterly. "Für solche menschlichen Systeme spielen Macht, Symbole und Diskurse eine wesentliche Rolle." Eine systemische Perspektive sei in der Geografie zwar sinnvoll, allerdings brauche es zusätzlich auch eine politisch-ökologische Perspektive, welche Konflikte und Machtdynamiken in den Vordergrund stellt, gibt der Uni Wien-Forscher zu bedenken.

Zumindest in demokratischen Systemen, die von "konkurrierenden Mainstream-Narrativen" geprägt seien, rufe dies aber ohnehin neue Kipppunkte – hier spricht man von Transitionen – auf den Plan und zwar dort, wo ehemals vielleicht belächelte Meinungen oder Nischeninteressen plötzlich mehrheitsfähig werden und den politischen Diskurs prägen. Als Beispiele nennt Sterly die Verfügbarkeit veganer Produkte im Supermarkt, das Fahrradfahren in der Stadt oder die weitverbreitete Installation von PV-Anlagen. Irgendwann sei jeweils der Punkt erreicht, wo es plötzlich wirtschaftlich interessant oder einfach gesellschaftlich akzeptiert wird, betreffende Infrastrukturen aufzubauen.

Für Christina Kaiser sind diese sozialen Kipppunkte ein Grund zur Hoffnung. "Wir laufen gerade Gefahr, dass alle Bemühungen, allen voran das 1,5-Grad-Ziel, scheitern, weil es trotz ganz wichtiger Bewegungen, die viel Druck, viel Aufmerksamkeit und auch viel echtes Verständnis erzeugt haben, so viele Gegenkräfte gibt. Wenn wir einen solchen 'positiven' sozialen Kipppunkt erreichen und es dann vielleicht auch eine wirtschaftliche Frage wird, könnte es sein, dass Veränderungen schnell gehen und sich durchsetzen."

Der nächste Schritt ist gewiss

Kipppunkte sind überall um uns herum und es ist alternativlos, dass wir einige davon erreichen werden. An der Universität Wien forschen Wissenschafter*innen verschiedener Fakultäten an den Grundlagen, um die aktuellen Entwicklungen noch zu verändern. Sara Merino-Aceituno, Henk Bruin, Christina Kaiser und Harald Sterly sind sich einig, dass dies aber nicht genug ist. Denn abgesehen von den wissenschaftlichen Erkenntnissen braucht es auch politischen Konsens um die Ernsthaftigkeit der Situation sowie breite Teile der Gesellschaft, die beim Bewältigen der Krise mitmachen. Gerade dabei kommt es aber noch zu großen Reibungsverlusten.

Es geht nun also darum, soziale Kipppunkte zu erreichen. Und die Fragen, denen wir uns dazu stellen müssen, sind laut den vier Expert*innen der Universität Wien unter anderem folgende: Schaffen wir es, rasch genug denselben politischen Willen aufzubringen, mit dem wir auch die Corona-Pandemie überwinden konnten, um den gefährlichsten Entwicklungen des Umweltwandels entgegenzuwirken und die schlimmsten Folgen abzufedern? Und schaffen wir es dabei auch, Menschen mitzudenken, die tausende Kilometer weit entfernt mit den Folgen unseres Handelns hier zu kämpfen haben? Oder bleiben wir in unserem aktuellen politischen Gleichgewicht, bis zuerst unsere Umwelt und dann auch unsere soziale Umgebung neue Tatsachen schafft? (ds)