Elk ecologisch probleem speelt zich af binnen een ecosysteem. In zo’n systeem vinden allerlei interacties plaats tussen verschillende soorten. Competitie voor voedsel, het gevecht tussen jager en prooi of een plotseling opduikende infectie; allemaal hebben zij gevolgen voor de overleving van een soort. Interacties tussen soorten kunnen leiden tot chaos in een ecosysteem. Microbioloog Jef Huisman beschreef zulke chaos in een model met vijf verschillende soorten die strijden om drie voedselbronnen. Hierdoor splitst het ecosysteem zich in twee concurrerende cirkels. De soorten 1, 2 en 3 vormen de eerste cirkel. Soort 1 eet graag van voedselbron C, maar wordt in zijn groei geremd door bron A. Soort 2 vindt voedselbron A juist erg lekker, maar heeft weer problemen met bron B. Je raadt het al: soort 3 houdt van voedselbron B, maar moet niks hebben van bron C. In de tweede cirkel concurreren soort 1, 4 en 5 om dezelfde bronnen. Soort 1 vormt dus de schakel tussen beide cirkels. Dit hele systeem switcht voortdurend chaotisch heen en weer tussen de twee cirkels. Het is op deze manier dan ook onmogelijk om te voorspellen welke soorten blijven voortbestaan en welke door competitie zullen verdwijnen.

Voldoende voedsel: een garantie?

Om het model iets beter te maken, kun je de twee cirkels van elkaar loskoppelen. Tijdens de overgang van één naar twee cirkels blijft chaos bestaan, maar in het nieuwe model verschuift het evenwicht uiteindelijk naar een van de twee cirkels. Welke van de twee cirkels de competitie gaat winnen, is afhankelijk van het aantal individuen van elke soort in het systeem. In sommige gevallen zijn deze aantallen bekend en kun je dus voorspellen welke soorten door competitie verdwijnen. Vaak is het echter zo dat je deze voorspelling niet kunt maken, omdat je de soortaantallen niet precies weet. Als voorbeeld nemen we de cirkel van soort 1, 2 en 3. Wanneer deze cirkel wint, is er te weinig van voedselbron B om soort 4 en 5 in leven te houden. Andersom, als soort 1, 4 en 5 de bovenhand voeren, hebben soort 2 en 3 een tekort aan voedselbron C. Voedseltekort zorgt er dus voor dat soorten verdwijnen, maar is voldoende voedsel altijd een garantie voor overleving?

Sommige soorten zijn ook nog afhankelijk van de grootte van hun prooi. Hoe dit systeem werkt laat theoretisch ecoloog André de Roos zien aan de hand van het evenwicht tussen populaties kabeljauw en sprot. Kabeljauw is een roofvis die leeft van kleine, jonge prooivisjes. Door dit vroege wegvangen, bereiken maar weinig sprot de volwassen leeftijd en is er relatief weinig concurrentie om het beschikbare voedsel. Daarom kunnen deze visjes veel investeren in ontwikkeling en reproductie. Op die manier komen er naar verhouding ontzettend veel kleine prooivissen beschikbaar voor de kabeljauw. Deze roofvis beïnvloedt dus eigenlijk zelf hoe de populatie van zijn prooi eruit ziet. De kabeljauw heeft jaren te maken gehad met overbevissing. Roofvissen verdwenen uit het systeem en een nieuw evenwicht stelde zich in.

In dit nieuwe evenwicht wordt sprot niet langer opgejaagd. Zo zijn er steeds meer prooivissen die de volwassen leeftijd bereiken, wat leidt tot grote concurrentie tussen volwassen sprot. Dit betekent dat de prooivisjes minder kunnen investeren in ontwikkeling en snelle reproductie. Het totaal aantal prooivissen neemt niet af, maar in verhouding zwemmen er steeds minder kleine, jonge sprot in het water. De kabeljauw heeft hier last van. Zelfs toen er een verbod kwam op het vissen naar wilde kabeljauw herstelden de populaties zich niet. Nu blijkt waarom: de roofvis kan helemaal niks met volwassen sprot. De Roos kwam op het idee prooivissen weg te vangen, in de hoop daarmee de beginsituatie terug te brengen. En inderdaad, het wegvangen van sprot zorgt ervoor dat de prooivissen weer in reproductie investeren en dat de kabeljauw weer brood op de plank heeft.

Het introductieprobleem

Even terug naar het cirkelmodel van Huisman. In dit model kun je de soorten 6, 7 en 8 introduceren. Zij concurreren respectievelijk voor voedselbron A, B en C en één van hen zal het ecosysteem gaan domineren. Welke? Dat is volledig afhankelijk van het aantal individuen van elke soort in het systeem. De voorspelling wordt op deze manier net zo nauwkeurig als een worp met een dobbelsteen. Kansberekening lijkt voor dit introductieprobleem de beste oplossing.

Van kansberekening wordt ook gebruik gemaakt bij de risicoanalyse van de introductie van genetisch gemodificeerde gewassen in de natuur. De genen van deze gewassen zijn aangepast, zodat planten beter bestand zijn tegen bijvoorbeeld vorst of vraatschade door kevers. Tegenstanders zijn bang dat onnatuurlijke genen zich in de natuur kunnen vestigen en daarbij schade aanrichten aan originele planten. Zij stellen: hoe genetisch gemodificeerde gewassen zich gedragen in het open veld is onvoorspelbaar en oncontroleerbaar. Bovendien is introductie in de natuur onomkeerbaar. Bioloog Peter van Tienderen weet alles over het voorspellen van de risico’s van deze experimentele gewassen. Het risico is eigenlijk te vangen in één simpele formule: risico = kans op ontsnapping x kans op uitbreiding x kans op schade. Deze drie termen moet je dus zien te voorspellen.

Als genen vanuit gemodificeerde gewassen in de natuur terecht willen komen, moet dat gebeuren door kruising met een originele plant. Veel kunstmatige gewassen kunnen in theorie wel kruisen, maar de praktijk blijkt lastig. In Nederland zijn maïs en aardappel al vele jaren geleden geïntroduceerd vanuit andere delen in de wereld. Thuis vinden deze gewassen genoeg soortgenootjes om mee voort te planten, maar in de Nederlandse natuur groeit niets van hun gading. En mocht er onverhoopt toch een gewas met een originele plant kruisen, dan is de kans dat de nakomeling in de natuur overleeft bijzonder klein. Maar de kans is nooit nul, dus de vraag is: kunnen overlevende nakomelingen zich ook uitbreiden in de natuur?

Van Tienderen heeft dit onderzocht bij kruisingen tussen gewassla en wilde sla. De eerste generatie nakomelingen had een zeer hoge zaadproductie, hoger dan dat van beide ouderplanten. Genen van gemodificeerde gewassen hebben dus in ieder geval niet bij voorbaat een nadeel in de natuur. In sla liggen genen in blokken en daardoor erven zij gezamenlijk over, ze liften als het ware met elkaar mee. Eén bepaald gen kan zich in de natuur dan ook alleen handhaven wanneer het blok genen waar het in ligt een positief effect heeft op de wilde plant. Heeft een blok gewasgenen een negatief effect, dan zal het niet in frequentie toenemen. Vanaf de 50e generatie kunnen blokgenen van elkaar gaan losbreken en onafhankelijk overerven. Pas wanneer het zover is, bestaat er een kans dat individuele gewasgenen zich in de natuur verspreiden. Of en wanneer dit gebeurt, is moeilijk te voorspellen en over de schade die daarbij ontstaat weten we al helemaal niets.

Modellen in het laboratorium

Voorspellen hoe een natuurlijk ecosysteem zich ontwikkelt, blijkt moeilijk. Laboratoriumcondities vergemakkelijken ecologisch onderzoek. In een laboratorium heb je de omgevingsfactoren die invloed hebben op een systeem veel beter onder controle. Je kunt deze zelfs nagenoeg constant houden. Bovendien is het in het laboratorium mogelijk om allerlei extra metingen uit te voeren. Hiervan moet de voorspellende waarde van modellen toch opknappen, zou je zeggen. Maar helaas, zelfs van de meest gedetailleerde dataset is geen perfecte voorspelling te maken, zo stelt fysisch geograaf Jasper Vrugt.

Hij baseert zich hierbij op een experiment met een dataset van 6 miljoen meetpunten. Onderzoekers hebben op 6 miljoen plaatsen in een klein bakje de doorlaatbaarheid van een poreus medium gemeten. Het systeem zelf bestond uit vijf verschillende zones, waarvan sommige laag in het bakje lagen en anderen hoog. Door het bakje met zones kun je een vloeistof laten stromen. De route van individuele vloeistofdeeltjes is goed te volgen met ‘particle tracking’. Het model dat Vrugt maakte om de doorlaatbaarheid van het hele systeem te voorspellen, had grote moeite met het maken van schattingen voor de lage zones. Zelfs met 12000 simulaties van het model, komt de voorspellende waarde niet overeen met de gemeten waarde. Om het model iets beter te maken, is het wel mogelijk om de doorlaatbaarheid van hoge en lage zones uit elkaar te trekken en apart te berekenen.

Wat is er nu mis met modellen in de biologie en kunnen we ze nog verder verbeteren? Volgens De Roos ontbreekt er in de huidige modellen nogal wat ecologie. Modellen krijgen vaak de status van orakel toegedicht, terwijl de ecologische betekenis van de uitkomst van een model minstens zo belangrijk is. Vrugt is het hiermee eens. Wetenschappers moeten beter combineren tussen metingen en modellen en hun conclusies niet op één van beiden baseren. Onzekerheden in modellen kunnen bovendien veel beter gecommuniceerd worden in de wetenschappelijke literatuur. Verder is er een noodzaak om technieken te ontwikkelen die de fouten in modellen identificeren. Op dit moment is de natuur in ieder geval slechts ten dele voorspelbaar en de vraag is of dat ooit zal veranderen.