Kennis over deel en geheel

Groter hersenvolume

Een gas kan worden beschreven in termen van het aantal moleculen en van druk en temperatuur. Geen van de individuele moleculen van het gas heeft een druk en een temperatuur. Het zijn ‘emergente’ eigenschappen, die ontstaan als gevolg van interacties tussen een groot aantal gasmoleculen in een afgesloten ruimte en die niet kunnen worden verklaard als optelsom van de eigenschappen van de individuele moleculen. In een organisme vervullen chemische stoffen (bijvoorbeeld hemoglobine in rode bloedlichaampjes) een bepaalde functie die kan worden beschouwd als een emergente eigenschap, die niet kan worden verklaard door een opsomming van de samenstellende atomen en moleculen, maar wel door de structuur die zo’n emoglobinecomplex aanneemt. Evenzo kunnen interacties tussen organismen in een ecosysteem (zoals predator-prooi-relaties) worden opgevat als functionele relaties. Een ‘voedselweb’ kan bijdragen aan de stabiliteit van een ecosysteem, een emergente eigenschap die niet, of althans niet eenvoudig, af te leiden is uit de optelsom van planten- en diersoorten in het systeem. Ook in de psychologie worden emergente functies onderkend, zoals geloof, hoop en vrees – algemeen gesteld: gedrag en intenties. Die vervullen een of meer functies die niet reductionistisch kunnen worden verklaard uit mechanismen in de hersenen. In sociale systemen worden ook wel emergente eigenschappen in de vorm van ideeën onderkend, zoals in de op biologische evolutie gebaseerde theorie omtrent memes naar analogie van genes (een meme is gedefinieerd als een idee, een gedrag dat zich verspreidt binnen een cultuur). In de maatschappij is een belangrijk functioneel criterium of iets ‘werkt’, of iets ‘nuttig’ is. Omdat mensen intenties hebben, spreekt men in de sociale wetenschappen dan ook wel van ‘intentionele verklaringen’. Ze vormen een bijzonder soort functionele verklaringen, in aanvulling op causale en ‘gewone’ functionele verklaringen.

In een symposium supplement van Current Anthropology, ingeleid door Kuhn en Hovers (2013), staan twee opvattingen (scholen) tegenover elkaar. De ene stelt dat de Neanderthalers in tegenstelling tot de Homo sapiens geen cultuur in de vorm van kunst en gereedschap hebben kunnen ontwikkelen, doordat hun hersenen kleiner waren (een mechanistischreductionistische verklaring). De andere school stelt dat hun populatiedichtheid en -omvang nog te gering waren om individuele uitvindingen door te geven: geringe interacties, geen emergentie, beperkt doorgeven van genen in kleine populaties (een gematigd ecologischreductionistische verklaring). Maar voor beide scholen blijft de min of meer holistische vraag open hoe het grotere hersenvolume bij de Homo sapiens heeft kunnen ontstaan.

Visies op de werkelijkheid

Zowel in de natuurwetenschappen als in de sociale wetenschappen worden, zoals we eerder in de tekst zagen, verschillende ‘organisatieniveaus’ onderscheiden waaraan onderzoek kan worden gedaan. Reductionisme en holisme vertegenwoordigen visies op de relatie tussen kennis omtrent het functioneren van elk organisatieniveau en kennis van het functioneren van de bijbehorende ‘hogere’ en ‘lagere’ niveaus. In extreme vorm staan holisme en reductionisme als visies op de werkelijkheid tegenover elkaar.

Het ene uiterste, radicaal holisme, wordt in dit spectrum vertegenwoordigd door de Gaia hypothese – in 1972-1974 gelanceerd door James Lovelock en Lynn Margulis (zie Lovelock1980) – waarbij het systeem Aarde als een organisch geheel wordt beschouwd en waarbij alle
onderdelen met elkaar zouden (kunnen) samenhangen en derhalve ook onmisbaar zijn; het geheel is niet verklaarbaar uit theorieën over de ‘lagere’ organisatieniveaus. Het andere uiterste, radicaal reductionisme, is verwant met het klassieke atomisme dat men nog kan aantreffen bij dogmatische aanhangers van het logisch-positivisme, die stellen dat fysisch-chemische wetten – omtrent het ‘laagste’ organisatieniveau – juist de meest fundamentele wetenschap vertegenwoordigen, ook ter verklaring van processen op ‘hogere’ organisatieniveaus zoals sociale systemen. Op theoriereductie, zoals die werd voorgestaan door de logisch-positivisten, werden ook claims omtrent de inhoudelijke ‘eenheid van wetenschap’ gebaseerd, the one Theory of Everything. De visie dat alle processen in de natuur en in de maatschappij fundamenteel te herleiden zijn tot fysische wetten vindt men nu nog terug in het boek Consilience: the unity of knowledge van de bioloog Edward O. Wilson (1998), zij het dat hij ook oog heeft voor samenhang en synthese.

Zandvoort (1986) heeft de samenwerking in natuur- en scheikundig onderzoek tussen onderzoeksprogramma’s gekarakteriseerd met de begrippen ‘gidsprogramma’ en ‘toeleveringsprogramma’. Deze terminologie onderkent de veelal hiërarchische structuur van samenwerkende onderzoeksprogramma’s. Het gidsprogramma geeft aanleiding tot het definiëren van een of verscheidene deelproblemen die voor een verklaring in aanmerking komen door een ander programma, het toeleveringsprogramma. De resultaten van dat programma bepalen de voortgang van het gidsprogramma. Looijen (2000) heeft de samenwerking in de biologie en ecologie meer in het bijzonder geanalyseerd in termen van holistische gidsprogramma’s en reductionistische toeleveringsprogramma’s.

Zo kan onderzoek naar de (emergente) functie van hemoglobine in het bloed (opname, transport en afgifte van zuurstof) worden gekarakteriseerd als holistisch gidsprogramma, terwijl het mechanisme dat deze functies mogelijk maakt is onderzocht door velerlei – onder
meer biochemische – reductionische toeleveringsprogramma’s. Evenzo heeft holistische kennis van de algemene relatie tussen de biodiversiteit op een eiland en de grootte van het eiland, of van een natuurgebied, velerlei reductionistisch-ecologisch onderzoek gevergd om die relatie te begrijpen. Biodiversiteit ontstaat als gevolg van evolutieprocessen, die zelf ook weer niet kunnen worden begrepen zonder beide typen verklaringen toe te passen. Het mechanisme van het ontstaan van (toevallige) erfelijke variatie en de al dan niet adaptieve functie van individuele eigenschappen bepalen samen het proces van de natuurlijke selectie. Causale en functionele verklaringen zijn niet tegengesteld aan elkaar, maar vullen elkaar aan in het begrijpen van natuurlijke processen. Kuipers (2001) geeft een aantal andere voorbeelden van interactie tussen holistische en reductionistische onderzoeksprogramma’s in de ecologie, de medische biologie, de psychologie, de economie en de filosofie.

Zijn reductionistische en holistische onderzoeksbenaderingen (kortweg: analyse en synthese) beperkt tot de grenzen van een wetenschapsgebied (disciplinair) of kunnen die grenzen worden overschreden (interdisciplinair)? Het eenvoudige antwoord op deze vraag is: dat hangt ervan af of het te bestuderen probleem disciplinair of interdisciplinair onderzoek vergt. Problemen, en daarmee samenhangend de te onderzoeken systemen, laten zich niet leiden door de historisch gegroeide indeling van disciplines. De vraag of onderzoek aan elk systeem in principe ook kan worden gereduceerd tot op het niveau van de fysica (de idee van de eenheid van wetenschappen) kan vooreerst alleen theoretisch worden beantwoord. Uit pragmatische overwegingen kan het niet veel anders dan door analyse en synthese in kleine stapjes te laten plaatsvinden, gericht op samenhangende mechanismen en functies, met erkenning van het karakteristieke geheel op het betreffende organisatieniveau. Maar in literatuur van de laatste decennia rond het begrip complexity theory worden er ook pogingen ondernomen ‘complexe systemen’, die juist gekenmerkt worden door een hiërarchische structuur (met verscheidene organisatieniveaus) en een grote variatie aan mogelijke componenten te analyseren en te begrijpen vanuit een holistisch perspectief, zonder reductie tot in de finesses toe te passen. We zullen ons wat nader verdiepen in deze visie op de werkelijkheid, die zowel in de natuurwetenschappen als in de sociale wetenschappen opgeld doet.

Complexe systemen

In de literatuur over complexe systemen is emergentie niet alleen een toegevoegde waarde (bovenop de som der delen), maar juist de meest kenmerkende eigenschap, die een hiërarchische structuur teweegbrengt. De onderdelen van een complex systeem worden vaak aangeduid als ‘agentia’ in plaats van als ‘componenten’. Daarmee wordt benadrukt dat interacties worden gezien als dynamische acties, die ook weer aanleiding kunnen geven tot nieuwe veranderingen of zelfs aanpassingen (complex adaptive systems, zie Holland 2014). Çambel (1993) somt een aantal observaties op om complexiteit in natuurlijke systemen en in sociale structuren te karakteriseren. Algemeen geldt dat een systeem complexer wordt naarmate het uit meer en vooral verschillende delen is opgebouwd. Er is dan meer kans op interacties tussen de delen, met meer kansen op positieve en/of negatieve terugkoppelingen. Een complex systeem is dynamisch, vaak niet of maar tijdelijk in evenwicht en het heeft deterministische en willekeurige (random) eigenschappen. Oorzaken en effecten zijn niet proportioneel (niet-lineaire interacties). Hoe kunnen we een dergelijke complexiteit hanteerbaar maken?

In het onderzoek naar complexe systemen wordt naast aandacht voor evenwicht en stabiliteit vooral ook een poging gewaagd het dynamische gedrag van een natuurlijk of sociaal systeem als geheel te begrijpen en te verklaren aan de hand van zo weinig mogelijk – maar wel cruciale – eigenschappen, cruciaal in die zin dat ze ook zouden kunnen worden benut ter voorspelling van plotselinge veranderingen (early-warning signals, Scheffer e.a. 2012 enreferenties daarin). Plotselinge milieuveranderingen kunnen een geheel systeem ontwrichten, zoals een bosbrand, een epidemie of een tsunami. Maar soms kan ook een langdurig langzame verandering plotseling – alsof er in één klap een drempel (threshold) wordt overschreden – een ecosysteem instabiel maken en van samenstelling wijzigen. Men spreekt dan van kantelpunten (tipping points) en plotselinge grote veranderingen (sudden shifts). Zo kan in een zoetwatermeer dat langdurig blootstaat aan een langzame toevloed van voedingsstoffen (eutrofiëring) plotseling een enorme opbloei van algen optreden, met onder andere vissterfte als gevolg.

Dergelijke plotselinge veranderingen kunnen niet eenvoudig worden verklaard, laat staan voorspeld, vanuit kennis van de componenten van een ecosysteem. Er is kennis nodig over de nog niet voldoende doorgronde ‘complexiteit’ van het betreffende ecosysteem als geheel, in relatie tot veranderingen in het milieu. Denk ook aan een plotselinge crash in financiële markten na een relatief stabiele periode. Het herstel van zo’n verandering – indien die al niet onomkeerbaar is – vergt langdurig enorme inspanningen, omdat zo’n nieuwe situatie op zichzelf ook weer snel kan stabiliseren (alternative stable state). Weaver (1948) maakte al onderscheid tussen organized complexity en disorganized complexity. Vandaar dat het mij goed lijkt nu twee paradoxale aspecten van het mogelijke gedrag van complexe systemen te verkennen: zelforganisatie en chaos.

Zelforganisatie

Hierboven besprak ik emergente eigenschappen van een systeem, die ontstaan als gevolg van interacties tussen componenten van het systeem. De term ‘zelforganisatie’ is afkomstig uit de cybernetica, waarbij eveneens sprake is van interacties, nu niet alleen tussen de componenten van het systeem, maar uitdrukkelijker ook tussen het systeem en de omgeving. De term wordt veelal gebruikt in combinatie met onderzoek over het spontaan en onvoorspelbaar ontstaan van ‘complexiteit’, zoals kristallisatie in de fysica, evolutie van soorten in de evolutiebiologie, zwermen van spreeuwen in de gedragsbiologie, het onverwacht ontstaan van een stabiele markteconomie of een sociaal netwerk van wetenschappers en stakeholders in een transdisciplinair onderzoeksprogramma. De ordening wordt vaak in gang gezet door niet-begrepen, willekeurige fluctuaties en versterkt door positieve terugkoppelingen tussen componenten in het systeem en/of tussen het systeem en het externe milieu. De begincondities van het nog ongeordende systeem zijn niet bekend, maar er ontstaat onverwacht orde. Met andere woorden: de holistische beschrijving van een complex systeem kan niet eenduidig worden verklaard door onderliggende reductionistisch onderzochte mechanismen.

Rietkerk en Van de Koppel (2008) bespreken en verklaren een aantal voorbeelden van ecosystemen waarbij zelfs in een aanvankelijk homogene omgeving een ruimtelijk patroon van planten of dieren in een ecosysteem kan ontstaan, zoals regelmatige bandpatronen van
vegetatie in savannen en van mosselbedden in de Waddenzee. Er kan spontaan een vorm van robuuste orde ontstaan uit lokale interacties tussen de biotische en abiotische componenten, waarbij de interacties elkaar versterken (doorkoppeling, synergie, cascade-effecten). Het mechanisme kan met terugwerkende kracht in elk geval theoretisch worden beschreven, maar voorspelling blijft problematisch.

Ook in de sociale wetenschappen speelt in sommige theoretische concepten zelforganisatie een rol, in aansluiting op ontwikkelingen in de theoretische biologie en de evolutietheorie. Daaromheen spelen zich visies op de maatschappij af die verwoord zijn in verschillende metaforen: van een verzameling botsende atomen tot een netwerk van relaties. Complexe, sociale, zelforganiserende systemen zijn vrijwel altijd dynamisch, zelden in evenwicht, en hebben geen eindpunt. Maar er kan wel orde zijn die te begrijpen valt.

Het principe ‘zelforganisatie’ grijpt terug op filosofische beschouwingen over het begrijpen van orde en chaos in een complexe realiteit, onder meer als basisprincipe voor de evolutie van soorten. Het boek Order out of chaos (Prigogine en Stengers 1984) markeert de ontwikkeling van het denken hierover uitstekend. Het illustreert mogelijkheden voor de dynamische afwisseling van energie-absorberende systemen (in chaotische ontwikkeling) totdat er tijdelijk een nieuw (ordelijk, maar veel energievergend) evenwicht ontstaat, en dan zo verder. Een enorme reeks van zulke transities zou uiteindelijk tot zelforganisatie van leven hebben geleid. In diezelfde periode van de vorige eeuw is deze visie onder anderen door O’Neill e.a. (1986) theoretisch uitgewerkt voor het dynamische gedrag van ecosystemen.

Bij een zelforganiserend systeem zijn de begincondities niet bekend, maar kan er spontaan – onvoorspelbaar – orde ontstaan. In de chaostheorie, die we hierna bespreken, zijn de begincondities eveneens niet bekend, maar ontstaat er geen organisatie, geen orde uit de chaos, althans niet van een orde die wij begrijpen. Niettemin zijn er ook ontwikkelingen in de wetenschap die beogen ‘chaos’ te analyseren en te begrijpen.

Chaos

Grote gevoeligheid van een systeem voor willekeurige kleine veranderingen in (begin)condities (perturbation) is bekend geworden onder de term butterfly effect, zo genoemd naar aanleiding van een lezing van Edward Lorenz in 1972 voor de American Association for the Advancement of Science in Washington D.C., getiteld Predictability: does the flap of a butterfly’s wing in Brazil set off a tornado in Texas? Er kan wel een zekere orde ontstaan in een systeem, maar welke orde is niet of nauwelijks voorspelbaar. De holistische chaostheorie biedt een mogelijkheid het gedrag van sommige complexe systemen in retrospect te beschrijven en te begrijpen, zonder of vrijwel zonder aanvullend – toeleverend – reductionistisch onderzoek. Maar er zijn soms wel experimenten mogelijk die de kracht van de theorie illustreren.

In de wiskunde is de chaostheorie sinds het einde van de negentiende eeuw ontwikkeld om te kunnen omgaan met onvoorspelbare systemen. Men gaat er daarbij vanuit dat het gedrag van het systeem schijnbaar willekeurig is, maar dat, indien de begincondities bekend zouden zijn geweest, het erop volgende gedrag van een systeem deterministisch verklaarbaar zou zijn. Behalve in de wiskunde is de chaostheorie geleidelijk ook in vele andere disciplines toegepast, in onder andere fysica, meteorologie, geologie, ecologie, economie, psychologie en politicologie. Indien de begincondities van een chaotisch systeem niet bekend zijn, kan men in verscheidene disciplines een aantal verschillende begincondities aannemen en de gevolgen experimenteel toetsen door concrete experimenten en simulatie-experimenten. Dit biedt een aanknopingspunt voor het modelleren van een zekere orde in een chaotisch systeem, het modelleren van onbegrepen toeval, waarbij ‘determinisme’ (orde) en ‘kansen’ (onvoorspelbare eindresultaten) twee zijden van eenzelfde medaille zijn.

Zo is de chaostheorie benut voor het bestuderen van de tot dan toe onbegrepen ‘plankton paradox’: hoe kan het dat er meer soorten plankton in een watersysteem naast elkaar voorkomen dan er niches voor soorten zijn, zonder dat er soorten door concurrentie het onderspit delven? Experimenteel, uitgaande van verschillende begincondities, hebben deze onderzoekers aangetoond dat ook een chaotisch systeem stabiel kan zijn, waarbij grote en onvoorspelbare fluctuaties van de componenten zich binnen bepaalde grenzen blijven afspelen. Zulke non-equilibrium coexistence is voorts – bij een recente heranalyse – aangetoond in een waarnemingsreeks van ruim zes jaar in een laboratoriumopstelling met plankton uit de Oostzee en in een twintigjarige opnamereeks in een getijdengebied aan de kust van Nieuw-Zeeland, waar een cyclische successie van organismen plaatsvindt door afwisseling van een stabiliserende en een chaotische dynamiek (Benincà e.a. 2015 en referenties daarin). Met behulp van de chaostheorie kan het gedrag van zulke complexe systemen – de orde in de chaos – achteraf adequaat worden beschreven en begrepen, maar het voorspellen komt niet veel verder dan de termijn van weersverwachtingen. Denk ook maar eens aan de beperkte mate van voorspelbaarheid van het verloop van een schaakpartij, zelfs als een bepaalde uitgangsstelling gegeven is.

Nieuwe mogelijkheden

Webster (2003) onderscheidt twee aspecten van reductionisme: filosofisch en pragmatisch. Terwijl voor de filosofisch geaarde reductionist subatomaire deeltjes de enige reële werkelijkheid vertegenwoordigen, is het voor de pragmatisch georiënteerde reductionist het meest effectief onderzoek te doen aan onderdelen van complexe eenheden. Wanneer we holisme en reductionisme in alle nuchterheid associëren met onderzoek op verschillende organisatieniveaus, met analyse en synthese, hebben beide benaderingen niet alleen hun eigen nut, maar sterker nog: ze kunnen niet zonder elkaar. Het koesteren van tegenstellingen tussen reductionisme en holisme kan een aanloop zijn naar het verhelderen van standpunten, omdat het de gedachten scherpt. Maar voortgaande schoolvorming rond deze tegenstellingen die niet tot een vorm van uitwisseling of samenwerking leidt, kan op de lange duur een belemmering zijn voor de voortgang van wetenschap, zeker als die gepaard gaat met vooroordelen.

Zoals we hebben laten zien is reductie – van een object (ontologisch) of van een daarmee samenhangend concept of theorie (epistemologisch) – noodzakelijk ter verklaring van een fenomeen. Maar de verklaring is onvolledig wanneer niet ook de context van het object van onderzoek in beschouwing wordt genomen, minimaal het organisatieniveau dat zich één stap hoger bevindt. Zo is het in de wereld van het natuurbeheer sinds de oprichting van Natuurmonumenten in 1905 altijd al duidelijk geweest dat voor het behoud of de herintroductie van een planten- of diersoort het ecosysteem en het landschap waar die soort in leeft voor dat doel intact moet zijn. Eenzelfde redenering geldt voor het functioneren van een groep huishoudens in een maatschappij of voor het hanteren van een financieel stelsel van een land in een internationale context. Denk dus bij verklaringen van mechanismen van de werking van een ecologisch
of sociaaleconomisch systeem niet alleen aan oorzaken, maar ook aan effecten, functies en intenties. En andersom: denk bij het inrichten van een ecologisch of sociaaleconomisch systeem ook aan mogelijke consequenties voor componenten van het systeem – het lot van zeldzame biologische soorten, het inkomen van individuele huishoudens.

Onderzoek naar duurzame ontwikkeling van mens en maatschappij, in samenhang met natuur en milieu, vereist een integrale benadering vanuit natuur- en sociaalwetenschappelijk onderzoek (sustainability science). Het komt er niet alleen in disciplinaire, maar vooral ook in complexere interdisciplinaire onderzoeksprogramma’s buitengewoon scherp op aan de te onderzoekensystemen (organisatieniveaus) nauwkeurig te definiëren; niet alleen de objecten van onderzoek, maar ook de bijbehorende concepten, theorieën en modellen. De methodologieën van de deelnemende – empirische – disciplines zijn compatibel. Politieke besluitvorming, waarbij het gaat om een afweging tussen duurzaamheid van mens en maatschappij ten opzichte van die van natuur en milieu, vereist behalve interdisciplinair onderzoek tevens transdisciplinair onderzoek, waarbij alle stakeholders betrokken zijn. Een analyse van velerlei interdisciplinaire en transdisciplinaire onderzoeksprogramma’s met het oog op duurzame mosselkweek in de Zeeuwse delta en in de Waddenzee (Van der Molen e.a. 2015) kan hier dienen als voorbeeld van de oorzaken van mislukking en de voorwaarden voor succes van toegepast onderzoek aan complexe systemen.

Onderzoek over complexiteit heeft een holistisch vertrekpunt, ontkent niet het nut van reductionistisch onderzoek, maar impliceert een wisselwerking tussen beide onderzoeksbenaderingen die toegespitst is op het identificeren van de meest bepalende componenten (agentia) van een dynamisch systeem. Het biedt zodoende nieuwe mogelijkheden tot begrijpen, verklaren en – tot nu toe in beperkte mate – zelfs voorspellen van complex systeemgedrag en al dan niet plotselinge veranderingen daarin. Zoals we hebben gezien biedt onderzoek naar complexiteit een mogelijkheid plotselinge veranderingen in ecologische en sociaaleconomische systemen tijdig te signaleren (early-warning signals), zodat tijdig maatregelen kunnen worden getroffen om ongewenste veranderingen te voorkomen. Het zoeken naar de meest cruciale emergente eigenschappen van een systeem is zeker even kenmerkend voor het bedrijven van wetenschap (minimalisme, zoeken naar eenvoudige verklaringen, parsimony) als het reductionistisch onderzoeken van zoveel mogelijk of zelfs alle componenten en hun interacties.

Onderzoek over complexiteit kan aanleiding zijn om mechanismen van zelforganisatie te ontdekken die door reductionistisch onderzoek niet in zicht waren gekomen. Computersimulaties als hulpmiddel bieden nieuwe mogelijkheden. Denk hierbij aan modellen over klimaatverandering op aarde, die gebaseerd zijn op potentiële veranderingen in slechts twee kenmerken: temperatuur en neerslag. Ook de chaostheorie biedt een mogelijkheid om tot voor kort onbegrepen complexiteit te begrijpen en – met terugwerkende kracht – te verklaren. Maar het gedrag van chaotische systemen is moeilijk voorspelbaar. De chaostheorie kan worden beschouwd als een erkenning van een aspect van holisme dat ervan uitgaat dat niet alle verschijnselen altijd via reductie kunnen worden verklaard, maar toch wel te vatten zijn in theorieën die tot een beter begrip leiden. Holisme en reductionisme vormen eerder een spectrum van elkaar completerende onderzoeksbenaderingen dan dat het tegenstellingen zijn.