Het principe van maximaal vermogen in de evolutie, ecologie en economie*
CHARLES HALL* & TIMOTHY McWHIRTHER*
In 1922 schreef de wiskundige, chemicus en statisticus Alfred Lotka dat ‘de twee fundamentele wetten van de thermodynamica uiteraard onvoldoende zijn om de loop van gebeurtenissen in een fysisch systeem te bepalen. Ze vertellen ons dat bepaalde dingen niet kunnen gebeuren, maar ze vertellen ons niet wat er wel gebeurt.’* Aan het begin van de twintigste eeuw begreep en aanvaardde het gros van de wetenschappers dat de tweede wet inhield dat de entropie bij energietransformaties niet kan afnemen. Velen zagen dit als onverenigbaar met de evolutie van georganiseerde organische systemen zoals die in de evolutionaire biologie beschreven wordt, omdat levende wezens ontegenzeggelijk bundels van negatieve entropie zijn – dat wil zeggen, organisatievormen die voorheen niet hadden bestaan. Deze tegenstelling vormde een paradox die de verhouding tussen biologie en thermodynamica voor lange tijd ernstig verstoord heeft.* Toch waren de bewijzen onomstotelijk: er ontsproten voortdurend allerlei soorten sterk georganiseerde systemen – van onkruid, bomen, ecosystemen, baby’s, gezinnen, menselijke sociale systemen en orkanen tot planeten, zonnestelsels en sterrenstelsels. Lotka stelde dat natuurlijke selectie ervoor zorgt dat natuurlijke systemen zich op zo’n manier ontwikkelen dat ze de organisatie van het systeem vergroten om zo de energieflux door hun systeem te maximaliseren. Hij doopte dit het principe van de maximale energieflux* en was ervan overtuigd dat dit mechanisme de evolutie en groei van georganiseerde systemen karakteriseerde; dat dit de beschrijving vormde van wat er wel gebeurt. In die zin meende hij dat het principe van natuurlijke selectie als een fundamentele wet van de thermodynamica ‘fungeerde’.
In de jaren vijftig zetten systeemecoloog H.T. Odum en natuurkundige Richard Pinkerton het werk van Lotka voort in wat als de ’thermodynamische school’ van de evolutie bekend kwam te staan.* Zij onderkenden dat de eerste zowel als de tweede wet niet ingaat op de snelheid waarmee energietransformaties plaatsvinden en evenmin op de vraag of die energietransformaties, of ‘stroomversterkingen’, nuttig zijn of niet. Lotka’s principe van de maximale energieflux is gerelateerd aan het idee van Ludwig Boltzmann dat in de in concurrentie gedrenkte wereld waarbinnen evolutionaire processen plaatsvinden, organismen in veel gevallen een voordeel kunnen behalen als ze meer energie kunnen bemachtigen dan de concurrentie.* Odum en Pinkerton deelden het inzicht van Boltzmann dat organismen een voordeel behalen wanneer ze erin slagen om die energie sneller te vergaren dan de concurrentie, waardoor die de energie niet als eerste kan gebruiken. Verder toonden ze aan dat energietransformaties binnen natuurlijke systemen gekenmerkt worden door een unieke relatie tussen snelheid en efficiëntie, in de zin dat bij veel individuele processen het hoogste nut van de vergaarde energie bereikt wordt bij een snelheid die het nut van het vermogen gemiddeld genomen maximaliseert. Uiteindelijk noemden ze hun versie van het principe dat de drijvende kracht vormt achter evolutionaire ontwikkeling het principe van maximaal vermogen (PMV). In de natuurkunde kent energie geen tijdscomponent, maar het concept vermogen wel.
Dit artikel geeft een korte bespreking van de historische ontwikkeling van het PMV en andere gerelateerde principes. Het legt uit hoe deze principes werken en door welk bewijs ze ondersteund worden. Het illustreert hoe deze principes zijn toegepast in de evolutietheorie, ecologie, economie en filosofie, en bespreekt nieuw onderzoek en enkele aanhoudende onzekerheden.
De meeste mensen weten tegenwoordig wel het een en ander over Darwins idee van natuurlijke selectie en hoe dit ervoor zorgt dat soorten in de loop van de tijd evolueren. Maar veel mensen zijn aanmerkelijk minder bekend met het gegeven dat Ludwig Boltzmann en Alfred Lotka hebben voorgesteld om de natuurlijke selectie vanuit een thermodynamisch perspectief te bestuderen. In 1886 schreef Ludwig Boltzmann: ‘Om die reden is de algehele strijd om het bestaan van dierlijke wezens geen strijd om grondstoffen – voor organismen zijn dat lucht, water en grond, die stuk voor stuk in overvloed beschikbaar zijn – noch om energie – die is in elk lichaam in overvloed aanwezig in de vorm van warmte –, maar een strijd om (lage) entropie, die beschikbaar komt middels de energietransformatie van de hete zon naar de koude aarde.’* We kunnen dus met een grote mate van zekerheid stellen dat Boltzmann van mening was dat organismen strijden om bronnen van ‘lage entropie’ of, zoals Schrödinger het noemde, negentropie.*
Lotka beschreef organismen die met elkaar wedijveren om ‘beschikbare energie‘ (tegenwoordig ook wel exergie genoemd, maar in navolging van de auteurs gebruiken we hier de term energie): de organismen die sneller en effectiever energie vergaren en gebruiken hebben een selectievoordeel.* Zoals Charles Hall stelt: ‘energie is een algemene hulpbron die kan worden aangewend voor alle eventualiteiten waarmee een organisme geconfronteerd wordt, en een maximale energie-accumulatie stelt een organisme in staat tot een maximaal voortplantingssucces, precies waar natuurlijke selectie op gebaseerd is.’* Lotka stelde dat organismen die meer energie afvangen en gebruiken dan hun concurrenten een selectievoordeel hebben. De eerste auteur van dit artikel (Charles Hall) is sterk betrokken geweest bij recente studies naar de traditionele perspectieven op natuurlijke selectie en haar relatie tot energie (zie bijvoorbeeld Brown et al. voor een meer diepgaande bespreking van de traditionele visies op natuurlijke selectie en hun relatie tot energie).*
Lotka verbreedde Boltzmanns kijk op de natuurlijke selectie van soorten naar ecosystemen en hij beschreef die aan de hand van een algemeen principe. Nadat hij een aantal gevallen onderzocht had, stelde Lotka:
‘In al deze gevallen functioneert de natuurlijke selectie op zo’n manier dat de totale massa van het organische systeem groeit, de omloopsnelheid van materie door het systeem toeneemt en de totale energieflux door het systeem stijgt, op voorwaarde weliswaar dat er een ongebruikt residu aan materie en beschikbare energie aanwezig is. Dit kan worden uitgedrukt in de stelling dat de natuurlijke selectie een geneigdheid kent om de energieflux door het systeem te maximaliseren, voor zover dat verenigbaar is met de beperkingen waaraan het systeem onderhevig is.’*
Lotka noemde dit het ‘principe van de maximale energieflux’.* Zoals we zullen zien, hebben andere wetenschappers verschillende aspecten van dit algemene principe verder uitgewerkt.
Net als Darwin meende Lotka dat zijn visie op de natuurlijke selectie ook van toepassing was op mensen. Hij schreef daarover: ‘De vraag kwam aan de orde in hoeverre de mens hiermee onbewust aan een natuurwet gehoorzaamt, volgens welke een bepaalde fysische grootheid in het systeem naar een maximum neigt. Daar heeft het nu alle schijn van; en het blijkt dat de fysische grootheid in kwestie betrekking heeft op vermogen, oftewel energie per tijdseenheid…’*
Om die reden was Lotka van mening dat de natuurlijke selectie in diepste wezen neerkwam op een concurrentiestrijd tussen organismen om beschikbare energie (en dus het vermogen om andere hulpbronnen te exploiteren), die een evolutionair proces ontketende waarin het principe van de maximale energieflux als stuwende kracht fungeerde.
Zoals we aan het begin al vermeldden, werd de entropiewet aanvankelijk als onverenigbaar gezien met het concept van biologische evolutie – immers, hoe kan de organisatie van het leven in de loop van de tijd naar een hoger niveau evolueren als de entropie toeneemt? In zijn boek What is Life? boog de natuurkundige Erwin Schrödinger zich over deze vraag en populariseerde hij het idee dat levende wezens, net als vlammen (of koelkasten), entropie produceren op een tempo dat voldoende hoog is om voor hun eigen interne ordening te compenseren, op een manier die in overeenstemming is met de tweede wet, en dat wanneer deze zones van negatieve entropie of negentropie toenemen, ook de entropie van het hele systeem toeneemt.* De Oostenrijkse bioloog Ludwig von Bertalanffy tilde deze benadering naar een volgend niveau door te stellen dat natuurlijke systemen spontaan orde kunnen ontwikkelen door potentiële energie aan hun omgeving te onttrekken en deze vervolgens te dissiperen, dat wil zeggen in de vorm van restwarmte te verspreiden.* De Belgische chemicus Ilya Prigogine doopte deze open natuurlijke systemen dissipatieve structuren omdat ze hun eigen organisatie in stand houden door energie uit hun omgeving te dissiperen.* Analyseer je de dissipatieve structuren van natuurlijke systemen terwijl die zich binnen de competitieve omgeving van evolutionaire processen ontwikkelen en groeien, dan versterkt dat de logica die aan de basis ligt van het principe van de maximale energieflux: natuurlijke selectie zorgt ervoor dat dissipatieve structuren zodanig evolueren dat hun vermogen om energie te winnen en vervolgens te dissiperen gemaximaliseerd wordt, hetgeen vereist dat ook de energiestroom gemaximaliseerd wordt. Nu zijn we in staat om te zien hoe dit principe van Lotka een beschrijving van de evolutie van het leven biedt die consistent is met de tweede wet.
Deze visie van Lotka vormde de inspiratiebron voor het werk van Odum en Pinkerton, waarover meer in de volgende aflevering.
Odum was gefascineerd door de vraag waarom de fotosynthese zo’n geringe efficiëntie kent. In 1955 schreven Odum en Pinkerton een artikel, ‘Time’s speed regulator’, waarin ze de efficiëntie en snelheid van energietransformaties expliciet analyseerden.* Eerst richtten ze zich op het ’toestel van Atwood’ uit 1784, een katrol met een touw er overheen dat bevestigd was aan twee manden en dat in die tijd de gebruikelijke laboratoriumproef was om eenparig versnelde beweging te onderzoeken. Aan de ene kant van het toestel hing een zwaarder gewicht dat ervoor moest zorgen dat het lichtere gewicht aan de andere kant naar boven werd gehesen. Door de relatieve grootte van de gewichten aan te passen, kon men onderzoeken welke invloed de verschillende valversnellingen op de arbeid hadden die per eenheid tijd verricht kon worden (wrijving werd daarbij verwaarloosbaar geacht). Hall legt uit wat ze ontdekten:
‘Stel je voor dat je stenen gebruikt om steenkool (of goud) uit een ondergrondse mijn naar de oppervlakte te brengen. Bij een groot verschil in gewicht in beide manden hijs je de kolen het snelst omhoog – de kolen zoeven werkelijk naar het oppervlak. Maar omdat er zo weinig steenkool in je mandje zit, levert deze methode maar weinig arbeid op en gaat het grootste deel van de energie ook nog eens als warmte verloren wanneer de zware mand op de bodem knalt. Zijn beide manden anderzijds nagenoeg even zwaar, dan haal je wel veel kolen omhoog, maar verloopt het hijsen heel traag. De maximale nuttige arbeid (het maximaal nuttig vermogen) wordt verricht wanneer de inputenergie, de kracht (het gewicht) van de opgetilde stenen, ongeveer twee keer zo groot is als die van de lading – dat wil zeggen de omhoog gehesen lading – steenkool, en ongeveer de helft van de inputenergie in de vorm van warmte verloren gaat.’*
Odum en Pinkerton* concluderen dat om een systeem op maximaal vermogen te laten draaien, de efficiëntie zo’n 50 procent van de ideale ‘omkeerbare’ efficiëntie moet bedragen.
Ook leveren Odum en Pinkerton een wiskundige afleiding voor hun conclusie, gebaseerd op de concepten ontwikkeld door onder anderen Prigogine, Onsager en De Donder.* Voorts geven ze verscheidene voorbeelden van systemen met verschillend gekoppelde subsystemen aan de hand van eenvoudige maar slimme diagrammen van ecologische, biochemische, elektrische en economische processen.* Odum en Pinkerton waren van mening dat het bestuderen van de selectie van maximale stroomsnelheden van voordelen bij een bepaalde intermediaire efficiëntie gebruikt zou kunnen worden om het evolutionaire gedrag van allerlei systemen te verklaren die in een evolutionaire, op concurrentie gerichte omgeving werken.
In de daaropvolgende jaren ontwikkelde en beschreef Odum nog eens tal van toepassingen binnen zeer uiteenlopende natuurkundige, biologische, ecologische en economische systemen.
Veel voorbeelden van de conclusie van Odum en Pinkerton zijn afkomstig uit het dagelijks leven. Hall merkt op dat ‘[…] als je op een fiets (of in een auto) wilt accelereren, je het meeste effect – de meeste acceleratie – sorteert in het middelste schakelbereik van de versnellingsgroep, niet in het efficiëntere lagere bereik of het snellere bovenste gedeelte (zoals in de versnellingsgrafieken in autobladen te zien valt).’* Odum en Pinkerton nemen Lotka’s principe van de maximale energieflux een stap verder, met name zijn idee dat de evolutie wordt gestuurd door ‘de dimensies van vermogen, of energie per eenheid tijd…’* Ze maken duidelijk hoe de ‘energie per eenheid tijd’ binnen de context van eenvoudige energieoverdrachten en -transformaties op een uitruil neerkomt tussen snelheid en efficiëntie. Odum noemt dit later het ‘principe van maximaal vermogen‘ (PMV) en omschrijft dat als volgt: ‘Systemen die de overhand hebben zijn die waarvan de belastbaarheid is aangepast om te werken op de piek van de vermogensefficiëntiecurve […] Tijdens hun zelforganisatie versterken (kiezen) deze systemen paden met een optimale belasting en dus een optimale efficiëntie om tot een maximale output te komen.’* Later besprak hij hoe zulke processen een structuur zouden genereren die gericht is op een maximale energiewinning, die voor een gegeven hoeveelheid beschikbare energie mogelijk is en dus voor krachtige ecosystemen.*
Uit de latere publicaties van Odum kan geconcludeerd worden dat hij meende dat het PMV ook toepasbaar was op de schaal van organismen, ecosystemen en fysische systemen zoals orkanen en sterren.* Hoewel Lotka’s geschriften vager zijn, lijkt hij het principe van de maximale energieflux in vergelijkbare termen te beschrijven.* Het belangrijkste verschil tussen Lotka’s principe van de maximale energieflux en het PMV is dat het laatste specifieker is in waarvoor geselecteerd wordt, doordat Odum het concept ‘nuttige energie’ (versus warmte) introduceert, wat een mechanisme verschaft aan de hand waarvan kan worden verklaard hoe, via de unieke relatie tussen snelheid en efficiëntie, een maximale output van nuttig vermogen kan worden bereikt. Odums en Pinkertons gebruik van het concept ‘nuttige energie’ brengt, in tegenstelling tot het concept van ‘beschikbare energie’ van Lotka, zowel de tweede wet als de natuurlijke selectie in het spel. De evolutie kan niet op laagwaardige warmte draaien; alleen nuttige energie kan bijdragen aan de overleving en de voortplanting.
Zowel Lotka als Odum zijn enigszins ambigu over de vraag of de mechanismen die het maximale vermogen of de energieflux voor een heel systeem genereren, ook op het niveau van de individuele soort of op een of ander ‘systeemniveau’ werken – een kwestie die niet relevant is voor de onderhavige bespreking, maar die in de moderne wetenschap meestal wordt opgelost door haar als de collectieve effecten van de selectie op het niveau van individuen op te vatten.
In het aanhangsel bij zijn artikel uit 1922 waarin hij het principe van de maximale energieflux* uitwerkt, gaat Lotka in op een ander principe, ontwikkeld door James Johnstone in een boek dat een jaar eerder gepubliceerd werd, dat stelt dat ‘in levende processen de toename van de entropie evenals die van de energiedissipatie vertraagd wordt.’ Lotka definieert het begrip energieflux als ‘de beschikbare energie die per eenheid tijd door het systeem geabsorbeerd en binnen het systeem gedissipeerd wordt.’* Om die reden stelt Lotka’s principe van de maximale energieflux dat natuurlijke selectie leidt tot de maximalisatie van zowel de energieabsorptie en -dissipatie als de entropieproductie. Aangezien Johnstones principe veronderstelt dat de ‘energiedissipatie’ wordt ‘vertraagd’ en Lotka’s principe er juist van uitgaat dat het gemaximaliseerd wordt, gaat Lotka uitgebreid in op de mogelijke relatie tussen beide.
Lotka oppert twee manieren om beide principes met elkaar in overeenstemming te brengen. Ten eerste stelt hij dat Johnstones argument niet ‘geheel overtuigend’ is omdat beide principes samen zouden kunnen werken in een systeem van ‘gekoppelde omvormers’ – zoals planten en dieren – dat als geheel evolueert in de richting die door het principe van de maximale energieflux wordt weergegeven. Het idee is dat planten energie afvangen; dieren dissiperen die energie vervolgens, maar zorgen ook voor bevruchting en andere diensten die de planten helpen groeien om zo meer energie te winnen die de dieren weer kunnen dissiperen. Lotka schrijft dat wanneer Johnstones argumentatie daadwerkelijk wil ‘overtuigen’, die moet aantonen dat planten en dieren op een zodanige manier samenwerken dat de energiedissipatie systeembreed af- in plaats van toeneemt; en Lotka merkt op dat Johnstone dit niet doet.
Ten tweede stelt Lotka dat waar de toevoer van energie beperkt is, het voordeel naar het organisme gaat dat in zijn interne processen het efficiëntst en zuinigst is; is de toevoer van energie echter overvloedig, dan gaat het voordeel naar het organisme dat de dissipatieve energieflux van het systeem maximaliseert: de twee principes kunnen dus in verschillende situaties werken, afhankelijk van de beperkingen van natuurlijke systemen. Lotka besluit zijn betoog met de opmerking dat de precieze betekenis van de zinsnede ‘verenigbaar met de beperkingen’ nog moet worden vastgesteld en hij erkent dat de betekenis van het principe van de maximale energieflux hiermee verandert. Lotka zag in dat de manieren om de energieflux van een systeem te maximaliseren afhankelijk zijn van de ‘beperkingen’ van dat systeem.
In een artikel uit 2010 oppert Enrico Sciubba dat Lotka’s erkenning dat het principe van de maximale energieflux op een manier van toepassing is die ‘verenigbaar is met de beperkingen’ op systeemniveau, consistent is met ‘het willekeurig emergerende, omgevingsafhankelijke opportunisme’ dat bepalend is voor onze moderne kijk op de evolutie.*
Ook hier volgen Odum en Pinkerton in de voetsporen van Lotka. Om te beginnen stellen ze dat ‘een eenvoudig proces van energie-overdracht kan worden beschouwd als een combinatie van twee delen:* een input en een output. […] In de ene richting [de input] is er de opslag van energie, de toename van vrije energie en een afname van de entropie. In de andere richting [de output] is er een afgifte van opgeslagen energie, een afname van vrije energie en de productie van entropie.’ Johnstones principe komt overeen met de input waarbij de entropie afneemt; Lotka’s principe komt overeen met de output waarbij de entropie toeneemt. Odum en Pinkerton opperen dat de in- en output gelijktijdig werken en stellen dat ze ‘bij een maximaal (nuttig) uitgangsvermogen op een maximale efficiëntie opereren‘ (cursief in de originele tekst). Odum stelt dat dit op alle schalen gebeurt, hoewel hij ook waarschuwt dat het mogelijk slechts op één proces tegelijk werkt.* Verder merkt hij op dat de componenten van natuurlijke systemen zich kunnen specialiseren in opslag en met een efficiëntie van meer dan 50 procent kunnen opereren teneinde het vermogen voor het systeem als geheel te maximaliseren.* Fath en collega’s* hebben verschillende principes geanalyseerd die vergelijkbaar zijn met die van Johnstone en Lotka, tezamen met een reeks andere ‘indicatoren’ gebaseerd op uiteenlopende criteria (zoals energie, emergie, exergie en dissipatie), en zijn tot de conclusie gekomen dat ze binnen het kader van een netwerkanalyse allemaal onderling consistent zijn.
Ten tweede schrijven Odum en Pinkerton dat ‘in een omgeving met grondstoffenbeperkingen zoals we die in veel gebieden op de wereld tegenkomen, een hogere efficiëntie de beste resultaten geeft…’* Tegen het einde van zijn leven schreef Odum een boek, A Prosperous Way Down, waarin hij betoogde dat wanneer de beschikbaarheid van fossiele brandstoffen terugloopt, de evolutie voor die samenlevingen zal selecteren die efficiëntere productiemethoden ontwikkelen.* Tijdens zijn hele carrière paste Odum in zijn publicaties het PMV vaak op een manier toe die ‘verenigbaar is met de beperkingen’ van systemen. Wanneer we de zinsnede ‘verenigbaar met de beperkingen’ van systemen in onze definitie van het PMV opnemen, verandert dit – zoals Lotka al inzag – de betekenis van dit principe: wordt een systeem ingeperkt door een gelimiteerde hoeveelheid beschikbare energie of grondstoffen, dan kan er een hogere efficiëntiegraad vereist zijn om het vermogen te maximaliseren; zijn energie en materialen in overvloed aanwezig, dan kan er een lagere efficiëntiegraad vereist zijn om het vermogen te maximaliseren.
Het tempo waarin energie gemaximaliseerd wordt – de snelheidsregelaar van de tijd – is dus afhankelijk van de beperkingen van de natuurlijke systemen.
De wetenschap van de thermodynamica heeft de laatste jaren veel vooruitgang geboekt dankzij het gebruik van het concept van exergie,* dat in relatie tot de omgeving van een systeem wordt gedefinieerd. Exergie is de hoeveelheid werk die een systeem kan verrichten als het in thermodynamisch evenwicht met zijn omgeving wordt gebracht. Het is het nuttige deel van een brandstof dat daadwerkelijk arbeid kan verrichten versus het deel dat in warmte wordt omgezet. Wanneer Lotka, Odum en Pinkerton stellen dat het principe van de maximale energieflux en het principe van maximaal vermogen (PMV) van toepassing zijn op natuurlijke systemen op een manier die ‘verenigbaar is met de beperkingen’ van systemen, dan suggereren ze in feite dat deze principes het product zijn van een relatie tussen organismen en systemen en hun omgeving. Met behulp van het concept exergie komen latere wetenschappers tot een meer gedetailleerd onderzoek van deze relatie en werpt hun werk meer licht op zowel het PMV als het principe van maximale entropieproductie (PMEP).
Er zijn echter ook biologische overwegingen die niet uit het oog verloren mogen worden. Boltzmann* gaf de biologie een plek tussen de natuurwetenschappen die, om te beginnen met Carnot, inzagen dat de efficiëntie van een proces sterk beïnvloed wordt door het temperatuurverschil (-gradiënt) tussen een energiebron en een energieput. Boltzman begreep ook dat alle levensvormen die energie aan hun omgeving onttrekken, onderhevig zijn aan de wetten van de thermodynamica. Maar hoewel het klopt dat binnen de context van de natuurkunde de temperatuurgradiënt, bijvoorbeeld het verschil in temperatuur tussen een energiebron en -put, belangrijk is voor het bepalen van de efficiëntie van een machine (of organisme) en fundamenteel is als we uitgaan van de zon, dit belang op het niveau van het organisme door een aantal andere factoren overtroffen wordt: (i) dat er voor het leven een temperatuur vereist is waarbij de noodzakelijke chemische processen niet alleen mogelijk zijn, maar ook in praktische zin in stand gehouden kunnen worden; (ii) dat het leven niet over het vermogen beschikt om de externe temperatuur sterk te veranderen; (iii) dat er natuurlijke selectie plaatsvindt om zowel te kunnen opereren als te optimaliseren bij de temperatuur van zijn normale habitat en (iv) dat zodra fotonen chlorofyl raken, de operationele gradiënt transformeert tot sterk gereduceerde koolhydraten en zuurstof – dat wil zeggen, de ultieme elektronenput.
Begin jaren zeventig drong het inzicht tot Odum door dat niet alle vormen van energie hetzelfde vermogen hebben om arbeid te verrichten. Hij rangschikte energievormen vervolgens in een hiërarchie, met de meer diffuse energievormen van een lage concentratiegraad onderaan en energievormen van een hogere concentratiegraad bovenaan. De energiekwaliteit mat hij af aan de hoeveelheid energie van een lagere concentratiegraad die nodig is om die van een hogere concentratiegraad te ontwikkelen. Teneinde de energiekwaliteit beter te standaardiseren introduceerde hij het begrip emergie, dat wil zeggen ‘de totale hoeveelheid beschikbare energie van één soort die direct of indirect nodig is om een bepaald product te maken of een bepaalde stroom in stand te houden.’* Vervolgens muntte hij de term empower (em-vermogen) dat naar het debiet of de volumesnelheid van emergie verwees en herformuleerde hij zijn PMV als het principe van maximaal em-vermogen. Hiermee schiep hij een grotere afstand tussen zijn benadering en die van Lotka, die draaide om beschikbare energie of exergie. Overigens wordt wel gesteld dat emergie– en exergieanalyses niet met elkaar te vergelijken zijn.* En ook het gebruik van het begrip emergie kwam uiteindelijk onder druk te staan. Hoe ver ga je bijvoorbeeld terug in de tijd om alle energie te berekenen die in een product is gaan zitten? Omdat er geen eensluidend antwoord op deze vraag te geven is, wordt de nauwkeurigheid van emergie-analyse in twijfel getrokken.*
Desondanks wordt emergie-analyse met grote regelmaat en effectiviteit toegepast.
Lotka, Odum en Pinkerton begrepen allemaal dat het principe van de maximale energieflux, zowel als het principe van maximaal vermogen (PMV), de productie van entropie met zich meebrengt. De afgelopen decennia begonnen veel wetenschappers zich te richten op hoe natuurlijke selectie leidt tot de maximalisatie van de entropieproductie, en daartoe maakten ze gebruik van een nieuw principe, dat van de maximale entropieproductie (PMEP).* Vermogen is een maat voor de dissipatie van energie in de tijd; wordt er energie gedissipeerd, dan wordt er arbeid verricht en entropie geproduceerd. Dissipatief vermogen is dus fundamenteel gerelateerd aan de productiesnelheid van entropie. Odum stelt dat de maximale entropieproductie ‘een andere manier is om te verwijzen naar het maximaal verbruik van vermogen als terugkoppelingen de producten van het gebruik van vermogen koppelen aan de opwekking van vermogen,’ wat impliceert dat er ook selectie plaatsvindt voor het vergaren van ‘nuttige’ energie en niet alleen voor de dissipatie ervan.* Hoewel het PMV en het PMEP op het diepste niveau aan elkaar verwant zijn, weerspiegelen ze verschillende aspecten van de algehele systeemfunctie en mogelijk ook een verschil van inzicht over wat precies het belangrijkst is. Het PMEP wordt momenteel in verschillende wetenschappelijke disciplines toegepast, waaronder de natuurkunde, scheikunde, biologie en ecologie.* Sommige wetenschappers hebben geopperd dat het PMEP beschouwd kan worden als een logisch ‘uitvloeisel’ van de tweede wet: het beschrijft hoe natuurlijke systemen evolueren op een manier die in overeenstemming is met de tweede wet.*
Naar onze mening gaat de focus op de maximale entropieproductie voorbij aan een kritiek punt dat oorspronkelijk door Odum en Pinkerton naar voren is gebracht: in een Darwinistische context is het niet de gewonnen of gedissipeerde energie die belangrijk is, maar de nuttige energie die door het organisme wordt opgenomen en die gebruikt wordt om te overleven en zich voort te planten. Er vindt wel selectie plaats voor een hoge entropieproductie, maar dat gebeurt slechts incidenteel. Een uitgebreide beoordeling van de relatieve waarde van deze principes valt echter buiten het bestek van dit artikel.
Er is hier sprake van een ontwikkelingslijn: Lotka stelt het principe van de maximale energieflux op; Odum en Pinkerton werken dit principe uit door zich te richten op de uitruil tussen snelheid en efficiëntie in gekoppelde systemen en komen vervolgens tot de formulering van het PMV; daarna verlegt een aantal hedendaagse wetenschappers de focus naar de entropieproductie en ontwikkelen ze het PMEP. Het historische bewijs geeft aan dat deze evolutie door zal gaan: ons begrip van de relatie tussen energie en evolutie zal zelf ook verder blijven evolueren.* Lotka, Odum en Pinkerton werkten grotendeels alleen; nu is er een aantal wetenschappers, werkzaam in een reeks verschillende wetenschappelijke disciplines, die het PMEP toepassen binnen de ’thermodynamische school’ van de evolutie.
We zien de invloed van Lotka, Odum en Pinkerton terug in deze toepassingen, zoals we die ook terug zullen zien in de toepassingen die de toekomst nog te zien zal geven. Veel hedendaagse wetenschappers geven zich rekenschap van deze invloed.*
Hoewel het principe van maximaal vermogen (PMV) ons helpt om de relatie tussen energie en fitness (het voorplantingssucces) in het evolutionaire proces te begrijpen, is deze notie niet boven kritiek verheven. Hall schrijft dat ‘Odum zijn hypothese nooit echt getest heeft. Sterker, bij gelegenheid gaf hij te kennen dat het extreem moeilijk zo niet onmogelijk was om deze relatie, net als de natuurlijke selectie zelf, direct te testen.’* Sommige wetenschappers die in de voetsporen van Odum zijn getreden, hebben de handschoen echter opgenomen.
Zo deden Nancy Harris, Charles Hall en Ariel Lugo empirisch onderzoek naar een hoogtegradiënt in het Luquillo-bos in Puerto Rico om het PMV te testen.* Hall schrijft hierover: ‘Onze veronderstelling luidde dat ecosystemen op een gemiddelde hoogte het meeste nuttig vermogen (in de vorm van netto fotosynthese) ontwikkelden. De bruto fotosynthese bereikt een maximum op zeeniveau, maar daar zou ook de plantrespiratie maximaal zijn vanwege de hoge temperaturen. Op grote hoogte is de fotosynthese relatief gering vanwege de afname van zonlicht als gevolg van de extra bewolking, maar dat geldt ook voor de respiratie vanwege de lagere temperatuur. We ontwikkelden procedures voor het meten van de fotosynthese en respiratie van een boskolom (inclusief alle soorten die er huisden) met behulp van een LI-COR CO₂-analyseapparaat, een gigantische katapult en een geavanceerde klimuitrusting om de hoogste delen van het bos te bereiken. […] We vonden een duidelijke uitruil tussen snelheid en efficiëntie, waarbij de maximale netto-fotosynthese (nuttig vermogen) plaatsvond op een gemiddelde hoogte. De vraag is nu af of de omgevingsfactoren in het Luquillo-bos, die op een hoogte van 800 meter de ideale omstandigheden vormen voor de balans tussen fotosynthese en respiratie, voor bomen in het algemeen opgaan, aangezien de nettoproductie van bossen ook op gemiddelde breedtegraden een maximum kan vertonen.’*
Het feit dat deze bevindingen hun hypothese ondersteunden, vormt het bewijs dat het PMV de drijvende kracht is achter de evolutie van bossen.
Ook Leopold en Langbein leveren empirisch bewijs door het PMV in de fysieke wereld te testen.* Zij laten zien dat stromen in stelsels van zijrivieren hun potentiële energie sneller dissiperen wanneer ze de kortste routes volgen. Wat we echter in werkelijkheid zien gebeuren in de ontwerpen die ontstaan, is dat stromen in deze stelsels juist minder rechtstreekse routes volgen. Ze meanderen, en in dit meanderproces verzamelen en dissiperen ze meer beschikbare energie. De structuren die zich ontwikkelen lijken het vermogen te maximaliseren.
Odum stelde dat dit proces ook in fysieke systemen zoals orkanen en sterren plaatsvindt:* er ontstaan structuren die natuurlijke systemen in staat stellen om meer beschikbare energie te verzamelen en af te voeren.
Deze conclusie wordt verder ondersteund door een recente studie van Lenton e.a..* Zij beschrijven zes energierevoluties, drie in de geschiedenis van de aarde en drie in de geschiedenis van de mens: in de geschiedenis van de aarde analyseren ze het ontstaan van anoxygene fotosynthese, zuurstofhoudende fotosynthese en eukaryote fotosynthese; in de geschiedenis van de mens analyseren ze het Paleolithische gebruik van vuur, de Neolithische landbouwrevolutie en de industriële revolutie. Voor al deze gevallen geval proberen ze ‘de hieruit voortvloeiende toename in energie-input in de biosfeer of in menselijke samenlevingen te kwantificeren.’ Hoewel ze niet met zoveel woorden naar het principe van maximaal vermogen (PMV) of het principe van maximale entropieproductie (PMEP) verwijzen, zijn hun observaties ermee in overeenstemming. Hun onderzoek ondersteunt deze principes vanuit een historisch perspectief en doet dat op een manier die vergelijkbaar is met hoe het fossielenbestand het evolutionaire concept van ‘onderbroken evenwicht’ ondersteunt.* Hun onderzoek illustreert ook een fundamentele parallel tussen ecologische systemen en menselijke sociale systemen.
Om deze parallel verder door te trekken, stelt de Russische biofysicus Aleksandr Zotin dat toen mensen middels vuur en machines exogene energie (energie buiten hun lichaamseigen energie) begonnen te gebruiken, dit hen in staat stelde om de biologische grenzen van hun lichaam te overstijgen en hun capaciteit om vermogen te manifesteren en entropie te produceren verder te maximaliseren. Kijken we naar de verschillende manieren waarop mensen historisch gezien energie buiten hun lichaam getransformeerd hebben, dan wordt duidelijk dat de stelling van Lenton e.a. kan worden uitgebreid naar de eerste drie industriële revoluties. Hieronder vind je een door Earl Cook samengestelde chronologische lijst van de technologische vooruitgang op het gebied van warmtemachines.*
|
Machine |
Jaartal |
Paardenkracht |
|
Mens die een hefboom in beweging zet |
3000 v.Chr. |
0,05 |
|
Vitruviaanse watermolen |
50 v.Chr. |
3 |
|
Vroege windmolen |
1400 |
8 |
|
Stoommachine van Watt (op het land) |
1800 |
40 |
|
Scheepsstoommachine |
1900 |
8000 |
|
Kolengestookte elektriciteitscentrale |
1973 |
1465000 |
|
Kerncentrale |
1970 |
1520000 |
Deze lijst laat zien dat het vermogen van deze machines in de loop van de tijd blijft toenemen en dat deze toenames niet-lineair verlopen en wel op een manier die overeenkomt met elk van de eerste drie industriële revoluties: de eerste van 1760-1840, de tweede van 1870-1914 en de derde van 1947-2009. Dit punt zal verder worden uitgewerkt in de volgende aflevering aan de hand van een bespreking van hoe de industriële revoluties samenvallen met zowel de ontdekking als het toenemende gebruik van fossiele brandstoffen.
Tezamen biedt het onderzoek van Lenton, Zotin en Cook een krachtig historisch bewijs dat ecologische systemen en menselijke sociale systemen op een manier geëvolueerd zijn die consistent is met het PMV en het PMEP. Het heeft er dus alle schijn van dat dit een belangrijk inzicht is in hoe natuurlijke en menselijke selectieprocessen te werk gaan. Ook vormt het een vruchtbaar gebied voor verdere studie.
Odum stelde dat je het principe van maximaal vermogen (PMV) ook in hedendaagse menselijke samenlevingen aan het werk kon zien: overal komen structuren op die almaar meer fossiele brandstoffen winnen en dissiperen, dat wil zeggen zolang de voorraad strekt. Hall schrijft dat Odum ‘van mening was dat samenlevingen of groepen die ervoor kozen om dit niet te doen weliswaar efficiënter met hun energie omgingen, maar ingehaald zouden worden door systemen die zich bleven richten op het verhogen van de exploitatiesnelheid van fossiele brandstoffen, tenminste zolang die brandstoffen overvloedig voorhanden waren.’* Zodoende was Odum van mening dat toen fossiele brandstoffen in de jaren zestig rijkelijk beschikbaar waren, de VS ze als eerste moest gebruiken, of zich op zijn minst ‘niet uit de race om een maximaal gebruik van fossiele brandstoffen moest terugtrekken,’ niettegenstaande het feit dat veel mensen in die tijd, zijn eigen studenten en promovendi incluis, meenden dat we het niveau van industrialisatie juist moesten terugschroeven om de vervuiling terug te dringen.*
Steeds meer wetenschappers – om te beginnen de Oekraïense arts Serge Podolinski en de scheikundige Frederick Soddy ruim honderd jaar geleden, en later de socioloog Frederick Cottrell in jaren vijftig – onderkennen dat de sleutel tot het begrijpen van de menselijke geschiedenis en economie gelegen is in het begrijpen van hoe mensen energie gebruikt hebben. Hall geeft een kort overzicht van de rol die energie heeft gespeeld bij het ontstaan van hedendaagse industriële samenlevingen:
‘De belangrijkste energiebronnen in de oudheid waren allemaal direct afkomstig van de zon: menselijke en dierlijke spierkracht, hout, stromend water en wind. Ongeveer 300 jaar geleden begon de industriële revolutie. Deze ging gepaard met een exponentiële toename van de hoeveelheid energie die beschikbaar kwam om economische arbeid te verrichten. Deze revolutie nam een aanvang met stationaire, door wind en water aangedreven technologieën, die vervolgens werden aangevuld met en vervangen door fossiele koolwaterstoffen (fossiel betekent oud): steenkool in de negentiende eeuw, olie in de twintigste eeuw en nu in toenemende mate aardgas. Wereldwijd is het gebruik van koolwaterstoffen als brandstof sinds 1750 bijna met een factor 800 toegenomen en in de twintigste eeuw om en nabij vertwaalfvoudigd. De ongekende groei van de menselijke bevolking en van de economieën van de meeste landen in de afgelopen 100 jaar is mogelijk gemaakt door een evenredige toename van het gebruik van fossiele brandstoffen.’*
Misschien dat we de industriële revolutie beter kunnen omdopen tot ‘de koolwaterstofrevolutie’.
Het principe van maximaal vermogen (PMV) biedt een verklaring voor de specifieke aard van de evolutie van hedendaagse sociaaleconomische systemen en stelt dat de evolutie van deze systemen onderhevig is aan natuurkundige wetten. Odum geloofde niet dat menselijk gedrag door deze wetten gedetermineerd werd; in zijn visie waren mensen vrij om zelf te kiezen wat ze doen, zij het dat evolutionaire processen er mettertijd voor zouden zorgen dat die mensen die zich in overeenstemming met het PMV gedragen een selectievoordeel hebben. Om die reden, zo schrijft Hall, ‘wordt menselijk gedrag zowel door energetische principes gestuurd als ingeperkt, of ze zich daar nu bewust van zijn of niet.’* Net als de evolutie zelf, levert een dieper inzicht in dit aspect van het PMV niet per se een fraai beeld op. Het lijkt er op dat de evolutie geselecteerd heeft voor de brute oorlogen en groteske vormen van uitbuiting van het milieu en van andere menselijke wezens die we uit ons verleden kennen. Zien we het PMV ook nu aan het werk? Verklaart dit waarom de VS een groot deel van haar resterende fossiele brandstoffen gebruikt om Oekraïne in haar militaire strijd met Rusland te bewapenen? Ondermijnt de concurrentie tussen landen om grondstoffen ons vermogen om de wereldwijde klimaatverandering aan te pakken? Of beloont de natuurlijke selectie op de langere termijn relatief ‘deugdzaam’ gedrag door middel van een of andere grootschalige evolutie?
Dit artikel is niet de plek om deze vragen diepgaand te behandelen. Wat we hier wel kunnen doen, is onze aandacht richten op het bewijs dat tot dusver geleverd is en dat Lotka’s suggestie ondersteunt dat ‘de mens onbewust een natuurwet heeft gehoorzaamd, volgens welke een of andere fysische grootheid in het systeem naar een maximum neigt.’* In de meeste facetten van het menselijk bestaan is de evolutie van het energieverbruik op een manier verlopen die op zijn minst in overeenstemming lijkt te zijn met het PMV, en de invloed die dit heeft gehad op hedendaagse sociaaleconomische systemen laat zich nauwelijks overschatten.
Het moderne, neoklassieke economisch denken ziet de relatie tussen energiegebruik en economische activiteit vrijwel volledig over het hoofd en geeft daardoor een onvolledig beeld. In de kern genomen is dit denken gebaseerd op het concept van ‘consumentensoevereiniteit’: het idee dat economische waarde bepaald wordt door de subjectieve oordelen van consumenten en dat economische markten deze informatie ongefilterd delen. Deze opvatting wordt echter zeker niet door iedereen gedeeld (zoals Hall e.a.*, Sekera*, Leontief*, Tao e.a.*). Hedendaagse neoklassieke economen en politici zijn doorgaans van mening dat we ons aanhoudend moeten inspannen om de economische groei te bevorderen, aangezien dit de enige manier is om het menselijk welzijn te vergroten. Deze kijk op de economie, die ontstond in een unieke periode in de menselijke geschiedenis waarin ons gebruik van fossiele brandstoffen ongekend toenam, lijkt op het eerste gezicht te stroken met het PMV, maar houdt geen rekening met het idee dat grondstoffentekorten weleens een belangrijke rol kunnen gaan spelen.
Nu we de piek van de beschikbaarheid van fossiele brandstoffen beginnen te naderen, wordt deze kortzichtigheid steeds fnuikender. En ondertussen gaat de uitputting van onze energiebronnen onverminderd door.*
Het economisch denken was niet altijd op deze neoklassieke leest geschoeid. Zo zagen de achttiende-eeuwse Franse fysiocraten het land en de landbouw als de bron van rijkdom. En in de jaren zestig van de vorige eeuw begonnen wetenschappers en economen zich te richten op de gezamenlijke toepassing van exergie-analyse en ingenieurs-economie (engineering economics); in Europa werd deze aanpak exergo-economie genoemd en in de VS kreeg ze de benaming thermo-economie mee.* Vervolgens kwam in de jaren tachtig een benadering op die biofysische economie wordt genoemd en die zich baseert op het feit dat economische systemen, net als alle natuurlijke systemen, onderhevig zijn aan de principes en de wetten van de thermodynamica, waaronder het principe van maximaal vermogen.* In navolging van de exergo- en thermo-economische zienswijze poogt de biofysische economische theorie een beter begrip te krijgen van economische processen door de rol van energie erin centraal te stellen. Daarbij richt ze haar pijlen tevens op een verscheidenheid aan problemen in de neoklassieke economische theorie. Hieronder vatten we kort twee aspecten van deze benadering samen.
Op de eerste plaats incorporeert de biofysische economische theorie de implicaties van het feit dat er niet alleen een beperkte hoeveelheid fossiele brandstoffen op de planeet is en dat we de piek van hun beschikbaarheid snel aan het bereiken zijn* (zie ook www.bpeinstitute.org), maar dat hetzelfde ook opgaat voor grondstoffen in het algemeen. Deze benadering onderkent dat de transitie naar hernieuwbare vormen van energie een langdurig proces is dat door vele uitdagingen en beperkingen geplaagd wordt. Daarom plaatst ze grote vraagtekens bij de fundamentele neoklassieke aanname dat onbelemmerde economische groei niet alleen mogelijk is, maar ook het doel zou moeten zijn van alle economische activiteit. Hall schrijft: ‘De biofysische economische theorie houdt zich onder meer bezig met de mogelijkheid dat mensen ook in staat zijn om gelukkig te worden zonder almaar grotere hoeveelheden materiële goederen te verwerven – spullen die binnen een context van slinkende energie- en grondstoffenvoorraden niet langer geproduceerd kunnen worden.’* Deze theorie stelt dat de focus in de economie zou moeten liggen op het nastreven van een goed bestaan, dat de grenzen van de natuur niet overschrijdt. Zoals duidelijk wordt uit Odums latere geschriften (zie aflevering 7) deelde hij deze zienswijze.* Hall schrijft dat Odum zich realiseerde dat we de piek in de beschikbaarheid van fossiele brandstoffen naderden en ‘dat we onze economische activiteit moeten verleggen van luxeconsumptie en blinde concurrentie naar zowel investeringen in een energiezuinige consumptie-infrastructuur als in onderwijs en zelfs geboortebeperking.’*
Odum was van mening dat er aan de andere kant van deze piek selectie zou plaatsvinden voor samenlevingen die zich beter weten aan te passen aan deze nieuwe omgeving vol beperkingen.*
Op de tweede plaats biedt de biofysische economische theorie een aantal vuistregels voor de beoordeling van alternatieve energiebronnen. Van deze regels vormt het concept van energierendement op energie-investering (EROI) de belangrijkste maatstaf. Dit concept heeft betrekking op de verhouding tussen de hoeveelheid energie die een bepaalde energiebron oplevert en de hoeveelheid energie die je erin moet steken om die energie te winnen. Tegenwoordig wordt EROI-analyse toegepast om allerhande energiebronnen mee te evalueren.* Het EROI wordt gedefinieerd in termen van beschikbare energie, maar andere wetenschappers hebben dit concept later explicieter gemaakt door het te formuleren in termen van exergie als exergierendement op exergie-investering.* EROI en verwante concepten zullen in de toekomst nog meer aan belang winnen. Heinberg en Fridley schatten dat als we de komende decennia willen overstappen op een samenleving die voor de volle honderd procent op zonne-energie draait, we de komende 20 jaar elk jaar 20 keer meer zullen moeten investeren in hernieuwbare energie dan alle investeringen die we tot dusver in hernieuwbare energie hebben gestoken.* Denk je de gevolgen eens in als een samenleving een dergelijke mega-investering in de verkeerde energiebron pleegt, zoals in maïs-ethanol. Zou die samenleving daar ooit nog van herstellen? Dit benadrukt de strategische waarde van het gebruik van EROI en verwante concepten als leidraad voor onze toekomstige energie-investeringen. Zie figuur 1.
Figuur 1: De ‘netto energieklif’. Daalt het EROI naar lagere waarden, dan maakt dat voor de samenleving aanvankelijk weinig verschil uit, omdat de nettohoeveelheid geleverde energie niet veel verandert. Maar daalt het EROI onder 10:1 dan heeft elke verdere daling een groot effect op de geleverde hoeveelheid netto-energie. (Met dank aan Euan Mearns.)
Het neoklassieke economisch denken domineerde de studie van de economie in de twintigste eeuw, in een periode waarin ons gebruik van fossiele brandstoffen in een ongekend en uiteindelijk onhoudbaar tempo toenam. Maar die dagen zijn voorbij. Dit is nu het economisch denken van het verleden.
De biofysische economische theorie biedt een bredere en completere kijk op economische processen, die ons beter in staat stelt om ons een weg te banen door de uitdagingen waar we nu en in de toekomst voor staan.
Het principe van maximaal vermogen (PMV) heeft wortels in de filosofie. Zesendertig jaar voordat Lotka stelde dat zijn principe van de maximale energieflux de drijvende kracht was achter de evolutie, opperde de negentiende-eeuwse Duitse filosoof Friedrich Nietzsche al dat de evolutie gestuurd werd door een ‘wil tot macht’, die natuurlijke systemen ertoe brengt om zich op manieren te ontwikkelen die hun macht – in thermodynamische termen wil dat zeggen hun vermogen – vergroten.* Zijn werk werd beïnvloed door een aantal achttiende- en negentiende-eeuwse natuurwetenschappers, onder wie Roger Boscovich, Jean-Marie Guyau, William Rolph, Julius Mayer en Maximilian Drossbach. Drossbach schreef bijvoorbeeld: ‘We hebben alleen een juist begrip van macht als we haar opvatten als het streven naar expansie [Streben nach Entfaltung].’* Nietzsche sloot zich hierbij aan.
Nietzsche gebruikte zijn concept van de wil tot macht voor een unieke, naturalistische benadering van zijn filosofiekritiek. Het verschafte een basis voor een thermodynamisch raamwerk voor de groei en bloei van het leven, dat hij gebruikte om te beschrijven hoe verschillende vormen van gedrag en kennis deze groei ofwel bevorderden of ondermijnden. Hij bekritiseerde morele waarden dus niet omdat die immoreel zouden zijn, of kennis omdat die onwaar zou zijn, zoals de meeste filosofen probeerden te doen; hij trachtte de mensheid daarentegen te bekijken vanuit een perspectief dat ‘gehard is door de discipline van de wetenschap.’* Hij beschouwde zijn befaamde moraalkritiek als een ‘wetenschap van de moraal’. Daarbij zag hij zichzelf als een ‘arts’ van de cultuur die wegsnijdt wat de groei van het leven ondermijnt en het gebruik van een ‘natuurlijke’ of ‘gezonde’ moraal aanmoedigt die ‘vijandige’ elementen ‘op het pad’ van de groei van het leven verwijdert.*
Het beste voorbeeld van een twintigste-eeuwse arts van de cultuur is H.T. Odum. In zijn boek Environment, Power, and Society* evalueert Odum morele waarden, religies en politieke systemen vanuit het perspectief van een thermodynamisch raamwerk van groei gebaseerd op het PMV. Er zijn opmerkelijke overeenkomsten in de perspectieven van Odum en Nietzsche, maar we kunnen ook veel leren van waar hun analyses uiteenlopen. Zo hebben ze onder meer verschillende opvattingen over de waarde van democratie, religie en oorlog. Nietzsche is van mening dat democratie, religie en vrede de groei van het leven ondermijnen. Odum redeneert vanuit het perspectief van een evolutionist en stelt dat democratie waardevolle informatie en keuzes biedt aan leiders die groei willen bevorderen. Bepaalde vormen van religie kunnen die groei eveneens bevorderen en onder specifieke omstandigheden geldt dat ook voor oorlog, al kan die laatste de groei van volwassen sociale systemen uiteindelijk ook ondermijnen. Nemen we het unieke perspectief in beschouwing dat ze delen, dan zijn deze belangrijke verschillen logisch verklaarbaar. Ze analyseren sociale systemen niet vanuit het perspectief van een of andere ahistorische opvatting van waarheid, maar vanuit een wetenschappelijk perspectief dat in de loop van de tijd zelf evolueert. De behandelingen die door twintigste-eeuwse artsen werden voorgeschreven, verschillen immers fors van de behandelingen die negentiende-eeuwse artsen voorschreven. Het staat vast dat onze energieregimes de komende vijftig jaar diepgaand zullen veranderen. Zijn de veranderingen die we in onze economische en politieke filosofieën en structuren aanbrengen niet in lijn met deugdelijke wetenschap, dan zullen onze inspanningen mislukken.
Een cruciaal punt is dat als het EROI blijft dalen, inflatie onvermijdelijk is. Mensen hebben de neiging om de overheid de schuld te geven van inflatie, waardoor het staatsbestel in toenemende mate onbestuurbaar wordt – net nu een goed overheidsbeleid belangrijker is dan ooit.
Het principe van de maximale energieflux heeft de afgelopen 100 jaar een lange weg afgelegd. Alfred Lotka stelde dat zijn principe de sturende kracht was achter de evolutie van organische en anorganische systemen, waarmee hij de evolutietheorie van Darwin fundamenteel bijstelde. Odum en Pinkerton bouwden verder voort op zijn principe en stelden dat het principe van maximaal vermogen afhankelijk was van een uitruil tussen snelheid en efficiëntie, die het nuttig vermogen maximaliseert. Odum paste het PMV vervolgens toe op fysische, elektrische, biochemische, biologische, ecologische en economische systemen. Anderen zijn in zijn voetsporen getreden. Inmiddels wordt het hieraan verwante principe van maximale entropieproductie in uiteenlopende wetenschappelijke disciplines gebruikt en ligt er overtuigend empirisch bewijs dat dit principe ondersteunt.
De toepassing van het PMV en andere verwante principes op menselijke sociale systemen roept vragen op die ongetwijfeld meer aandacht verdienen. Tot dusver heeft de toepassing van deze principes niet alleen geleid tot een grondige kritiek op het neoklassieke economisch denken, maar ook tot de opkomst van een nieuwe benadering die de biofysische economische theorie wordt genoemd.* Deze nieuwe visie erkent de centrale rol van energie in alle economische processen en biedt een realistische inschatting van de economische implicaties van de krimpende hoeveelheid fossiele brandstoffen – brandstoffen die de drijvende kracht vormden achter de economische groei van de afgelopen twee eeuwen. Het is een visie die conceptuele hulpmiddelen verschaft, met name het EROI, die economieën kunnen helpen bij de overgang naar hernieuwbare vormen van energie. Ook laat ze zien hoe de kloof tussen de natuurwetenschappen en de sociale wetenschappen gedicht kan worden. In de filosofie maakt het PMV een unieke naturalistische benadering van filosofische vragen mogelijk, die de natuur- en de geesteswetenschappen dichter bij elkaar kan brengen.
In het werk van Nietzsche, Lotka, Odum en van de velen die in hun voetspoor zijn gevolgd, draait het om de provocerende bewering dat deze wereld – en wij allen incluis – het product is van een fundamentele drang tot het maximaliseren van energetisch vermogen en dus van macht.
