In het artikel ‘Ecologie en klimaat in het licht van de vierde wet van de thermodynamica’ in de rubriek Ecologie wordt de ‘ontdekking’ van de vierde wet geschetst. Dit gebeurde vanuit de vraag: hoe kon de orde of negatieve entropie van het leven toenemen, ondanks de verwoestende kracht van entropie?

De eerste die zich daarmee bezig hield was Ludwig Boltzmann (vanaf 1870): De algehele strijd om het bestaan van levende wezens is er niet een om grondstoffen maar om [negatieve] entropie, die beschikbaar komt middels de omzetting van energie die van de warme zon naar de koude aarde stroomt.

Erwin Schrödinger schreef vervolgens in 1944 dat een organisme om zichzelf op een redelijk hoog niveau van orde (dus een redelijk laag entropieniveau) te houden, de truc uithaalt door voortdurend orde uit zijn omgeving op te zuigen. En dat ook de aarde almaar meer entropie naar het universum uitvoert en zichzelf al doende ordent. Zie hierover aflevering 2.

Bio-wiskundige/statisticus Alfred Lotka zette de volgende stap. Hij opperde dat de natuurlijke selectie selecteert voor die organismen die evolueren om energie sneller door hun systeem te leiden. Het systeem zal zich na verloop van tijd zo ontwikkelen dat de planten sneller groeien zodat er meer voedsel beschikbaar komt voor de planteneters. De natuurlijke selectie selecteert dan ook weer op die dieren die de planten helpen. Op deze manier neigen ecosystemen dus naar een maximale energiestroom. Het plant-dier-systeem is een autokatalytische cyclus waarbij elk onderdeel het andere helpt te katalyseren. Zo zorgen planten voor meer dierengroei, en dieren voor meer plantengroei.

Charles A.S. Hall en Timothy McWhirter beschrijven ditzelfde in aflevering 2 van hun artikel ‘Het principe van maximaal vermogen in de evolutie, ecologie en economie’ in de rubriek Ecologie zo: Alfred Lotka stelde dat organismen die meer energie vergaren en verbruiken dan hun concurrenten over een selectievoordeel beschikken in het evolutionaire proces. Met andere woorden, het Darwinistische idee van evolutie stoelde volgens Lotka op een fundamenteel, gegeneraliseerd energieprincipe. Hij breidde dit algemene principe uit van de energetica van een enkel organisme of een enkele soort, naar de energetica van gehele energiebanen zoals die door ecosystemen lopen.

Een paar decennia later trok de ecoloog Howard Odum erop uit om de energiestromen door het ecosysteem te meten. Het trof hem dat veel van de energiestromen door de trofische niveaus van het ecosysteem niet erg efficiënt verliepen. Zo kwam hij, samen met de natuurkundige Richard Pinkerton, tot de stelling dat ecosystemen niet naar een maximale efficiëntie tenderen, maar naar hun maximaal vermogen.

Wat wordt daarmee bedoeld? Wie met een lichte versnelling fietst ondervindt weinig wrijving maar maakt ook niet veel vaart. Wie zwaar trapt verliest zoveel aan wrijving dat het ook niet snel gaat. De gulden middenweg is die waar je met een gemiddeld tempo en een gemiddelde versnelling trapt om je fiets met maximaal vermogen voort te stuwen. Dit ‘principe van maximaal vermogen’ vinden we dus ook in de natuur tussen plantengroei en herbivoren.

In 1983 definieerde Odum het ‘principe van maximaal vermogen’ als volgt: ‘Tijdens hun zelforganisatie krijgen die systeemontwerpen de overhand die zowel hun vermogensinname en energietransformatie maximaliseren als dat gebruik dat hun productie en efficiëntie versterkt.’ Zijn hypothese werd in experimenten getest en werkzaam bevonden. Er waren ook varianten en uitbreidingen van deze hypothese. Lees er bij Alpha Lo over in aflevering 4 en 5, onder andere in verband met successie met een vestigingsfase en een onderhoudsfase.

Hall en McWhirter schrijven erover in aflevering 4 van hun artikel. Bij het hijsen met twee manden over een katrol bleek de maximale nuttige arbeid (het maximaal nuttig vermogen) bereikt te worden bij een verhouding van ongeveer twee op één belading. Behalve de bewijsvoering gaven Odum en Pinkerton ook voorbeelden van de werking in ecologische, biochemische, elektrische en economische processen, zoals bij de bovengenoemde fiets. In navolging van Lotka maakten zij duidelijk hoe de energie per eenheid tijd binnen de context van eenvoudige energieoverdrachten en -transformaties neerkomt op een uitruil tussen snelheid en efficiëntie (aflevering 5).

Hall en McWhirter stellen bovendien dat de toepassing van dit principe op menselijke sociale systemen heeft geleid tot een grondige kritiek op het neoklassieke economisch denken en tot de opkomst van een nieuwe benadering die de biofysische economische theorie wordt genoemd. Deze nieuwe visie kan ons helpen bij het maken van keuzes bij de overgang naar hernieuwbare vormen van energie. Het leert ons ook dat we daarbij maar één kans hebben om de juiste keuze te maken. Zie ook biofysische economische theorie.

In de permacultuur is het concept van afval=voedsel nauw verbonden met het concept van autokatalytische cycli, zo lezen we in aflevering 4 bij Alpha Lo. Verschillende permaculturen, zoals ‘companion planting’ (het combineren van meerdere planten), ‘hugelkultur’ (houtbedden) en compostthee, dragen via de autokatalytische cycli bij aan het maximaliseren van de vermogensstroom in de tuin en op de boerderij. Het zou voor permacultuur een wetenschappelijke steun in de rug zijn als de vierde wet en de niet-evenwicht thermodynamica ermee verbonden kunnen worden.

Marien geoloog Eric Schneider en ecoloog James Kay bouwden voort op de ideeën van Prigogine en Odum. Daartoe herformuleerden ze de tweede wet van de thermodynamica zo: ‘Bewegen systemen weg van hun evenwicht, dan zullen ze alle beschikbare middelen benutten om de toegepaste gradiënten te reduceren. Nemen de toegepaste gradiënten toe, dan neemt ook het vermogen van het systeem toe om een verder weg bewegen van het evenwicht tegen te gaan.’ Lees hierover bij Alpha Lo in aflevering 7.

Verder schijven ze: ‘Vatten we de aarde op als een open thermodynamisch systeem met een grote gradiënt die door de zon op het systeem geïmponeerd wordt, dan schrijft de geherformuleerde tweede wet voor dat het systeem deze gradiënt zal reduceren door gebruik te maken van alle fysische en chemische processen die het tot zijn beschikking heeft. Onze hypothese luidt dat het leven op aarde niets anders is dan een manier om de door de zon opgewekte gradiënt te dissiperen en dat leven als zodanig een manifestatie is van de geherformuleerde tweede wet.’

En: De soorten die in ecosystemen overleven, zijn degenen die energie beter naar hun eigen productie en voortplanting weten door te sluizen en die bijdragen aan de autokatalytische processen die de totale dissipatie van het ecosysteem verhogen.’

Zie als voorbeeld ook de kleine waterkringloop.

Zie hierna Prigogine, Ilya. Zie ook Aarde en vierde wet.