体制転換

レジームシフトとは、生態系、気候、金融システム、その他の複雑なシステムの構造と機能における、大きくて突然の持続的な変化である。^{[1] [2] [3] [4]レジームとは、相互に強化されるプロセスまたは}フィードバックによって維持されるシステムの特徴的な動作である。レジームは、シフトが発生する期間に対して持続的であると見なされる。レジームの変化、つまりシフトは通常、内部プロセスの滑らかな変化（フィードバック）または単一の撹乱（外部ショック）がまったく異なるシステムの動作をトリガーするときに発生する。^{[5] [6] [7] [8]}このような非線形の変化は、原子から気候ダイナミクスに至るまでさまざまな分野で広く研究されてきましたが、^[9]レジームシフトは、食料、きれいな水の供給、気候調節など、社会が依存している生態系サービスの流れに大きな影響を与える可能性があるため、生態学で重要性を増しています。 ^{[4] [10]}さらに、人間が地球に与える影響が増大するにつれて（人新世^{[11] ）、レジームシフトの発生頻度も増加すると予想されており、これには人為的な}気候変動や生物多様性の喪失 に関する現在の傾向も含まれます。^{[12]レジームシフトが臨界点または}分岐点に関連している場合、臨界遷移と呼ばれることもあります。^[3]

学者たちは長い間、非線形変化を示すシステムに興味を抱いてきました。20 世紀初頭以来、数学者は非線形システム ダイナミクスの研究に基づいて、このような現象を研究するための一連の概念と理論を開発してきました。この研究は、動的システムにおける分岐理論の分野であるカタストロフィー理論などの概念の開発につながりました。

生態学において、複数のレジーム、つまり代替安定状態と呼ばれる魅力の領域を持つシステムという概念は、リチャード・レウォンティン^[1]とクロフォード・「バズ」・ホリング^[2]による生態系の安定性の意味に関する最初の考察に基づいて、1960 年代後半になって初めて生まれました。生態系のレジームシフトに関する最初の研究は、さまざまな生態系を対象に行われましたが、その中には、放牧システムに関するノイ・メイヤー (1975) 、^{[13]放牧システム、}収穫システム、害虫、宿主寄生システムに関するメイ (1977) 、 ^[14]漁業システムに関するジョーンズとウォルターズ (1976) 、^{[15]昆虫の}大発生に関するルートヴィヒら (1978) ^[16]の重要な研究が含まれています。

レジームシフトを理解するためのこれらの初期の取り組みは、双安定性の実証の難しさ、シミュレーションモデルへの依存、高品質の長期データの欠如などから批判された。^[17]しかし、1990年代までには、ケルプの森、サンゴ礁、乾燥地、浅い湖でレジームシフトのより実質的な証拠が収集された。この研究は、生態系の再編成に関する研究の再活性化と、2000年代初頭のレジームシフトの概念的枠組みにつながる概念の明確化につながった。^{[5] [6] [7] [8]}

生態学以外では、非線形変化の同様の概念が他の学問分野でも開発されてきました。一例として、政治学、社会学、経済学における歴史制度主義が挙げられます。ここでは、経路依存性や臨界点などの概念を使用して、システムの出力がその履歴または初期条件によって決定され、その吸引領域がフィードバックによって強化される現象を説明します。国際制度体制、社会技術的移行、収穫逓増などの概念は、体制シフトに似た認識論的根拠を持ち、同様の数学モデルを利用しています。

過去数十年間、体制転換に関する研究は飛躍的に増加しました。ISI Web of Knowledgeで報告された学術論文は、1990 年以前は年間 5 件未満でしたが、2007 年から 2011 年にかけては年間 300 件以上に増加しました。しかし、体制転換に関連する概念の適用については、依然として議論が続いています。

一つの定義に合意は得られていないが、定義間のわずかな違いは、安定性の意味 （体制の尺度）と突然性の意味にある。どちらも研究対象のシステムの定義に依存するため、相対的である。結局のところ、それは規模の問題である。大量絶滅は地質学的時間スケールにおける体制の転換であるが、金融危機や害虫の発生は、まったく異なるパラメータ設定を必要とする体制の転換である。

この概念を特定の問題に適用するには、時間や空間のスケール、変動の範囲、外因性/内因性プロセスなどの分析カテゴリを固定して、ダイナミクスの範囲を概念的に制限する必要があります。たとえば、海洋学者にとってレジームは少なくとも数十年続く必要があり、駆動力として気候変動を含める必要がありますが、^[17]海洋生物学者の場合は、5年間だけのレジームが受け入れられ、個体群動態によってのみ誘発される可能性があります。^{[18]生態学と関連分野の最近の}科学文献におけるレジームシフトの現在の定義の非網羅的な範囲を表1にまとめています。

表 1. 2004 年から 2009 年にかけて出版された科学文献から、特定の研究課題に概念を適用するために使用されたレジームシフトの定義と修正。

レジームシフトの理論的基礎は、非線形システムの数学から発展してきました。簡単に言えば、レジ​​ームシフトは、小さな擾乱が大きな効果を生み出す可能性があるという特徴を持つダイナミクスを表します。このような状況では、システムの入力と出力の比例関係という一般的な概念は正しくありません。逆に、レジームシフトの概念はシステムの回復力も強調しています。つまり、状況によっては、大幅な管理や人間の影響がシステムにほとんど影響を及ぼさない可能性があるということです。レジームシフトは元に戻すのが難しく、場合によっては元に戻せません。レジームシフトの概念は、分析の注目を線形性と予測可能性から、再編成と驚きへと移します。このように、レジームシフトの概念は、自然と社会における非線形変化のダイナミクスと因果関係の説明を探求するための枠組みを提供します。

体制の変化は、安定化のための内部プロセス（フィードバック）の弱体化 、またはシステムの安定化能力を超える外部ショックによって引き起こされます。

体制シフトを起こしやすいシステムは、システムを定義するプロセスの構成、特にシステムの高速プロセスと低速プロセス間の相互作用に応じて、滑らか、急激、不連続の3種類の変化を示す可能性が^あります。滑らかな変化は、高速プロセスと低速プロセス間の準線形関係によって説明できます。急激な変化は、高速変数と低速変数間の非線形関係を示します。一方、不連続な変化は、低速変数が増加したときと減少したときの高速変数の軌跡の違いによって特徴付けられます。^[17] 言い換えれば、システムがある体制から別の体制に反転するポイントは、システムが元に戻るポイントとは異なります。この最後のタイプの変化を示すシステムは、ヒステリシスを示します。ヒステリシスシステムには2つの重要な特性があります。第1に、不連続な変化を逆転させるには、システムが変化が最初に発生した条件を過ぎて戻る必要があることです。^[5]これは、システムの変化がシステムを特定の体制に維持するフィードバックプロセスを変更するために発生します。^[22]第二に、ヒステリシスはシステムにおける歴史の役割を大幅に強化し、システムが記憶を持っていること、つまりシステムのダイナミクスが過去の出来事によって形作られていることを示しています。

システムがそのダイナミクスをある一連のプロセスから別の一連のプロセスに移行する条件は、しばしば閾値と呼ばれます。たとえば、生態学では、閾値とは、生態系の質、特性、または現象に突然の変化が生じるポイント、または環境要因の小さな変化が生態系に大きな反応を生み出すポイントです。^[23]ただし、閾値はいくつかの相互作用するパラメータの関数であるため、時間と空間で変化します。したがって、同じシステムでも、パラメータの構成に応じて、滑らか、突然、または不連続な変化を示すことができます。ただし、閾値は、突然で不連続な変化が可能な場合にのみ存在します。

経験的証拠により、レジームシフトに関するモデルベースの研究がますます完了しています。生態学におけるレジームシフトに関する初期の研究は、捕食、放牧、漁業、およびインセット発生ダイナミクスのモデルで開発されました。1980 年代以降、モデルのさらなる開発は、ケルプの森、サンゴ礁、乾燥地、湖などの生態系からのレジームシフトに関する経験的証拠によって補完されてきました。

学者たちは、さまざまな生態系とさまざまな規模にわたる体制シフトの証拠を集めてきました。たとえば、地域規模で最もよく文書化された例の1つは木本植物の侵入であり、これは滑らかな変化のダイナミクスに従うと考えられています。^[7] 木本侵入とは、草食動物の割合の小さな変化を指し、乾燥地を草本優勢体制から木本優勢サバンナに移行させる可能性があります。侵入は、アフリカと南アメリカの湿潤サバンナでの牛の牧場経営に関連する生態系サービスに影響を与えることが文書化されています。^{[24] [25] [26]地域規模では、アマゾンと東アジアの熱帯雨林地域は、}森林破壊によって引き起こされた水分循環フィードバックの弱体化を考えると、サバンナ体制に移行するリスクがあると考えられています。^{[27] [28] [29] [30] [31] [32]}森林からサバンナへの移行は、食料や淡水の供給、気候調節、生物多様性の維持に潜在的に影響を及ぼす。地球規模では、夏季の北極の氷床の後退が速いため、アルベドフィードバックを通じて気候温暖化が促進され、世界中の海水位や気候調節に影響を及ぼす可能性がある。

水生システムは、レジームシフトの探索において精力的に研究されてきた。湖は、ある程度実験とデータ収集を可能にするミクロコスモス（ほぼ閉鎖系）のように機能する。 ^{[2] [33] [34]} 富栄養化は、透明な水から濁った水への急激な変化であり、湖や沿岸生態系における有毒な藻類の大量発生や魚の生産性の低下につながることが十分に文書化されている。^{[33] [35] [36]}富栄養化は、特に農業で使用される肥料に由来する栄養素の投入によって引き起こされる。これは、ヒステリシスを伴う不連続な変化の例である。湖が濁った水レジームに移行すると、リンのリサイクルという新たなフィードバックにより、栄養素の投入が大幅に減少しても、システムは富栄養状態に維持される。

水生および海洋システムで広く研究されている別の例は、食物網の栄養段階の低下です。これは通常、多数の捕食魚が優勢な生態系から、浮遊性プランクトン食動物（つまりクラゲ）などの低栄養段階グループが優勢な体制への移行を意味します。^{[37] [38] [39] [40] [41]影響を受けた食物網は、多くの場合、漁業の生産性、}富栄養化、低酸素症、外来種の侵入の大きなリスク、およびレクリエーション価値への影響に影響を与えます。低酸素症、またはいわゆるデスゾーンの発生は、水生および海洋沿岸環境における別の体制シフトです。低酸素症は、富栄養化と同様に、人為的起源の栄養素の流入によって引き起こされますが、湧昇という形での自然起源の栄養素の流入によっても引き起こされます。栄養素の濃度が高いと溶存酸素のレベルが低下し、大多数の水生生物が生存できなくなります。^[42]生態系サービスへの影響としては、漁業の崩壊や人間にとって有毒なガスの発生などが挙げられます。

海洋システムでは、サンゴ礁とケルプの森で2つのよく研究された体制転換が起こります。サンゴ礁は3次元構造で、海洋生物多様性の生息地として機能します。ハードサンゴが優勢なサンゴ礁は、肉質の藻類が優勢な体制に転換する可能性があります。^{[43] [44] [45] [46] [47]}また、ソフトコーラル、サンゴ状動物、ウニの荒地、または海綿動物が優勢な体制に転換することも報告されています。^{[18] [48]}サンゴ礁の遷移は、カルシウム固定、水質浄化、生物多様性の維持、漁業生産性、海岸線保護、レクリエーションサービスなどの生態系サービスに影響を及ぼすことが報告されています。^{[49] [50]}一方、ケルプの森は、海洋の温帯地域に見られる生産性の高い海洋生態系です。ケルプの森は褐色大型藻類が優勢で、生物多様性に富み、化粧品産業と漁業の両方に供給する生態系サービスを提供している。沿岸からの栄養塩の流出と乱獲が主な原因でケルプの森がウニ不毛地帯に変わると、こうしたサービスは大幅に減少する。乱獲やラッコなどのキーストーン捕食者の過剰漁獲は、システムにトップダウンの圧力をかける。ボトムアップの圧力は、栄養素汚染から生じる。^{[51] [52] [53] [54] [55] [56]}

土壌の塩化は、陸上システムにおけるよく知られたレジームシフトの一例である。これは、深根植物の除去と灌漑によって引き起こされ、土壌地下水位の上昇と土壌表面の塩分濃度の増加を引き起こす。システムが反転すると、食料生産（作物と牛の両方）に関連する生態系サービスが大幅に減少する。^[57] 乾燥地の 劣化は砂漠化としても知られ、よく知られているが議論の多いタイプのレジームシフトである。乾燥地の劣化は、植生の喪失により、生態系が植生から裸地が支配する状態に変化したときに発生する。このシフトは、農業と牛の放牧、半遊牧民の伝統の喪失、インフラの拡張、経営の柔軟性の低下、その他の経済的要因の組み合わせによって引き起こされると考えられているが、実際にレジームシフトがあるかどうか、どの要因がそれを引き起こしたかを判断することが困難であるため、議論を呼んでいる。たとえば、貧困は乾燥地の劣化の要因として提案されているが、研究では矛盾する証拠が継続的に見つかっている。^{[58] [59] [60] [61]}乾燥地の劣化によって影響を受ける生態系サービスには、通常、バイオマス生産性の低下が含まれ、その結果、農業や水循環のための供給および支援サービスが減少します。

極地は、気候温暖化の影響を調査する研究の焦点となっている。極地におけるレジームシフトには、グリーンランド氷床の融解や熱塩循環システムの崩壊の可能性などがある。グリーンランド氷床の融解は地球温暖化によって引き起こされ、海面上昇により世界中の海岸線を脅かすが、熱塩循環の崩壊は北大西洋の淡水の増加によって引き起こされ、その結果、熱帯と極地の間の密度駆動型水輸送が弱まる。^{[62] [63]}両方のレジームシフトは、海洋生物多様性、水循環、住宅とインフラの安全性、気候調節など、生態系サービスに深刻な影響を及ぼしている。

平均標準偏差、主成分分析、人工ニューラルネットワーク^{[64] [20]}などの現在よく知られている統計手法を使用すると、レジームシフトが発生したかどうかを検出できます。このような分析には、長期のデータシリーズが必要であり、調査対象の閾値を超える必要があります。^[20]したがって、答えはデータの質に依存します。これはイベント駆動型であり、過去の傾向を調べることしかできません。

一部の学者は、時系列の統計的分析に基づいて、特定の現象はレジームシフトに対応しないと主張している。^{[65] [66] [67] [68]}しかし、システムが複数のアトラクターを持つという仮説が統計的に棄却されたとしても、帰無仮説が正しいということにはなりません。^[6]そうするためには、システムが1つのアトラクターしか持たないことを証明する必要があります。言い換えれば、データが複数のレジームを示さないという証拠は、システムが将来別のレジームにシフトする可能性を排除するものではありません。さらに、経営上の意思決定において、考えられる代替レジームが非常に悪い結果をもたらす場合、システムが1つのレジームしか持たないと想定するのは危険です。^[6]

一方、「レジームシフトは起こったか？」よりも関連性の高い質問は、「システムはレジームシフトを起こしやすいか？」である。この質問が重要なのは、過去にはスムーズな変化を示していたとしても、パラメータの設定によっては、そのダイナミクスが将来的に急激または不連続になる可能性があるためである。このような質問は、さまざまなシステムについてさまざまな分野で個別に検討されており、方法の開発を前進させ（例：海洋における気候主導のレジームシフト^[66]や食物網の安定性^{[69] [70]}）、新しい研究を刺激し続けている。

体制転換の研究は、複数の生態系にわたって、複数の規模で行われています。新しい研究分野には、体制転換の早期警告や新しい形式のモデリングなどがあります。

臨界遷移の早期警告信号を特定するために、多大な努力が払われてきた。^{[73] [74] [ 75] [76] [77] [78] [79] [80]}分岐点に近づいているシステムは、臨界減速と呼ばれる特徴的な動作を示し、摂動からの回復がますます遅くなる。これは、今度は（空間的または時間的な）自己相関と分散の増加につながる可能性があり、分散スペクトルは周波数を下げる傾向がある。^{[74] [77] [78]}また、システムの状態空間における「臨界減速の方向」は、振動やその他の複雑なダイナミクスにつながる遅延負帰還が弱い場合のシステムの将来の状態を示している可能性がある。^{[71]研究者は、湖、気候ダイナミクス、}アマゾンの熱帯雨林、^[81]世界中の森林、^[72]食物網、乾燥地の遷移、てんかん発作における早期警告信号を研究してきた。 ^[74]

このようなシグナルがすべてのレジームシフトにどの程度有効か、また早期警告がレジームシフトを回避するための適切な管理修正を行うのに十分な時間を与えるかどうかは不明である。^{[82] [ 4]}さらに、早期警告シグナルは、生態学ではまれな集中的な高品質データシリーズにも依存する。しかし、研究者は湖の生態系におけるレジームシフトを予測するために高品質のデータを使用している。^[83]レジームシフトの指標としての空間パターンの変化も研究対象となっている。^{[30] [84] [85]}

研究のもう一つの最前線は、モデリングへの新しいアプローチの開発です。動的モデル、^{[86] [87]} ベイジアン信念ネットワーク、^[88] フィッシャー情報、^[89]およびファジー認知マップ^[90]は、レジームシフトが起こる可能性のある位相空間を探索し、動的閾値を支配するダイナミクスを理解するためのツールとして使用されてきました。モデルは現実を簡略化したものですが、その限界は実際のシステムに対する現在の理解とモデラーの仮定によって決まります。したがって、起こり得るレジームシフトのダイナミクスを捉えるには、因果関係とフィードバックの強さを深く理解する必要があります。しかし、そのような深い理解は、浅い湖など、よく研究されているシステムでしか得られません。限られた時系列データとシステムダイナミクスの理解という問題に取り組むには、レジームシフトの主な要因を特定し、管理オプションの優先順位付けを可能にする方法の開発が必要です。

その他の新たな研究分野としては、地球システムにおけるレジームシフトの役割、レジームシフト間の連鎖的な影響、社会生態系におけるレジームシフトなどが挙げられます。