Overskridelse af en kulstoftærskel kan føre til masseudryddelse

I hjernen, når neuroner affyrer elektriske signaler til deres naboer, dette sker gennem et "alt-eller-ingen"-svar. Signalet sker kun, når forholdene i cellen overskrider en vis tærskel.

Nu har en MIT-forsker observeret et lignende fænomen i et helt andet system:Jordens kulstofkredsløb.

Daniel Rothman, professor i geofysik og meddirektør for Lorenz Center i MIT's Department of Earth, Atmosfæriske og planetariske videnskaber, har fundet ud af, at når den hastighed, hvormed kuldioxid trænger ind i havene, skubber forbi en vis tærskel - hvad enten det er som følge af et pludseligt udbrud eller en langsom, konstant tilstrømning - Jorden kan reagere med en løbsk kaskade af kemisk feedback, fører til ekstrem havforsuring, der dramatisk forstærker virkningerne af den oprindelige trigger.

Denne globale refleks forårsager enorme ændringer i mængden af ​​kulstof indeholdt i jordens oceaner, og geologer kan se beviser for disse ændringer i lag af sedimenter bevaret over hundreder af millioner af år.

Rothman kiggede disse geologiske optegnelser igennem og observerede, at i løbet af de sidste 540 millioner år, havets lager af kulstof ændrede sig brat, så kom sig, snesevis af gange på en måde, der ligner den pludselige natur af en neuronspids. Denne "excitation" af kulstofkredsløbet skete mest dramatisk nær tidspunktet for fire af de fem store masseudryddelser i Jordens historie.

Forskere har tilskrevet forskellige udløsere til disse begivenheder, og de har antaget, at ændringerne i havets kulstof, der fulgte, var proportionale med den oprindelige trigger - f.eks. jo mindre udløser, jo mindre miljømæssigt nedfald.

Men Rothman siger, at det ikke er tilfældet. Det var lige meget, hvad der oprindeligt forårsagede begivenhederne; for omkring halvdelen af ​​forstyrrelserne i hans database, da de først blev sat i gang, hastigheden, hvormed kulstof steg, var stort set den samme. Deres karakteristiske hastighed er sandsynligvis en egenskab ved selve kulstofkredsløbet - ikke udløserne, fordi forskellige triggere ville fungere med forskellige hastigheder.

Hvad har det hele at gøre med vores moderne klima? Nutidens oceaner absorberer kulstof omkring en størrelsesorden hurtigere end det værste tilfælde i den geologiske optegnelse - endeudryddelsen af ​​Perm. Men mennesker har kun pumpet kuldioxid ud i atmosfæren i hundreder af år, versus de titusinder af år eller mere, det tog for vulkanudbrud eller andre forstyrrelser at udløse fortidens store miljøforstyrrelser. Kan den moderne stigning i kulstof være for kort til at forårsage en større forstyrrelse?

Ifølge Rothman, i dag er vi "på afgrunden af ​​excitation, "og hvis det sker, den resulterende spids – som det fremgår af havforsuring, arter dør-off, og mere – vil sandsynligvis ligne tidligere globale katastrofer.

"Når vi er over tærsklen, hvordan vi kom dertil er måske lige meget, " siger Rothman, der offentliggør sine resultater i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences . "Når du kommer over det, du beskæftiger dig med, hvordan Jorden fungerer, og den kører sin egen tur."

En carbon feedback

I 2017 Rothman kom med en dyster forudsigelse:Ved udgangen af ​​dette århundrede, planeten vil sandsynligvis nå en kritisk tærskel, baseret på den hurtige hastighed, hvormed mennesker tilfører kuldioxid til atmosfæren. Når vi krydser den tærskel, vi vil sandsynligvis sætte gang i et godstog af konsekvenser, potentielt kulminerende med Jordens sjette masseudryddelse.

Rothman har siden forsøgt at forstå denne forudsigelse bedre, og mere generelt, den måde, hvorpå kulstofkredsløbet reagerer, når det er skubbet forbi en kritisk tærskel. I det nye blad, han har udviklet en simpel matematisk model til at repræsentere kulstofkredsløbet i Jordens øvre ocean, og hvordan det kan opføre sig, når denne tærskel overskrides.

Forskere ved, at når kuldioxid fra atmosfæren opløses i havvand, det gør ikke kun havene mere sure, men det mindsker også koncentrationen af ​​carbonationer. Når carbonationkoncentrationen falder under en tærskel, skaller lavet af calciumcarbonat opløses. Organismer, der får dem til at klare sig dårligt under så barske forhold.

skaller, ud over at beskytte livet i havet, give en "ballasteffekt, "vejer organismer ned og sætter dem i stand til at synke til havbunden sammen med skadeligt organisk kulstof, effektivt fjerner kuldioxid fra det øvre hav. Men i en verden med stigende kuldioxid, færre forkalkende organismer skulle betyde, at mindre kuldioxid fjernes.

"Det er en positiv tilbagemelding, " siger Rothman. "Mere kuldioxid fører til mere kuldioxid. Spørgsmålet fra et matematisk synspunkt er, er sådan en feedback nok til at gøre systemet ustabilt?"

"En ubønhørlig stigning"

Rothman fangede denne positive feedback i sin nye model, som omfatter to differentialligninger, der beskriver vekselvirkninger mellem de forskellige kemiske bestanddele i det øvre hav. Han observerede derefter, hvordan modellen reagerede, da han pumpede yderligere kuldioxid ind i systemet, til forskellige satser og beløb.

Han fandt ud af, at uanset den hastighed, hvormed han tilføjede kuldioxid til et allerede stabilt system, kulstofkredsløbet i det øvre hav forblev stabilt. Som svar på beskedne forstyrrelser, kulstofkredsløbet ville gå midlertidigt ud af stilstand og opleve en kort periode med mild havforsuring, men det ville altid vende tilbage til sin oprindelige tilstand i stedet for at svinge ind i en ny ligevægt.

Da han introducerede kuldioxid i højere hastigheder, han fandt ud af, at når niveauerne krydsede en kritisk tærskel, kulstofkredsløbet reagerede med en kaskade af positive tilbagekoblinger, der forstørrede den oprindelige udløser, får hele systemet til at stige, i form af kraftig havforsuring. Systemet gjorde, til sidst, tilbage til ligevægt, efter titusinder af år i nutidens oceaner - en indikation af, at trods en voldsom reaktion, kulstofkredsløbet vil genoptage sin stabile tilstand.

Dette mønster matcher den geologiske rekord, Rothman fundet. Den karakteristiske hastighed, der udvises af halvdelen af ​​hans database, stammer fra excitationer ovenfor, men tæt på, tærsklen. Miljøforstyrrelser forbundet med masseudryddelse er afvigere - de repræsenterer excitationer langt ud over tærsklen. Mindst tre af disse tilfælde kan være relateret til vedvarende massiv vulkanisme.

"Når du går forbi en tærskel, du får et frispark fra systemet, der svarer af sig selv, " Rothman forklarer. "Systemet er i en ubønhørlig stigning. Dette er hvad excitabilitet er, og hvordan en neuron også fungerer."

Selvom kulstof kommer ud i havene i dag med en hidtil uset hastighed, det gør det over en geologisk kort tid. Rothmans model forudsiger, at de to effekter ophæver:Hurtigere rater bringer os tættere på tærsklen, men kortere varighed flytter os væk. For så vidt angår tærsklen, den moderne verden er nogenlunde det samme sted, som den var under længere perioder med massiv vulkanisme.

Med andre ord, hvis nutidens menneskeskabte emissioner krydser tærsklen og fortsætter ud over den, som Rothman forudsiger, at de snart vil, konsekvenserne kan være lige så alvorlige som det, Jorden oplevede under sine tidligere masseudryddelser.

"Det er svært at vide, hvordan tingene ender i betragtning af, hvad der sker i dag, " siger Rothman. "Men vi er nok tæt på en kritisk tærskel. Enhver spids ville nå sit maksimum efter omkring 10, 000 år. Forhåbentlig vil det give os tid til at finde en løsning."

"Vi ved allerede, at vores CO2-emitterende handlinger vil have konsekvenser i mange årtusinder, " siger Timothy Lenton, professor i klimaforandringer og jordsystemvidenskab ved University of Exeter. "Denne undersøgelse tyder på, at disse konsekvenser kan være meget mere dramatiske end tidligere forventet. Hvis vi skubber jordsystemet for langt, så tager den over og bestemmer sin egen reaktion - efter det tidspunkt vil der være lidt, vi kan gøre ved det."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.