In de hersenen, wanneer neuronen elektrische signalen afvuren naar hun buren, dit gebeurt via een "alles-of-niets"-reactie. Het signaal gebeurt alleen als de omstandigheden in de cel een bepaalde drempel overschrijden.

Nu heeft een MIT-onderzoeker een soortgelijk fenomeen waargenomen in een heel ander systeem:de koolstofcyclus van de aarde.

Daniël Rothman, hoogleraar geofysica en co-directeur van het Lorenz Center in MIT's Department of Earth, Atmosferische en Planetaire Wetenschappen, heeft ontdekt dat wanneer de snelheid waarmee koolstofdioxide de oceanen binnenkomt een bepaalde drempel overschrijdt, hetzij als gevolg van een plotselinge uitbarsting of een langzame, gestage instroom - de aarde kan reageren met een op hol geslagen cascade van chemische feedbacks, wat leidt tot extreme verzuring van de oceaan die de effecten van de oorspronkelijke trigger dramatisch versterkt.

Deze wereldwijde reflex veroorzaakt enorme veranderingen in de hoeveelheid koolstof in de oceanen van de aarde, en geologen kunnen bewijs zien van deze veranderingen in sedimentlagen die gedurende honderden miljoenen jaren bewaard zijn gebleven.

Rothman keek door deze geologische archieven en merkte op dat gedurende de laatste 540 miljoen jaar, de koolstofopslag in de oceaan veranderde abrupt, dan hersteld, tientallen keren op een manier die lijkt op de abrupte aard van een neuronpiek. Deze "opwinding" van de koolstofcyclus vond het meest dramatisch plaats rond de tijd van vier van de vijf grote massa-extincties in de geschiedenis van de aarde.

Wetenschappers hebben verschillende triggers toegeschreven aan deze gebeurtenissen, en ze hebben aangenomen dat de veranderingen in oceaankoolstof die daarop volgden evenredig waren met de initiële trigger, bijvoorbeeld, hoe kleiner de trigger, hoe kleiner de gevolgen voor het milieu.

Maar Rothman zegt dat dat niet het geval is. Het maakte niet uit wat de gebeurtenissen in eerste instantie veroorzaakte; voor ongeveer de helft van de storingen in zijn database, toen ze eenmaal in beweging waren, de snelheid waarmee koolstof toenam was in wezen hetzelfde. Hun karakteristieke snelheid is waarschijnlijk een eigenschap van de koolstofcyclus zelf - niet de triggers, omdat verschillende triggers met verschillende snelheden zouden werken.

Wat heeft dit allemaal te maken met ons hedendaagse klimaat? De oceanen van vandaag absorberen koolstof ongeveer een orde van grootte sneller dan het ergste geval in het geologische record - het uitsterven aan het einde van het Perm. Maar de mens pompt pas sinds honderden jaren koolstofdioxide in de atmosfeer, versus de tienduizenden jaren of meer die nodig waren voordat vulkaanuitbarstingen of andere verstoringen de grote milieuverstoringen uit het verleden veroorzaakten. Zou de moderne toename van koolstof te kort kunnen zijn om een ​​grote verstoring te veroorzaken?

Volgens Rothman, vandaag zijn we "op de afgrond van opwinding, "en als het gebeurt, de resulterende piek - zoals blijkt uit de verzuring van de oceaan, soorten uitsterven, en meer - zal waarschijnlijk vergelijkbaar zijn met eerdere wereldwijde catastrofes.

"Als we eenmaal over de drempel zijn, hoe we daar zijn gekomen doet er misschien niet toe, " zegt Rothman, wie publiceert zijn resultaten deze week in de Proceedings van de National Academy of Sciences . "Als je er eenmaal overheen bent, je hebt te maken met hoe de aarde werkt, en het gaat op zijn eigen rit."

Een koolstoffeedback

in 2017, Rothman deed een verschrikkelijke voorspelling:tegen het einde van deze eeuw, de planeet zal waarschijnlijk een kritische drempel bereiken, gebaseerd op de hoge snelheid waarmee mensen koolstofdioxide aan de atmosfeer toevoegen. Als we die drempel overschrijden, we zullen waarschijnlijk een goederentrein met gevolgen in beweging zetten, mogelijk culminerend in de zesde massa-extinctie van de aarde.

Rothman heeft sindsdien geprobeerd deze voorspelling beter te begrijpen, en meer in het algemeen, de manier waarop de koolstofcyclus reageert zodra deze voorbij een kritische drempel is geduwd. In de nieuwe krant hij heeft een eenvoudig wiskundig model ontwikkeld om de koolstofcyclus in de bovenste oceaan van de aarde weer te geven en hoe deze zich zou kunnen gedragen wanneer deze drempel wordt overschreden.

Wetenschappers weten dat wanneer koolstofdioxide uit de atmosfeer oplost in zeewater, het maakt de oceanen niet alleen zuurder, maar het verlaagt ook de concentratie van carbonaationen. Wanneer de carbonaationenconcentratie onder een drempel daalt, schelpen van calciumcarbonaat lossen op. Organismen die ervoor zorgen dat ze het slecht doen in zulke barre omstandigheden.

schelpen, naast het beschermen van het zeeleven, zorgen voor een "ballasteffect, " om organismen te verzwaren en ze in staat te stellen naar de oceaanbodem te zinken, samen met organische afvalstof, effectief verwijderen van kooldioxide uit de bovenste oceaan. Maar in een wereld van toenemende kooldioxide, minder verkalkende organismen zouden moeten betekenen dat er minder koolstofdioxide wordt verwijderd.

"Het is een positieve feedback, " zegt Rothman. "Meer kooldioxide leidt tot meer kooldioxide. De vraag vanuit een wiskundig oogpunt is, is zo'n feedback voldoende om het systeem onstabiel te maken?"

"Een onverbiddelijke stijging"

Rothman legde deze positieve feedback vast in zijn nieuwe model, die twee differentiaalvergelijkingen omvat die interacties beschrijven tussen de verschillende chemische bestanddelen in de bovenste oceaan. Vervolgens observeerde hij hoe het model reageerde toen hij extra kooldioxide in het systeem pompte, tegen verschillende tarieven en bedragen.

Hij ontdekte dat ongeacht de snelheid waarmee hij kooldioxide aan een toch al stabiel systeem toevoegde, de koolstofcyclus in de bovenste oceaan bleef stabiel. Als reactie op bescheiden verstoringen, de koolstofcyclus zou tijdelijk uit balans raken en een korte periode van milde verzuring van de oceaan ervaren, maar het zou altijd terugkeren naar zijn oorspronkelijke staat in plaats van te oscilleren in een nieuw evenwicht.

Toen hij kooldioxide met grotere snelheden introduceerde, hij ontdekte dat zodra de niveaus een kritische drempel overschreden, de koolstofcyclus reageerde met een cascade van positieve terugkoppelingen die de oorspronkelijke trigger vergrootten, waardoor het hele systeem piekt, in de vorm van ernstige oceaanverzuring. Het systeem deed eventueel, terugkeren naar evenwicht, na tienduizenden jaren in de oceanen van vandaag - een indicatie dat, ondanks een heftige reactie, de koolstofcyclus zal zijn stabiele toestand hervatten.

Dit patroon komt overeen met het geologische record, Rothman gevonden. De karakteristieke snelheid die de helft van zijn database vertoont, is het resultaat van bovenstaande opwinding, maar dichtbij, de drempel. Milieuverstoringen die samenhangen met massale uitsterving zijn uitschieters - ze vertegenwoordigen excitaties die ver boven de drempel liggen. Ten minste drie van die gevallen kunnen verband houden met aanhoudend massief vulkanisme.

"Als je een drempel overschrijdt, je krijgt een vrije trap van het systeem dat vanzelf reageert, Rothman legt uit. "Het systeem is in een onverbiddelijke opmars. Dit is wat prikkelbaarheid is, en hoe een neuron ook werkt."

Hoewel koolstof tegenwoordig in een ongekend tempo de oceanen binnendringt, het doet dit over een geologisch korte tijd. Het model van Rothman voorspelt dat de twee effecten opheffen:hogere tarieven brengen ons dichter bij de drempel, maar kortere looptijden brengen ons weg. Wat de drempel betreft, de moderne wereld bevindt zich ongeveer op dezelfde plaats als tijdens langere perioden van massaal vulkanisme.

Met andere woorden, als de door de mens veroorzaakte emissies van vandaag de drempel overschrijden en verder gaan, zoals Rothman voorspelt dat ze dat binnenkort zullen doen, de gevolgen kunnen net zo ernstig zijn als wat de aarde ervoer tijdens haar eerdere massale uitstervingen.

"Het is moeilijk om te weten hoe de dingen zullen eindigen, gezien wat er vandaag gebeurt, ', zegt Rothman. 'Maar we zitten waarschijnlijk dicht bij een kritieke drempel. Elke piek zou zijn maximum bereiken na ongeveer 10, 000 jaar. Hopelijk geeft dat ons de tijd om een ​​oplossing te vinden."

"We weten al dat onze CO2-uitstotende acties vele millennia lang gevolgen zullen hebben, " zegt Timothy Lenton, hoogleraar klimaatverandering en aardsysteemwetenschap aan de Universiteit van Exeter. "Deze studie suggereert dat die gevolgen veel dramatischer kunnen zijn dan eerder werd verwacht. Als we het aardsysteem te ver duwen, dan neemt het het over en bepaalt het zijn eigen reactie - voorbij dat punt zullen we er weinig aan kunnen doen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.