В мозгу, когда нейроны посылают электрические сигналы своим соседям, это происходит посредством реакции «все или ничего». Сигнал возникает только тогда, когда условия в ячейке превышают определенный порог.
Теперь исследователь Массачусетского технологического института наблюдал подобное явление в совершенно другой системе: земной углеродный цикл.
Дэниел Ротман, профессор геофизики и соруководитель Центра Лоренца на факультете наук о Земле, атмосфере и планетах Массачусетского технологического института, обнаружил, что когда скорость поступления углекислого газа в океан превышает определенный порог, в результате внезапного выброса или медленного, устойчивого притока Земля может отреагировать безудержным каскадом химических обратных связей, что приведет к экстремальному закислению океана, что резко усилит эффекты первоначального триггера.
Этот глобальный рефлекс вызывает огромные изменения в количестве углерода, содержащегося в океанах Земли, и геологи могут видеть доказательства этих изменений в слоях отложений, сохранившихся за сотни миллионов лет.
Ротман просмотрел эти геологические записи и заметил, что за последние 540 миллионов лет запасы углерода в океане резко менялись, а затем восстанавливались десятки раз, подобно внезапной природе нейронного спайка. Это «возбуждение» углеродного цикла наиболее резко произошло незадолго до четырех из пяти крупнейших массовых вымираний в истории Земли.
Ученые приписали этим событиям различные триггеры, и они предположили, что последовавшие за этим изменения в углероде в океане были пропорциональны первоначальному триггеру - например, чем меньше триггер, тем меньше экологические осадки.
Но Ротман говорит, что это не так. Неважно, что изначально вызвало события; примерно для половины сбоев в его базе данных, как только они приводились в действие, скорость, с которой углерод увеличивался, была практически одинаковой. Их характерная скорость, вероятно, является свойством самого углеродного цикла, а не триггеров, потому что разные триггеры будут работать с разной скоростью.
Какое отношение все это имеет к нашему современному климату? Сегодняшние океаны поглощают углерод примерно на порядок быстрее, чем самый худший случай в геологической летописи - вымирание в конце пермского периода. Но люди выбрасывают углекислый газ в атмосферу только сотни лет, в то время как извержения вулканов или другие возмущения понадобились десятки тысяч лет или больше, чтобы вызвать большие экологические нарушения прошлого. Может ли современное увеличение количества углерода быть слишком кратковременным, чтобы вызвать серьезные изменения?
По словам Ротмана, сегодня мы находимся «на грани возбуждения», и если это произойдет, результирующий всплеск - о чем свидетельствует закисление океана, вымирание видов и многое другое - вероятно, будет похож на прошлый глобальные катастрофы.
«Как только мы перешагнули порог, то, как мы туда попали, может не иметь значения», - говорит Ротман, который публикует свои результаты на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences.«Как только вы преодолеете это, вы будете иметь дело с тем, как устроена Земля, и она движется сама по себе».
Углеродная обратная связь
В 2017 году Ротман сделал ужасный прогноз: к концу этого века планета, вероятно, достигнет критического порога, исходя из высокой скорости, с которой люди добавляют углекислый газ в атмосферу. Когда мы перешагнем этот порог, мы, скорее всего, приведем в движение грузовой поезд последствий, кульминацией которых может стать шестое массовое вымирание Земли.
С тех пор Ротман стремился лучше понять это предсказание и, в более общем плане, то, как реагирует углеродный цикл, когда он превышает критический порог. В новой статье он разработал простую математическую модель для представления углеродного цикла в верхних слоях океана Земли и того, как он может вести себя при пересечении этого порога.
Ученым известно, что когда углекислый газ из атмосферы растворяется в морской воде, это не только делает океаны более кислыми, но и снижает концентрацию ионов карбоната. Когда концентрация ионов карбоната падает ниже порога, раковины из карбоната кальция растворяются. Организмы, из-за которых они плохо себя чувствуют в таких суровых условиях.
Ракушки, помимо защиты морской жизни, обеспечивают «эффект балласта», утяжеляя организмы и позволяя им опускаться на дно океана вместе с обломочным органическим углеродом, эффективно удаляя углекислый газ из верхних слоев океана. Но в мире с увеличением количества углекислого газа меньшее количество кальцифицирующих организмов должно означать, что меньше углекислого газа удаляется.
«Это положительный отзыв, - говорит Ротман. «Больше углекислого газа приводит к большему количеству углекислого газа. Вопрос с математической точки зрения заключается в том, достаточно ли такой обратной связи, чтобы сделать систему нестабильной?»
Неумолимый взлет
Ротман уловил эту положительную обратную связь в своей новой модели, которая состоит из двух дифференциальных уравнений, описывающих взаимодействие между различными химическими составляющими в верхних слоях океана. Затем он наблюдал, как модель реагировала, когда он закачивал в систему дополнительное количество углекислого газа с разной скоростью и в разных количествах.
Он обнаружил, что независимо от скорости, с которой он добавлял углекислый газ в уже стабильную систему, круговорот углерода в верхних слоях океана оставался стабильным. В ответ на незначительные возмущения круговорот углерода временно выйдет из строя и испытает краткий период умеренного закисления океана, но он всегда будет возвращаться к своему исходному состоянию, а не колебаться в новом равновесии.
Когда он вводил углекислый газ с большей скоростью, он обнаружил, что как только уровни пересекли критический порог, углеродный цикл отреагировал каскадом положительных обратных связей, которые усилили первоначальный триггер, заставив всю систему всплеснуть, в форма сильного закисления океана. Система, в конце концов, вернулась к равновесию после десятков тысяч лет в современных океанах - признак того, что, несмотря на бурную реакцию, углеродный цикл возобновит свое устойчивое состояние.
Эта закономерность соответствует геологической летописи, как обнаружил Ротман. Характерная скорость, демонстрируемая половиной его базы данных, является результатом возбуждения выше порога, но близко к нему. Нарушения окружающей среды, связанные с массовым вымиранием, являются исключениями - они представляют собой возбуждения, выходящие далеко за порог. По крайней мере три из этих случаев могут быть связаны с устойчивым массивным вулканизмом.
«Когда вы преодолеваете порог, вы получаете штрафной удар, когда система отвечает сама», - объясняет Ротман. «Система находится на неумолимом подъеме. Это и есть возбудимость, и то, как работает нейрон».
Хотя сегодня углерод поступает в океаны с беспрецедентной скоростью, он делает это в геологически короткое время. Модель Ротмана предсказывает, что два эффекта компенсируются: более высокая скорость приближает нас к порогу, а более короткая продолжительность отдаляет нас. Что касается порога, современный мир находится примерно в том же месте, что и во время более длительных периодов массивного вулканизма.
Другими словами, если сегодняшние антропогенные выбросы превысят порог и продолжатся за его пределами, как предсказывает Ротман, последствия могут быть столь же серьезными, как и то, что Земля испытала во время предыдущих массовых вымираний.
«Трудно предсказать, чем все закончится, учитывая то, что происходит сегодня», - говорит Ротман. «Но мы, вероятно, близки к критическому порогу. Любой всплеск достигнет своего максимума примерно через 10 000 лет. Надеюсь, это даст нам время найти решение».