在大脑中,当神经元向它们的邻居发出电信号时,这是通过一种“全有或全无”的反应发生的。信号只在细胞条件突破某个阈值时发生。

现在,麻省理工学院的一名研究人员在一个完全不同的系统中发现了类似的现象:地球的碳循环。

地球物理学教授丹尼尔·罗斯曼和洛伦兹中心主任在麻省理工学院的地球大气和行星科学,已经发现,当二氧化碳进入海洋的速度推过去某一阈值,是否由于突然破裂或缓慢、稳定的涌入,地球可能的失控的级联反应化学反馈,导致极端海洋酸化,极大地放大了最初的触发效果。

这种全球反射导致了地球海洋中碳含量的巨大变化,地质学家可以在保存了数亿年的沉积层中看到这些变化的证据。

罗斯曼通过这些地质记录观察到,在过去的5.4亿年里,海洋中的碳储量发生了突然的变化,然后又恢复了,这种变化发生了几十次,其过程类似于神经元突增的过程。这种碳循环的“兴奋”发生在地球历史上五次大灭绝中的四次发生的时候。

科学家们将这些事件归因于各种各样的诱因,他们假设,随之而来的海洋碳的变化与最初的诱因成正比——例如,诱因越小,对环境的影响就越小。

但罗斯曼说情况并非如此。最初导致这些事件的原因并不重要;他的数据库中大约有一半的中断,一旦启动,碳的增长速度基本上是相同的。它们的特征速率很可能是碳循环本身的特性,而不是触发因素,因为不同的触发因素会以不同的速率运行。

这一切与我们现代的气候有什么关系?今天的海洋吸收碳的速度比地质记录中最糟糕的情况——二叠纪末大灭绝——要快一个数量级。但人类向大气中排放二氧化碳的历史只有几百年,而过去火山爆发或其他骚乱引发的环境大破坏则需要数万年甚至更长时间。现代碳排放的增加是否太过短暂,不足以引发重大破坏?

根据Rothman的说法,今天我们正处于“兴奋的边缘”,如果它发生了,由此产生的峰值——通过海洋酸化、物种灭绝等证明——很可能与过去的全球灾难类似。

罗斯曼说:“一旦我们跨过了这个门槛,我们如何达到这个目标可能就不重要了。”他的研究结果将于本周发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上。“一旦你克服了它,你就在处理地球是如何运作的,它就会继续自己的旅程。”

一个碳的反馈

2017年,罗斯曼做出了一个可怕的预测:根据人类向大气中添加二氧化碳的速度,到本世纪末,地球可能会达到一个临界阈值。当我们跨过这个门槛时,我们很可能启动一列后果的货运列车,最终可能导致地球第六次大规模灭绝。

自那以后,罗斯曼一直试图更好地理解这一预测,更广泛地理解碳循环一旦超过临界阈值时的反应方式。在这篇新论文中,他开发了一个简单的数学模型来表示地球上层海洋的碳循环,以及当碳循环超过这个阈值时,它可能会如何表现。

科学家们知道,当大气中的二氧化碳溶解在海水中时,它不仅使海洋酸化,而且还降低了碳酸盐离子的浓度。当碳酸盐离子浓度低于阈值时,碳酸钙壳就会溶解。使它们在如此恶劣的条件下生存很差的生物体。

贝壳,除了保护海洋生物,还提供了一种“压载效应”,使生物体重量下降,并使它们能够与碎屑有机碳一起沉入海底,有效地从上层海洋清除二氧化碳。但是在一个二氧化碳不断增加的世界里,更少的钙化生物应该意味着更少的二氧化碳被去除。

“这是一个积极的反馈,”罗斯曼说。“更多的二氧化碳导致更多的二氧化碳。从数学的角度来看,问题是,这样的反馈是否足以使系统变得不稳定?”

“一个不可阻挡的崛起”

罗斯曼在他的新模型中捕捉到了这种正反馈,该模型由两个微分方程组成,描述了上层海洋中各种化学成分之间的相互作用。然后,他观察当他以不同的速度和数量向系统注入额外的二氧化碳时,模型是如何反应的。

他发现,无论他以何种速度向一个已经稳定的系统中添加二氧化碳,上层海洋的碳循环都保持稳定。在适当的扰动下,碳循环会暂时失去平衡,经历短暂的温和海洋酸化,但它总是会回到原来的状态,而不是振荡到新的平衡状态。

当他以更高的速度引入二氧化碳时,他发现,一旦二氧化碳浓度超过一个临界阈值,碳循环就会产生一系列积极的反馈,放大最初的触发因素,导致整个系统以海洋严重酸化的形式激增。在今天的海洋中生活了数万年后,这个系统最终恢复了平衡——这表明,尽管发生了剧烈的反应,碳循环将恢复稳定状态。

罗斯曼发现,这种模式与地质记录相符。他的数据库中有一半的结果显示的特征速率来自于阈值以上但接近阈值的激励。与大规模灭绝相关的环境破坏是异常值——它们代表了远远超出阈值的刺激。其中至少有三例可能与持续的大规模火山活动有关。

罗斯曼解释说:“当你越过一个临界值时,你会得到一个来自系统自身反应的任意球。”“这个体系正在不可阻挡地崛起。这就是兴奋性,也是神经元的工作原理。”

尽管今天碳正以前所未有的速度进入海洋,但它是在很短的地质时间内进入海洋的。罗斯曼的模型预测,这两种效应相互抵消:更快的利率使我们更接近临界值,但更短的期限使我们远离临界值。就这一临界值而言,现代世界与较长时期大规模火山活动时期大致相同。

换句话说,如果今天人类排放的温室气体超过了临界值,并像罗斯曼预测的那样继续超过临界值,其后果可能会和地球在之前的大规模灭绝中所经历的一样严重。

罗斯曼说:“考虑到今天发生的事情,很难知道事情最终会如何发展。”“但我们可能已经接近一个临界阈值。任何峰值都将在大约1万年后达到峰值。希望这能给我们时间找到解决方案。”

埃克塞特大学气候变化与地球系统科学教授蒂莫西·莱顿说:“我们已经知道,我们排放二氧化碳的行为将会对未来数千年产生影响。”这项研究表明,这些后果可能比之前预期的要严重得多。如果我们把地球系统推得太远,那么它就会接管并决定自己的反应——超过那个点,我们就无能为力了。”

这项研究在一定程度上得到了NASA和美国国家科学基金会的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/carbon-threshold-mass-extinction-0708