Nel cervello, quando i neuroni inviano segnali elettrici ai loro vicini, questo avviene attraverso una risposta "tutto o niente". Il segnale si verifica solo quando le condizioni nella cella superano una certa soglia.

Ora un ricercatore del MIT ha osservato un fenomeno simile in un sistema completamente diverso:il ciclo del carbonio terrestre.

Daniel Rothman, professore di geofisica e condirettore del Lorenz Center nel Dipartimento della Terra del MIT, Scienze Atmosferiche e Planetarie, ha scoperto che quando la velocità con cui l'anidride carbonica entra negli oceani supera una certa soglia, sia come risultato di un'esplosione improvvisa o lenta, afflusso costante:la Terra può rispondere con una cascata inarrestabile di feedback chimici, portando a un'estrema acidificazione degli oceani che amplifica drammaticamente gli effetti dell'innesco originale.

Questo riflesso globale provoca enormi cambiamenti nella quantità di carbonio contenuta negli oceani della Terra, e i geologi possono vedere le prove di questi cambiamenti negli strati di sedimenti conservati per centinaia di milioni di anni.

Rothman esaminò queste registrazioni geologiche e osservò che negli ultimi 540 milioni di anni, la riserva di carbonio dell'oceano è cambiata bruscamente, poi recuperato, dozzine di volte in un modo simile alla natura improvvisa di un picco di neuroni. Questa "eccitazione" del ciclo del carbonio si è verificata in modo più drammatico vicino al momento di quattro delle cinque grandi estinzioni di massa nella storia della Terra.

Gli scienziati hanno attribuito vari fattori scatenanti a questi eventi, e hanno ipotizzato che i cambiamenti nel carbonio oceanico che seguirono fossero proporzionali all'innesco iniziale, ad esempio, più piccolo è il grilletto, minore è la ricaduta ambientale.

Ma Rothman dice che non è così. Non importava cosa inizialmente avesse causato gli eventi; per circa la metà delle interruzioni nel suo database, una volta messi in moto, la velocità con cui il carbonio aumentava era essenzialmente la stessa. Il loro tasso caratteristico è probabilmente una proprietà del ciclo del carbonio stesso, non dei fattori scatenanti, perché diversi trigger funzionerebbero a velocità diverse.

Cosa ha a che fare tutto questo con il nostro clima moderno? Gli oceani di oggi stanno assorbendo carbonio di circa un ordine di grandezza più velocemente del caso peggiore nella documentazione geologica:l'estinzione di fine Permiano. Ma gli esseri umani hanno solo pompato anidride carbonica nell'atmosfera per centinaia di anni, rispetto alle decine di migliaia di anni o più impiegate dalle eruzioni vulcaniche o da altri disturbi per innescare i grandi sconvolgimenti ambientali del passato. L'aumento moderno del carbonio potrebbe essere troppo breve per provocare una grande perturbazione?

Secondo Rothman, oggi siamo "al precipizio dell'eccitazione, " e se si verifica, il picco risultante, come evidenziato dall'acidificazione degli oceani, decessi di specie, e altro ancora, è probabile che sia simile alle passate catastrofi globali.

"Una volta superata la soglia, come ci siamo arrivati ​​potrebbe non avere importanza, "dice Rothman, che sta pubblicando i suoi risultati questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . "Una volta superato, hai a che fare con come funziona la Terra, e va per la sua strada."

Un feedback sul carbonio

Nel 2017, Rothman fece una terribile previsione:entro la fine di questo secolo, il pianeta rischia di raggiungere una soglia critica, in base alla velocità con cui gli esseri umani aggiungono anidride carbonica all'atmosfera. Quando varchiamo quella soglia, rischiamo di mettere in moto un treno merci di conseguenze, potenzialmente culminante nella sesta estinzione di massa della Terra.

Da allora Rothman ha cercato di comprendere meglio questa previsione, e più in generale, il modo in cui il ciclo del carbonio risponde una volta superato una soglia critica. Nel nuovo giornale, ha sviluppato un semplice modello matematico per rappresentare il ciclo del carbonio nell'oceano superiore della Terra e come potrebbe comportarsi quando questa soglia viene superata.

Gli scienziati sanno che quando l'anidride carbonica dall'atmosfera si dissolve nell'acqua di mare, non solo rende gli oceani più acidi, ma diminuisce anche la concentrazione di ioni carbonato. Quando la concentrazione di ioni carbonato scende al di sotto di una soglia, i gusci fatti di carbonato di calcio si dissolvono. Gli organismi che li fanno vivere male in condizioni così dure.

conchiglie, oltre a proteggere la vita marina, fornire un "effetto zavorra, " appesantire gli organismi e consentire loro di affondare sul fondo dell'oceano insieme al carbonio organico detritico, rimuovendo efficacemente l'anidride carbonica dall'oceano superiore. Ma in un mondo di anidride carbonica in aumento, un minor numero di organismi calcificanti dovrebbe significare che viene rimossa meno anidride carbonica.

"È un riscontro positivo, " Dice Rothman. "Più anidride carbonica porta a più anidride carbonica. La domanda da un punto di vista matematico è:un tale feedback è sufficiente per rendere instabile il sistema?"

"Un'ascesa inesorabile"

Rothman ha catturato questo feedback positivo nel suo nuovo modello, che comprende due equazioni differenziali che descrivono le interazioni tra i vari costituenti chimici nell'oceano superiore. Ha poi osservato come il modello ha risposto mentre pompava ulteriore anidride carbonica nel sistema, a tariffe e importi diversi.

Scoprì che, indipendentemente dalla velocità con cui aggiungeva anidride carbonica a un sistema già stabile, il ciclo del carbonio nell'oceano superiore è rimasto stabile. In risposta a modeste perturbazioni, il ciclo del carbonio andrebbe temporaneamente fuori controllo e sperimenterebbe un breve periodo di lieve acidificazione degli oceani, ma ritornerebbe sempre al suo stato originale piuttosto che oscillare in un nuovo equilibrio.

Quando ha introdotto l'anidride carbonica a tassi maggiori, ha scoperto che una volta che i livelli hanno superato una soglia critica, il ciclo del carbonio ha reagito con una cascata di feedback positivi che hanno amplificato l'innesco originario, causando il picco dell'intero sistema, sotto forma di grave acidificazione degli oceani. Il sistema ha fatto, infine, tornare all'equilibrio, dopo decine di migliaia di anni negli oceani di oggi, un'indicazione che, nonostante una reazione violenta, il ciclo del carbonio riprenderà il suo stato stazionario.

Questo modello corrisponde al record geologico, Rothman trovato. Il tasso caratteristico mostrato da metà del suo database risulta dalle eccitazioni di cui sopra, ma vicino, la soglia. Le perturbazioni ambientali associate all'estinzione di massa sono valori anomali:rappresentano eccitazioni ben oltre la soglia. Almeno tre di questi casi potrebbero essere correlati a un massiccio vulcanismo sostenuto.

"Quando oltrepassi una soglia, ricevi un calcio di punizione dal sistema che risponde da solo, " Spiega Rothman. "Il sistema è su un aumento inesorabile. Ecco cos'è l'eccitabilità, e anche come funziona un neurone."

Sebbene il carbonio stia entrando oggi negli oceani a un ritmo senza precedenti, lo sta facendo in un tempo geologicamente breve. Il modello di Rothman prevede che i due effetti si annullino:tassi più veloci ci avvicinano alla soglia, ma durate più brevi ci allontanano. Per quanto riguarda la soglia, il mondo moderno è più o meno nello stesso posto in cui si trovava durante periodi più lunghi di massiccio vulcanismo.

In altre parole, se le emissioni antropiche di oggi superano la soglia e continuano oltre, come Rothman prevede che presto lo faranno, le conseguenze potrebbero essere gravi quanto quelle che la Terra ha sperimentato durante le sue precedenti estinzioni di massa.

"Difficile sapere come andranno a finire le cose visto quello che sta succedendo oggi, " dice Rothman. "Ma probabilmente siamo vicini a una soglia critica. Qualsiasi picco raggiungerebbe il suo massimo dopo circa 10, 000 anni. Speriamo che questo ci dia il tempo di trovare una soluzione".

"Sappiamo già che le nostre azioni che emettono CO2 avranno conseguenze per molti millenni, "dice Timothy Lenton, professore di scienze del cambiamento climatico e dei sistemi terrestri all'Università di Exeter. "Questo studio suggerisce che queste conseguenze potrebbero essere molto più drammatiche di quanto previsto in precedenza. Se spingiamo troppo il sistema Terra, poi prende il sopravvento e determina la propria risposta:passato quel punto ci sarà poco che possiamo fare al riguardo."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.