En el cerebro, cuando las neuronas envían señales eléctricas a sus vecinas, esto sucede a través de una respuesta de "todo o nada". La señal solo ocurre una vez que las condiciones en la celda superan un cierto umbral.

Ahora, un investigador del MIT ha observado un fenómeno similar en un sistema completamente diferente:el ciclo del carbono de la Tierra.

Daniel Rothman, profesor de geofísica y codirector del Centro Lorenz en el Departamento de Tierra del MIT, Ciencias Atmosféricas y Planetarias, ha descubierto que cuando la velocidad a la que el dióxido de carbono ingresa a los océanos supera un cierto umbral, ya sea como resultado de un estallido repentino o lento, afluencia constante:la Tierra puede responder con una cascada descontrolada de retroalimentación química, conduciendo a una acidificación extrema del océano que amplifica dramáticamente los efectos del disparador original.

Este reflejo global provoca enormes cambios en la cantidad de carbono contenido en los océanos de la Tierra, y los geólogos pueden ver evidencia de estos cambios en capas de sedimentos preservados durante cientos de millones de años.

Rothman examinó estos registros geológicos y observó que durante los últimos 540 millones de años, la reserva de carbono del océano cambió abruptamente, luego se recuperó, decenas de veces de una manera similar a la naturaleza abrupta de un pico neuronal. Esta "excitación" del ciclo del carbono ocurrió de manera más dramática cerca de la época de cuatro de las cinco grandes extinciones masivas en la historia de la Tierra.

Los científicos han atribuido varios desencadenantes a estos eventos, y han asumido que los cambios en el carbono oceánico que siguieron fueron proporcionales al desencadenante inicial, por ejemplo, cuanto más pequeño es el gatillo, cuanto menor sea la secuela ambiental.

Pero Rothman dice que ese no es el caso. No importaba qué causó inicialmente los eventos; aproximadamente la mitad de las interrupciones en su base de datos, una vez que se pusieron en marcha, la velocidad a la que aumentaba el carbono era esencialmente la misma. Es probable que su tasa característica sea una propiedad del ciclo del carbono en sí, no los factores desencadenantes, porque diferentes disparadores operarían a diferentes velocidades.

¿Qué tiene todo esto que ver con nuestro clima moderno? Los océanos de hoy están absorbiendo carbono en un orden de magnitud más rápido que el peor de los casos en el registro geológico:la extinción del final del Pérmico. Pero los humanos solo han estado bombeando dióxido de carbono a la atmósfera durante cientos de años, frente a las decenas de miles de años o más que tardaron las erupciones volcánicas u otras perturbaciones en desencadenar las grandes perturbaciones ambientales del pasado. ¿Podría el aumento moderno de carbono ser demasiado breve para provocar una disrupción importante?

Según Rothman, hoy estamos "al borde de la excitación, "y si ocurre, el pico resultante, como se evidencia a través de la acidificación del océano, extinción de especies, y más, es probable que sea similar a catástrofes globales pasadas.

"Una vez que superamos el umbral, cómo llegamos allí puede que no importe, "dice Rothman, que publica sus resultados esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . "Una vez que lo superes, estás lidiando con cómo funciona la Tierra, y va por su cuenta ".

Una retroalimentación de carbono

En 2017, Rothman hizo una terrible predicción:a finales de este siglo, es probable que el planeta alcance un umbral crítico, basado en la rápida velocidad a la que los humanos agregan dióxido de carbono a la atmósfera. Cuando cruzamos ese umbral, es probable que pongamos en marcha un tren de carga de consecuencias, potencialmente culminando en la sexta extinción masiva de la Tierra.

Desde entonces, Rothman ha tratado de comprender mejor esta predicción, y más en general, la forma en que responde el ciclo del carbono una vez que supera un umbral crítico. En el nuevo periódico, Ha desarrollado un modelo matemático simple para representar el ciclo del carbono en la parte superior del océano de la Tierra y cómo podría comportarse cuando se cruza este umbral.

Los científicos saben que cuando el dióxido de carbono de la atmósfera se disuelve en el agua de mar, no solo hace que los océanos sean más ácidos, pero también disminuye la concentración de iones carbonato. Cuando la concentración de iones carbonato cae por debajo de un umbral, las cáscaras hechas de carbonato de calcio se disuelven. A los organismos que los hacen les va mal en condiciones tan duras.

Conchas además de proteger la vida marina, proporcionar un "efecto de lastre, "sobrecargar a los organismos y permitirles hundirse en el fondo del océano junto con el carbono orgánico detrítico, eliminando eficazmente el dióxido de carbono de la capa superior del océano. Pero en un mundo en el que aumenta el dióxido de carbono, Menos organismos calcificantes deberían significar que se elimina menos dióxido de carbono.

"Es una retroalimentación positiva, "Dice Rothman." Más dióxido de carbono conduce a más dióxido de carbono. La pregunta desde un punto de vista matemático es, ¿Es tal retroalimentación suficiente para hacer que el sistema sea inestable? "

"Un ascenso inexorable"

Rothman capturó esta retroalimentación positiva en su nuevo modelo, que comprende dos ecuaciones diferenciales que describen las interacciones entre los diversos componentes químicos en la capa superior del océano. Luego observó cómo respondió el modelo mientras bombeaba dióxido de carbono adicional al sistema, a diferentes tasas y montos.

Descubrió que no importa la velocidad a la que agregue dióxido de carbono a un sistema ya estable, el ciclo del carbono en la capa superior del océano se mantuvo estable. En respuesta a modestas perturbaciones, el ciclo del carbono se saldría temporalmente de control y experimentaría un breve período de acidificación leve del océano, pero siempre volvería a su estado original en lugar de oscilar hacia un nuevo equilibrio.

Cuando introdujo dióxido de carbono a mayor velocidad, descubrió que una vez que los niveles cruzaban un umbral crítico, el ciclo del carbono reaccionó con una cascada de retroalimentaciones positivas que magnificaron el disparador original, provocando un pico en todo el sistema, en forma de acidificación severa del océano. El sistema lo hizo, finalmente, volver al equilibrio, después de decenas de miles de años en los océanos de hoy, una indicación de que, a pesar de una reacción violenta, el ciclo del carbono reanudará su estado estable.

Este patrón coincide con el registro geológico, Rothman encontró. La tasa característica exhibida por la mitad de su base de datos resulta de las excitaciones anteriores, pero cerca, el umbral. Las perturbaciones ambientales asociadas con la extinción masiva son valores atípicos:representan excitaciones mucho más allá del umbral. Al menos tres de esos casos pueden estar relacionados con vulcanismo masivo sostenido.

"Cuando pasas un umbral, obtienes un tiro libre del sistema que responde solo, "Explica Rothman." El sistema está en un aumento inexorable. Esto es lo que es la excitabilidad y cómo funciona una neurona también ".

Aunque el carbono está entrando hoy en los océanos a un ritmo sin precedentes, lo está haciendo en un período de tiempo geológicamente breve. El modelo de Rothman predice que los dos efectos se cancelan:las tasas más rápidas nos acercan al umbral, pero las duraciones más breves nos alejan. En lo que respecta al umbral, el mundo moderno se encuentra aproximadamente en el mismo lugar en el que estuvo durante períodos más largos de vulcanismo masivo.

En otras palabras, si las emisiones inducidas por el hombre de hoy cruzan el umbral y continúan más allá de él, como Rothman predice que pronto lo harán, las consecuencias pueden ser tan graves como las que experimentó la Tierra durante sus extinciones masivas anteriores.

"Es difícil saber cómo acabarán las cosas teniendo en cuenta lo que está sucediendo hoy, "Dice Rothman." Pero probablemente estemos cerca de un umbral crítico. Cualquier pico alcanzaría su máximo después de aproximadamente 10, 000 años. Con suerte, eso nos dará tiempo para encontrar una solución ".

"Ya sabemos que nuestras acciones de emisión de CO2 tendrán consecuencias durante muchos milenios, "dice Timothy Lenton, profesor de cambio climático y ciencias de los sistemas terrestres en la Universidad de Exeter. "Este estudio sugiere que esas consecuencias podrían ser mucho más dramáticas de lo que se esperaba anteriormente. Si empujamos el sistema de la Tierra demasiado lejos, luego toma el control y determina su propia respuesta; más allá de ese punto, poco podremos hacer al respecto ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.