اعتبار: دامنه عمومی CC0
در مغز، زمانی که نورون ها سیگنال های الکتریکی را به همسایگان خود شلیک می کنند، این امر از طریق یک پاسخ "همه یا هیچ" رخ می دهد. سیگنال، تنها زمانی اتفاق می افتد که شرایط در سلول یک آستانه خاص را بشکافد.
اکنون یک محقق MIT پدیده مشابهی را در یک سیستم کاملا متفاوت مشاهده کرده است: چرخه کربن زمین.
دانیل روتمن، استاد ژئوفیزیک و همکار مدیر اجرایی مرکز لورنز در بخش زمین، علوم جوی و سیاره ای دانشگاه MIT، دریافته است که وقتی نرخی که دی اکسید کربن وارد اقیانوس ها می شود، از یک آستانه مشخص رد شود - چه در نتیجه یک انفجار ناگهانی یا یک نفوذ آهسته و پایدار – زمین ممکن است با یک آبشار افسار گسیخته از بازخورد های شیمیایی پاسخ دهد، که منجر به اسیدی شدن شدید اقیانوس می شود که به طور چشمگیری تأثیرات ماشه کشی اصلی را تقویت می کند.
این واکنش جهانی موجب تغییرات زیادی در مقدار کربن موجود در اقیانوس های زمین می شود و زمین شناسان می توانند شواهدی از این تغییرات را در لایه های رسوبی که متجاوز از صدها میلیون سال نگه داشته شده اند، ببینند.
روتمن به داخل این ثبت های زمین شناسانه نگاه کرد و مشاهده کرد که در طول 540 میلیون سال گذشته، ذخیره کربنی اقیانوس ها به طور ناگهانی تغییر یافته و پس از آن ده ها بار در روشی مشابه با ماهیت ناگهانی یک میخ نورونی بازیابی شده است. این "تحریک" چرخه کربنی به چشمگیرترین صورت در نزدیکی زمان چهار تا از پنج انقراض جمعی بزرگ در تاریخ زمین اتفاق افتاده است.
دانشمندان عوامل مختلفی را به شروع این حوادث نسبت داده اند و فرض بر این است که تغییرات در کربن اقیانوس که به دنبال آمد، متناسب با شروع کننده اولیه بوده است؛ به عنوان مثال، هرچه ماشه کشی اولیه کوچک تر بود سقوط شرایط محیطی نیز کوچکتر بود.
اما روتمن می گوید اینگونه نیست. مهم نیست که چه چیزی ابتدائاً حوادث را ایجاد کرد؛ برای تقریبا نیمی از انقطاع ها در پایگاه داده او، هنگامی که آنها در حرکت قرارداده شدند، سرعتی که در آن کربن افزایش می یافت اساساً یکسان بود. نرخ مشخصه آنها احتمالا یک ویژگی از خود چرخه کربن است - نه شروع کننده ها، چرا که شروع کننده های مختلف در سرعت های متفاوت عمل می کنند.
این همه با آب و هوای روزگار مدرن ما چه دارد بکند؟ اقیانوس های امروز کربن را در مقیاسی تقریباً سریعتر از بدترین حالت در رکورد زمین شناسی - انتهای انقراض پرمین - جذب می کنند. اما انسانها تنها برای صدها سال در حال پمپ دی اکسید کربن به جو بوده اند، و این در مقابل ده ها هزار سال یا بیشتر است که برای فوران‌های آتشفشانی و یا سایر اختلالاتی که موجب بروز انقطاع های زیست محیطی در گذشته شده اند طول کشیده است. آیا ممکن است افزایش مدرن کربن برای تحریک یک انقطاع عمده، بیش از حد کوتاه باشد؟
بر طبق نظر روتمن، امروز ما "در پرتگاه تحریک" هستیم و اگر این اتفاق بیفتد، افزایش‌های ناگهانی ناشی از آن – چنان که اسیدی شدن اقیانوس، از بین رفتن گونه ها و مواردی بیشتر گواه آن خواهد بود - به احتمال زیاد مشابه وقایع فاجعه بار جهانی گذشته خواهد بود.
روتمن که این نتایج را در شرح مذاکرات آکادمی ملی علوم منتشر کرده است می گوید: "هنگامی که ما آستانه را رد کرده ایم، این که چطور به این نقطه رسیده ایم، شاید مهم نباشد،" "مهم این است که با نحوه کار کردن زمین سروکار دارید و اینکه چگونه به یکه تازی خود ادامه می دهد."
در مغز، زمانی که نورون ها سیگنال های الکتریکی را به همسایگان خود شلیک می کنند، این امر از طریق یک پاسخ "همه یا هیچ" رخ می دهد. سیگنال، تنها زمانی اتفاق می افتد که شرایط در سلول یک آستانه خاص را بشکافد.
اکنون یک محقق MIT پدیده مشابهی را در یک سیستم کاملا متفاوت مشاهده کرده است: چرخه کربن زمین.
دانیل روتمن، استاد ژئوفیزیک و همکار مدیر اجرایی مرکز لورنز در بخش زمین، علوم جوی و سیاره ای دانشگاه MIT، دریافته است که وقتی نرخی که دی اکسید کربن وارد اقیانوس ها می شود، از یک آستانه مشخص رد شود - چه در نتیجه یک انفجار ناگهانی یا یک نفوذ آهسته و پایدار – زمین ممکن است با یک آبشار افسار گسیخته از بازخورد های شیمیایی پاسخ دهد، که منجر به اسیدی شدن شدید اقیانوس می شود که به طور چشمگیری تأثیرات ماشه کشی اصلی را تقویت می کند.
این واکنش جهانی موجب تغییرات زیادی در مقدار کربن موجود در اقیانوس های زمین می شود و زمین شناسان می توانند شواهدی از این تغییرات را در لایه های رسوبی که متجاوز از صدها میلیون سال نگه داشته شده اند، ببینند.
روتمن به داخل این ثبت های زمین شناسانه نگاه کرد و مشاهده کرد که در طول 540 میلیون سال گذشته، ذخیره کربنی اقیانوس ها به طور ناگهانی تغییر یافته و پس از آن ده ها بار در روشی مشابه با ماهیت ناگهانی یک میخ نورونی بازیابی شده است. این "تحریک" چرخه کربنی به چشمگیرترین صورت در نزدیکی زمان چهار تا از پنج انقراض جمعی بزرگ در تاریخ زمین اتفاق افتاده است.
دانشمندان عوامل مختلفی را به شروع این حوادث نسبت داده اند و فرض بر این است که تغییرات در کربن اقیانوس که به دنبال آمد، متناسب با شروع کننده اولیه بوده است؛ به عنوان مثال، هرچه ماشه کشی اولیه کوچک تر بود سقوط شرایط محیطی نیز کوچکتر بود.
اما روتمن می گوید اینگونه نیست. مهم نیست که چه چیزی ابتدائاً حوادث را ایجاد کرد؛ برای تقریبا نیمی از انقطاع ها در پایگاه داده او، هنگامی که آنها در حرکت قرارداده شدند، سرعتی که در آن کربن افزایش می یافت اساساً یکسان بود. نرخ مشخصه آنها احتمالا یک ویژگی از خود چرخه کربن است - نه شروع کننده ها، چرا که شروع کننده های مختلف در سرعت های متفاوت عمل می کنند.
این همه با آب و هوای روزگار مدرن ما چه دارد بکند؟ اقیانوس های امروز کربن را در مقیاسی تقریباً سریعتر از بدترین حالت در رکورد زمین شناسی - انتهای انقراض پرمین - جذب می کنند. اما انسانها تنها برای صدها سال در حال پمپ دی اکسید کربن به جو بوده اند، و این در مقابل ده ها هزار سال یا بیشتر است که برای فوران‌های آتشفشانی و یا سایر اختلالاتی که موجب بروز انقطاع های زیست محیطی در گذشته شده اند طول کشیده است. آیا ممکن است افزایش مدرن کربن برای تحریک یک انقطاع عمده، بیش از حد کوتاه باشد؟
بر طبق نظر روتمن، امروز ما "در پرتگاه تحریک" هستیم و اگر این اتفاق بیفتد، افزایش‌های ناگهانی ناشی از آن – چنان که اسیدی شدن اقیانوس، از بین رفتن گونه ها و مواردی بیشتر گواه آن خواهد بود - به احتمال زیاد مشابه وقایع فاجعه بار جهانی گذشته خواهد بود.
روتمن که این نتایج را در شرح مذاکرات آکادمی ملی علوم منتشر کرده است می گوید: "هنگامی که ما آستانه را رد کرده ایم، این که چطور به این نقطه رسیده ایم، شاید مهم نباشد،" "مهم این است که با نحوه کار کردن زمین سروکار دارید و اینکه چگونه به یکه تازی خود ادامه می دهد."
یک بازخورد کربنی
در سال 2017، روتمن یک پیش بینی وخیم ارائه کرد: بر اساس نرخ سریعی که در آن انسان ها در حال اضافه کردن دی اکسید کربن به جو زمین هستند، تا پایان این قرن، این سیاره احتمالا به یک آستانه بحرانی می رسد. هنگامی که این آستانه را می گذرانیم، احتمال دارد که یک قطار بار از عواقب را به حرکت واداریم که به طور بالقوه در انقراض انبوه ششم زمین شناسی به اوج خود خواهد رسید.
از آن موقع، روتمن به دنبال درک بهتر این پیش بینی بوده است و درک این که به طور کلی شیوه ای که در آن چرخه کربن به هنگام گذشتن از یک آستانه بحرانی پاسخ می دهد کدام است. در مقاله جدید، او یک مدل ریاضی ساده را توسعه داده است برای نشان دادن چرخه کربن در اقیانوس بالایی زمین و چگونگی رفتار احتمالی آن را در زمانی که از این آستانه عبور حاصل می شود.
دانشمندان می دانند که وقتی دی اکسید کربن از جو در آب دریا حل می شود، نه تنها اقیانوس ها را اسیدی تر می کند، بلکه همچنین باعث کاهش غلظت یون های کربنات می شود. اقیانوس های امروز کربن را در مقیاسی تقریباً سریعتر از بدترین حالت در رکورد زمین شناسی - انتهای انقراض پرمین - جذب می کنند. وقتی که غلظت یون کربنات به پایین آستانه ای سقوط کرد، پوسته های ساخته شده از کربنات کلسیم حل می شوند. ارگانیسم هایی که آنها را می سازند در چنین شرایط سختی به گونه ای ناکافی گذران می کنند.
پوسته ها علاوه بر حفاظت از زندگی دریایی، یک "اثر بالاست" را فراهم می کنند، که ارگانیسم ها را پایین می کشند و آنها را قادر می سازند که در امتداد کربن آلی فرسایشی در کف اقیانوس ته نشین شوند، و با این کار به نحوی مؤثر دی اکسید کربن را از اقیانوس بالایی بر می دارند. اما در جهانی از دی اکسید کربنِ در حال افزایش، ارگانیسم های کلسیم دار شونده کمتر باید به معنی این باشد که دی اکسید کربن کمتری مرتفع می شود.
روتمن می گوید: "این بازخورد مثبت است. دی اکسید کربن بیشتر به دی اکسید کربن بیشتر منجر می شود. سؤال از نقطه نظر ریاضی این است که آیا چنین بازخوردی به اندازه کافی سیستم را ناپایدار نمی کند؟"
روتمن این بازخورد مثبت را در مدل جدیدش به دست آورد، که شامل دو معادله دیفرانسیل است که تعاملات بین اجزای شیمیایی مختلف در اقیانوس بالایی را توصیف می کند. سپس او مشاهده کرد که چگونه مدل به این صورت پاسخ داد که او دی اکسید کربن اضافی با نرخ ها و مقادیر متفاوت به سیستم پمپ می کرد.
از آن موقع، روتمن به دنبال درک بهتر این پیش بینی بوده است و درک این که به طور کلی شیوه ای که در آن چرخه کربن به هنگام گذشتن از یک آستانه بحرانی پاسخ می دهد کدام است. در مقاله جدید، او یک مدل ریاضی ساده را توسعه داده است برای نشان دادن چرخه کربن در اقیانوس بالایی زمین و چگونگی رفتار احتمالی آن را در زمانی که از این آستانه عبور حاصل می شود.
دانشمندان می دانند که وقتی دی اکسید کربن از جو در آب دریا حل می شود، نه تنها اقیانوس ها را اسیدی تر می کند، بلکه همچنین باعث کاهش غلظت یون های کربنات می شود. اقیانوس های امروز کربن را در مقیاسی تقریباً سریعتر از بدترین حالت در رکورد زمین شناسی - انتهای انقراض پرمین - جذب می کنند. وقتی که غلظت یون کربنات به پایین آستانه ای سقوط کرد، پوسته های ساخته شده از کربنات کلسیم حل می شوند. ارگانیسم هایی که آنها را می سازند در چنین شرایط سختی به گونه ای ناکافی گذران می کنند.
پوسته ها علاوه بر حفاظت از زندگی دریایی، یک "اثر بالاست" را فراهم می کنند، که ارگانیسم ها را پایین می کشند و آنها را قادر می سازند که در امتداد کربن آلی فرسایشی در کف اقیانوس ته نشین شوند، و با این کار به نحوی مؤثر دی اکسید کربن را از اقیانوس بالایی بر می دارند. اما در جهانی از دی اکسید کربنِ در حال افزایش، ارگانیسم های کلسیم دار شونده کمتر باید به معنی این باشد که دی اکسید کربن کمتری مرتفع می شود.
روتمن می گوید: "این بازخورد مثبت است. دی اکسید کربن بیشتر به دی اکسید کربن بیشتر منجر می شود. سؤال از نقطه نظر ریاضی این است که آیا چنین بازخوردی به اندازه کافی سیستم را ناپایدار نمی کند؟"
روتمن این بازخورد مثبت را در مدل جدیدش به دست آورد، که شامل دو معادله دیفرانسیل است که تعاملات بین اجزای شیمیایی مختلف در اقیانوس بالایی را توصیف می کند. سپس او مشاهده کرد که چگونه مدل به این صورت پاسخ داد که او دی اکسید کربن اضافی با نرخ ها و مقادیر متفاوت به سیستم پمپ می کرد.
مترجم: حمید وثیق زاده انصاری
منبع: جنیفر چو، مؤسسه فناوری ماساچوست
