一项新研究表明，超过碳阈值可能导致大规模灭绝

根据麻省理工学院的一项新研究，当碳排放量超过临界阈值时，它会以严重的海洋酸化形式持续一万年，从而触发碳循环中的尖峰状反射。库存图片

在大脑中，当神经元向其邻居发射电信号时，这是通过“全有或全无”响应发生的。仅当单元中的条件突破某个阈值时，才会发生信号。

现在，麻省理工学院的研究人员在完全不同的系统中观察到了类似现象：地球的碳循环。

麻省理工学院地球，大气与行星科学系洛伦兹中心的地球物理学教授兼联合主任丹尼尔·罗斯曼发现，当二氧化碳进入海洋的速度超过某个阈值时，无论是由于突然爆发或缓慢而稳定的涌入-地球可能以失控的化学反馈来响应，从而导致极端的海洋酸化，从而极大地放大了原始触发的影响。

这种全球反射会导致地球海洋中碳的含量发生巨大变化，地质学家可以看到证据表明，这些沉积物的变化已保留了数亿年。

罗斯曼（Rothman）浏览了这些地质记录，发现在过去的5.4亿年中，海洋中的碳储藏突然改变，然后又以类似于神经元尖峰突然性的方式恢复了数十次。碳循环的这种“激发”发生在地球历史上五次大灭绝中的四次灭绝之时。

科学家将各种触发因素归因于这些事件，他们认为随之而来的海洋碳变化与初始触发因素成正比，例如，触发因素越小，环境影响越小。

但是罗斯曼说并非如此。最初造成事件的原因无关紧要；在他的数据库中，大约有一半的破坏一旦启动，碳的增加速度基本上是相同的。它们的特征速率可能是碳循环本身的属性，而不是触发器的属性，因为不同的触发器将以不同的速率运行。

这一切与我们的现代气候有什么关系？今天的海洋吸收碳的速度比地质记录中最糟糕的情况（二叠纪末期灭绝）快一个数量级。但是人类只是一直在向大气中排放二氧化碳数百年，而火山喷发或其他干扰触发过去的巨大环境破坏则需要数万年甚至更长的时间。现代碳的增加可能太短暂而无法引起重大破坏吗？

根据罗斯曼（Rothman）的说法，今天我们处于“兴奋的绝境”，而且如果发生这种情况，所产生的峰值（通过海洋酸化，物种灭绝等）可以证明与过去的全球灾难相似。

罗斯曼（Rothman）说：“一旦超过阈值，我们怎么到达那里就无关紧要了。”罗斯曼本周在《美国国家科学院院刊》上发表了他的研究结果。“一旦克服了它，您就在处理地球的运转方式，并且它会自行运行。”

碳反馈

在2017年，罗斯曼做出了可怕的预测：根据人类向大气中添加二氧化碳的快速速率，到本世纪末，地球很可能达到临界阈值。当我们超过这个阈值时，我们很可能会发动一系列后果，可能最终导致地球第六次灭绝。

此后，罗斯曼（Rothman）寻求更好地理解这一预测，更广泛地说，是一旦碳循环超过临界阈值，碳循环的反应方式。在新论文中，他开发了一个简单的数学模型来表示地球上层海洋中的碳循环，以及超过该阈值时碳循环的行为。

科学家知道，当大气中的二氧化碳溶解在海水中时，它不仅使海洋更加酸性，而且还降低了碳酸根离子的浓度。当碳酸根离子浓度降至阈值以下时，由碳酸钙制成的壳会溶解。使它们在如此恶劣的条件下表现不佳的生物。

贝壳除了保护海洋生物外，还提供了“压舱效应”，使生物体向下压，并使它们与碎屑有机碳一起沉入海床，有效地去除了上层海洋中的二氧化碳。但是，在二氧化碳不断增加的世界中，较少的钙化生物意味着减少了二氧化碳的排放。

罗斯曼说：“这是一个积极的反馈。”“更多的二氧化碳导致更多的二氧化碳。从数学角度来看，问题是，这样的反馈足以使系统不稳定吗？”

“势不可挡的上升”

罗斯曼（Rothman）在他的新模型中获得了这种积极反馈，该模型包括两个微分方程，这些微分方程描述了上层海洋中各种化学成分之间的相互作用。然后，他观察了模型以不同的速率和量向系统中注入额外的二氧化碳时的响应方式。

他发现，无论他向已经稳定的系统中添加二氧化碳的速率如何，上层海洋的碳循环都保持稳定。为了应对微不足道的干扰，碳循环将暂时摆脱重压，经历短暂的海洋酸化，但它始终会返回其原始状态，而不是振荡成新的平衡。

当他以更高的速率引入二氧化碳时，他发现一旦碳水平超过临界阈值，碳循环便会产生一连串的正反馈，从而放大了原始触发因素，导致整个系统以严重的海洋酸化的形式激增。 。在今天的海洋中经过数万年的努力之后，该系统最终恢复了平衡。这表明，尽管发生了激烈的反应，但碳循环仍将恢复稳定状态。

罗斯曼发现，这种模式与地质记录相符。他的数据库的一半显示出的特征速率是高于阈值但接近阈值的激发的结果。与大规模灭绝相关的环境破坏是异常值，它们代表的激发远远超出阈值。这些案件中至少有三起可能与持续的大规模火山爆发有关。

Rothman解释说：“当超过阈值时，系统会自动响应，从而获得任意球。”“该系统势不可挡。这就是兴奋性，神经元也是如此。”

尽管今天的碳正以前所未有的速度进入海洋，但它是在地质上短暂的时间内这样做的。罗斯曼（Rothman）模型预测，这两种效应会抵消：更快的费率使我们更接近阈值，但是持续时间越短，我们就越远。就门槛而言，现代世界处于与大规模火山爆发较长时期大致相同的地方。

换句话说，如果今天的人为排放量越过阈值并继续超出阈值（正如罗斯曼所预测的那样），后果将与地球先前灭绝期间所经历的后果一样严重。

罗斯曼说：“鉴于今天发生的事情，很难知道事情将如何发展。”“但是我们可能已经接近临界点。大约10,000年后，任何峰值都会达到最大值。希望这将使我们有时间找到解决方案。”

埃克塞特大学气候变化和地球系统科学教授蒂莫西·伦顿（Timothy Lenton）说：“我们已经知道我们的二氧化碳排放行动将对数千年产生影响。”“这项研究表明，这些后果可能比以前预期的要严重得多。如果我们将地球系统推得太远，那么它将接管并确定其自身的响应-超过这一点，我们将无能为力。

这项研究部分得到了NASA和国家科学基金会的支持。

出版物：Daniel H. Rothman，“可激发碳循环的特征破坏”，PNAS，2019年； doi：/10.1073/pnas.1905164116