No cérebro, quando os neurônios disparam sinais elétricos para seus vizinhos, isso acontece por meio de uma resposta "tudo ou nada". O sinal só acontece quando as condições da célula violam um certo limite.

Agora, um pesquisador do MIT observou um fenômeno semelhante em um sistema completamente diferente:o ciclo do carbono da Terra.

Daniel Rothman, professor de geofísica e codiretor do Centro Lorenz do Departamento da Terra do MIT, Ciências Atmosféricas e Planetárias, descobriu que quando a taxa na qual o dióxido de carbono entra nos oceanos ultrapassa um certo limite - seja como resultado de uma explosão repentina ou lenta, influxo constante - a Terra pode responder com uma cascata descontrolada de feedbacks químicos, levando à acidificação extrema do oceano que amplifica dramaticamente os efeitos do gatilho original.

Este reflexo global causa grandes mudanças na quantidade de carbono contido nos oceanos da Terra, e os geólogos podem ver evidências dessas mudanças nas camadas de sedimentos preservados ao longo de centenas de milhões de anos.

Rothman olhou através desses registros geológicos e observou que, nos últimos 540 milhões de anos, o estoque de carbono do oceano mudou abruptamente, então recuperado, dezenas de vezes de maneira semelhante à natureza abrupta de um pico de neurônio. Essa "excitação" do ciclo do carbono ocorreu de forma mais dramática perto da época de quatro das cinco grandes extinções em massa na história da Terra.

Os cientistas atribuíram vários gatilhos a esses eventos, e eles assumiram que as mudanças no carbono do oceano que se seguiram foram proporcionais ao gatilho inicial, por exemplo, quanto menor o gatilho, quanto menor a precipitação ambiental.

Mas Rothman diz que não é o caso. Não importava o que inicialmente causou os eventos; por cerca de metade das interrupções em seu banco de dados, uma vez que eles foram colocados em movimento, a taxa de aumento do carbono foi essencialmente a mesma. Sua taxa característica é provavelmente uma propriedade do próprio ciclo do carbono - não dos gatilhos, porque diferentes gatilhos operariam em taxas diferentes.

O que tudo isso tem a ver com nosso clima moderno? Os oceanos de hoje estão absorvendo carbono cerca de uma ordem de magnitude mais rápido do que o pior caso no registro geológico - a extinção do final do Permiano. Mas os humanos só têm bombeado dióxido de carbono na atmosfera há centenas de anos, versus as dezenas de milhares de anos ou mais que levaram para erupções vulcânicas ou outros distúrbios para desencadear as grandes perturbações ambientais do passado. O aumento moderno de carbono pode ser muito breve para provocar uma grande interrupção?

De acordo com Rothman, hoje estamos "no precipício da excitação, "e se ocorrer, o pico resultante - como evidenciado por meio da acidificação do oceano, extinção de espécies, e mais - é provável que seja semelhante a catástrofes globais do passado.

"Assim que ultrapassarmos o limite, como chegamos lá pode não importar, "diz Rothman, quem está publicando seus resultados esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences . "Depois de superar isso, você está lidando com a forma como a Terra funciona, e segue seu próprio caminho. "

Um feedback de carbono

Em 2017, Rothman fez uma previsão terrível:no final deste século, o planeta provavelmente alcançará um limiar crítico, com base na rápida taxa em que os humanos estão adicionando dióxido de carbono à atmosfera. Quando cruzamos esse limite, provavelmente colocaremos em movimento um trem de carga de consequências, potencialmente culminando na sexta extinção em massa da Terra.

Rothman, desde então, procurou entender melhor esta previsão, e mais geralmente, a forma como o ciclo do carbono responde quando ultrapassa um limite crítico. No novo jornal, ele desenvolveu um modelo matemático simples para representar o ciclo do carbono na parte superior do oceano da Terra e como ele pode se comportar quando esse limite é ultrapassado.

Os cientistas sabem que quando o dióxido de carbono da atmosfera se dissolve na água do mar, não só torna os oceanos mais ácidos, mas também diminui a concentração de íons carbonato. Quando a concentração de íons carbonato cai abaixo de um limite, conchas feitas de carbonato de cálcio se dissolvem. Organismos que os fazem se saem mal em tais condições adversas.

Cartuchos, além de proteger a vida marinha, fornecem um "efeito de lastro, "pesando os organismos e permitindo que eles afundem no fundo do oceano junto com o carbono orgânico detrítico, efetivamente removendo dióxido de carbono da parte superior do oceano. Mas em um mundo de crescente dióxido de carbono, menos organismos calcificados devem significar menos dióxido de carbono removido.

"É um feedback positivo, "Rothman diz." Mais dióxido de carbono leva a mais dióxido de carbono. A questão do ponto de vista matemático é, Esse feedback é suficiente para tornar o sistema instável? "

"Uma ascensão inexorável"

Rothman captou esse feedback positivo em seu novo modelo, que compreende duas equações diferenciais que descrevem as interações entre os vários constituintes químicos no oceano superior. Ele então observou como o modelo respondeu enquanto bombeava dióxido de carbono adicional no sistema, em taxas e montantes diferentes.

Ele descobriu que não importa a taxa na qual ele adicionou dióxido de carbono a um sistema já estável, o ciclo do carbono no oceano superior permaneceu estável. Em resposta a modestas perturbações, o ciclo do carbono ficaria temporariamente fora de controle e experimentaria um breve período de acidificação moderada do oceano, mas sempre voltaria ao seu estado original, em vez de oscilar para um novo equilíbrio.

Quando ele introduziu o dióxido de carbono em taxas maiores, ele descobriu que uma vez que os níveis cruzaram um limite crítico, o ciclo do carbono reagiu com uma cascata de feedbacks positivos que ampliou o gatilho original, fazendo com que todo o sistema pique, na forma de acidificação oceânica severa. O sistema fez, eventualmente, retorne ao equilíbrio, depois de dezenas de milhares de anos nos oceanos de hoje - uma indicação de que, apesar de uma reação violenta, o ciclo do carbono retomará seu estado estacionário.

Este padrão corresponde ao registro geológico, Rothman encontrado. A taxa característica exibida por metade de seu banco de dados resulta das excitações acima, mas perto, o limiar. As interrupções ambientais associadas à extinção em massa são discrepantes - representam excitações muito além do limite. Pelo menos três desses casos podem estar relacionados a vulcanismo maciço sustentado.

"Quando você ultrapassa um limite, você ganha um chute livre do sistema respondendo por si mesmo, "Rothman explica." O sistema está em uma ascensão inexorável. Isso é excitabilidade, e como um neurônio também funciona. "

Embora o carbono esteja entrando nos oceanos hoje em uma taxa sem precedentes, está fazendo isso por um período geologicamente breve. O modelo de Rothman prevê que os dois efeitos se cancelam:taxas mais rápidas nos aproximam do limite, mas durações mais curtas nos afastam. No que diz respeito ao limite, o mundo moderno está praticamente no mesmo lugar em que esteve durante longos períodos de vulcanismo maciço.

Em outras palavras, se as emissões induzidas pelo homem de hoje cruzarem o limite e continuarem além dele, como Rothman prevê que em breve, as consequências podem ser tão severas quanto as que a Terra experimentou durante suas extinções em massa anteriores.

"É difícil saber como as coisas vão acabar, dado o que está acontecendo hoje, "Rothman diz." Mas provavelmente estamos perto de um limite crítico. Qualquer pico alcançaria seu máximo após cerca de 10, 000 anos. Esperamos que isso nos dê tempo para encontrar uma solução. "

"Já sabemos que nossas ações emissoras de CO2 terão consequências por muitos milênios, "diz Timothy Lenton, professor de mudanças climáticas e ciências dos sistemas terrestres da Universidade de Exeter. "Este estudo sugere que essas consequências podem ser muito mais dramáticas do que se esperava. Se empurrarmos o sistema da Terra longe demais, então ele assume e determina sua própria resposta - além desse ponto, haverá pouco que possamos fazer sobre isso. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.