Dans le cerveau, lorsque les neurones envoient des signaux électriques à leurs voisins, cela se produit par le biais d'une réponse "tout ou rien". Le signal ne se produit que lorsque les conditions dans la cellule dépassent un certain seuil.

Maintenant, un chercheur du MIT a observé un phénomène similaire dans un système complètement différent :le cycle du carbone de la Terre.

Daniel Rothman, professeur de géophysique et co-directeur du Centre Lorenz du Département de la Terre du MIT, Sciences atmosphériques et planétaires, a découvert que lorsque la vitesse à laquelle le dioxyde de carbone pénètre dans les océans dépasse un certain seuil, que ce soit à la suite d'une explosion soudaine ou lente, afflux constant - la Terre peut répondre avec une cascade de rétroactions chimiques, conduisant à une acidification extrême des océans qui amplifie considérablement les effets du déclencheur initial.

Ce réflexe global provoque d'énormes changements dans la quantité de carbone contenue dans les océans de la Terre, et les géologues peuvent voir des preuves de ces changements dans les couches de sédiments préservées pendant des centaines de millions d'années.

Rothman a parcouru ces archives géologiques et a observé qu'au cours des 540 derniers millions d'années, la réserve de carbone de l'océan a changé brusquement, puis récupéré, des dizaines de fois d'une manière similaire à la nature abrupte d'un pic neuronal. Cette « excitation » du cycle du carbone s'est produite de la manière la plus spectaculaire à l'époque de quatre des cinq grandes extinctions de masse de l'histoire de la Terre.

Les scientifiques ont attribué divers déclencheurs à ces événements, et ils ont supposé que les changements dans le carbone océanique qui ont suivi étaient proportionnels au déclencheur initial - par exemple, plus la gâchette est petite, plus les retombées environnementales sont faibles.

Mais Rothman dit que ce n'est pas le cas. Peu importait la cause initiale des événements; pour environ la moitié des interruptions dans sa base de données, une fois mis en mouvement, le taux d'augmentation du carbone était essentiellement le même. Leur taux caractéristique est probablement une propriété du cycle du carbone lui-même - pas les déclencheurs, parce que différents déclencheurs fonctionneraient à des rythmes différents.

Qu'est-ce que tout cela a à voir avec notre climat moderne ? Les océans d'aujourd'hui absorbent le carbone environ un ordre de grandeur plus rapidement que le pire des cas de l'histoire géologique :l'extinction de la fin du Permien. Mais les humains ne pompent du dioxyde de carbone dans l'atmosphère que depuis des centaines d'années, par rapport aux dizaines de milliers d'années ou plus qu'il a fallu aux éruptions volcaniques ou autres perturbations pour déclencher les grandes perturbations environnementales du passé. L'augmentation moderne du carbone pourrait-elle être trop brève pour exciter une perturbation majeure ?

Selon Rothman, nous sommes aujourd'hui « au bord de l'excitation, " et si cela se produit, le pic qui en résulte, comme en témoigne l'acidification des océans, disparitions d'espèces, et plus encore - est susceptible d'être similaire aux catastrophes mondiales passées.

« Une fois le seuil franchi, comment nous sommes arrivés là n'a peut-être pas d'importance, " dit Rothman, qui publie ses résultats cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . "Une fois que tu t'en remets, vous vous occupez du fonctionnement de la Terre, et il fait son propre tour."

Un retour carbone

En 2017, Rothman a fait une terrible prédiction :à la fin de ce siècle, la planète est susceptible d'atteindre un seuil critique, sur la base de la vitesse à laquelle les humains ajoutent du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Lorsque nous franchissons ce seuil, nous sommes susceptibles de mettre en branle un train de marchandises de conséquences, potentiellement culminant dans la sixième extinction de masse de la Terre.

Rothman a depuis cherché à mieux comprendre cette prédiction, et plus généralement, la manière dont le cycle du carbone réagit une fois qu'il a dépassé un seuil critique. Dans le nouveau journal, il a développé un modèle mathématique simple pour représenter le cycle du carbone dans l'océan supérieur de la Terre et comment il pourrait se comporter lorsque ce seuil est franchi.

Les scientifiques savent que lorsque le dioxyde de carbone de l'atmosphère se dissout dans l'eau de mer, cela rend non seulement les océans plus acides, mais il diminue également la concentration en ions carbonate. Lorsque la concentration en ions carbonate tombe en dessous d'un seuil, les coquilles faites de carbonate de calcium se dissolvent. Les organismes qui les rendent mal en point dans des conditions aussi difficiles.

Coquilles, en plus de protéger la vie marine, fournir un « effet de lestage, " alourdir les organismes et leur permettre de couler au fond des océans avec le carbone organique détritique, éliminer efficacement le dioxyde de carbone de la partie supérieure de l'océan. Mais dans un monde où le dioxyde de carbone augmente, moins d'organismes calcifiants devraient signifier moins de dioxyde de carbone est éliminé.

"C'est un retour positif, " dit Rothman. " Plus de dioxyde de carbone conduit à plus de dioxyde de carbone. La question d'un point de vue mathématique est, un tel retour est-il suffisant pour rendre le système instable ?"

"Une ascension inexorable"

Rothman a capturé ce retour positif dans son nouveau modèle, qui comprend deux équations différentielles qui décrivent les interactions entre les divers constituants chimiques de la partie supérieure de l'océan. Il a ensuite observé comment le modèle réagissait en pompant du dioxyde de carbone supplémentaire dans le système, à des taux et montants différents.

Il a découvert que peu importe la vitesse à laquelle il a ajouté du dioxyde de carbone à un système déjà stable, le cycle du carbone dans la partie supérieure de l'océan est resté stable. En réponse à de modestes perturbations, le cycle du carbone se détraquerait temporairement et connaîtrait une brève période d'acidification modérée des océans, mais il reviendrait toujours à son état d'origine plutôt que d'osciller dans un nouvel équilibre.

Lorsqu'il a introduit du dioxyde de carbone à des taux plus élevés, il a découvert qu'une fois que les niveaux franchissaient un seuil critique, le cycle du carbone a réagi avec une cascade de rétroactions positives qui ont amplifié le déclencheur d'origine, provoquant un pic de tout le système, sous la forme d'une grave acidification des océans. Le système a fait, finalement, retour à l'équilibre, après des dizaines de milliers d'années dans les océans d'aujourd'hui - une indication que, malgré une violente réaction, le cycle du carbone reprendra son état stationnaire.

Ce modèle correspond à l'enregistrement géologique, Rothman trouvé. Le taux caractéristique présenté par la moitié de sa base de données résulte des excitations ci-dessus, mais proche, le seuil. Les perturbations environnementales associées à l'extinction de masse sont des valeurs aberrantes - elles représentent des excitations bien au-delà du seuil. Au moins trois de ces cas peuvent être liés à un volcanisme massif soutenu.

"Quand tu dépasses un seuil, vous obtenez un coup franc du système qui répond tout seul, " explique Rothman. " Le système connaît une ascension inexorable. C'est ce qu'est l'excitabilité, et comment fonctionne un neurone aussi."

Bien que le carbone pénètre dans les océans aujourd'hui à un rythme sans précédent, il le fait sur un temps géologiquement bref. Le modèle de Rothman prédit que les deux effets s'annulent :des taux plus rapides nous rapprochent du seuil, mais des durées plus courtes nous éloignent. En ce qui concerne le seuil, le monde moderne est à peu près au même endroit qu'il était pendant de plus longues périodes de volcanisme massif.

En d'autres termes, si les émissions anthropiques d'aujourd'hui dépassent le seuil et continuent au-delà, comme Rothman le prédit, ils le feront bientôt, les conséquences peuvent être tout aussi graves que ce que la Terre a connu lors de ses précédentes extinctions de masse.

"C'est difficile de savoir comment les choses vont finir étant donné ce qui se passe aujourd'hui, " dit Rothman. " Mais nous sommes probablement proches d'un seuil critique. Tout pic atteindrait son maximum après environ 10, 000 ans. J'espère que cela nous laissera le temps de trouver une solution."

"Nous savons déjà que nos actions émettrices de CO2 auront des conséquences pendant de nombreux millénaires, " dit Timothy Lenton, professeur de science du changement climatique et des systèmes terrestres à l'Université d'Exeter. "Cette étude suggère que ces conséquences pourraient être beaucoup plus dramatiques que prévu. Si nous poussons le système Terre trop loin, puis il prend le relais et détermine sa propre réponse - passé ce point, nous ne pourrons pas faire grand-chose."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.