I hjärnan, när neuroner avfyrar elektriska signaler till sina grannar, detta sker genom ett "allt-eller-ingen"-svar. Signalen inträffar bara när förhållandena i cellen överskrider en viss tröskel.

Nu har en MIT-forskare observerat ett liknande fenomen i ett helt annat system:jordens kolcykel.

Daniel Rothman, professor i geofysik och meddirektör för Lorenz Center vid MIT:s Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap, har funnit att när hastigheten med vilken koldioxid kommer in i haven tränger sig förbi en viss tröskel – oavsett om det är ett resultat av en plötslig explosion eller en långsam, stadigt inflöde – jorden kan svara med en skenande kaskad av kemisk återkoppling, leder till extrem havsförsurning som dramatiskt förstärker effekterna av den ursprungliga triggern.

Denna globala reflex orsakar enorma förändringar i mängden kol som finns i jordens hav, och geologer kan se bevis på dessa förändringar i lager av sediment som har bevarats under hundratals miljoner år.

Rothman tittade igenom dessa geologiska register och observerade att under de senaste 540 miljoner åren, havets kolförråd förändrades plötsligt, sedan återhämtat sig, dussintals gånger på ett sätt som liknar den abrupta karaktären hos en neuronspik. Denna "excitering" av kolets kretslopp inträffade mest dramatiskt nära tiden för fyra av de fem stora massutdöendena i jordens historia.

Forskare har tillskrivit olika triggers till dessa händelser, och de har antagit att förändringarna i havets kol som följde var proportionella mot den initiala utlösaren - till exempel, ju mindre avtryckaren är, desto mindre miljöpåverkan.

Men Rothman säger att så inte är fallet. Det spelade ingen roll vad som ursprungligen orsakade händelserna; för ungefär hälften av störningarna i hans databas, när de väl sattes igång, hastigheten med vilken kolet ökade var i huvudsak densamma. Deras karakteristiska hastighet är sannolikt en egenskap hos kolets kretslopp i sig - inte triggers, eftersom olika triggers skulle fungera i olika takt.

Vad har allt detta att göra med vårt moderna klimat? Dagens hav absorberar kol omkring en storleksordning snabbare än det värsta fallet i det geologiska rekordet - utrotningen i slutet av Perm. Men människor har bara pumpat ut koldioxid i atmosfären i hundratals år, kontra de tiotusentals år eller mer som det tog för vulkanutbrott eller andra störningar att utlösa de stora miljöstörningarna från det förflutna. Kan den moderna ökningen av koldioxid vara för kort för att orsaka en större störning?

Enligt Rothman, idag är vi "vid excitationens stup, " och om det inträffar, den resulterande spetsen – vilket framgår av havets försurning, arter som dör, och mer — kommer sannolikt att likna tidigare globala katastrofer.

"När vi väl är över tröskeln, hur vi kom dit kanske inte spelar någon roll, säger Rothman, som publicerar sina resultat denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences . "När du väl kommit över det, du har att göra med hur jorden fungerar, och den går sin egen resa."

En kolåterkoppling

Under 2017, Rothman gjorde en fruktansvärd förutsägelse:I slutet av detta århundrade, planeten kommer sannolikt att nå en kritisk tröskel, baserat på den snabba hastighet med vilken människor tillför koldioxid till atmosfären. När vi passerar den tröskeln, vi kommer sannolikt att sätta igång ett godståg av konsekvenser, som potentiellt kulminerar i jordens sjätte massutrotning.

Rothman har sedan dess försökt att bättre förstå denna förutsägelse, och mer allmänt, det sätt på vilket kolkretsloppet reagerar när det väl har trängts förbi en kritisk tröskel. I den nya tidningen, han har utvecklat en enkel matematisk modell för att representera kolets kretslopp i jordens övre hav och hur det kan bete sig när denna tröskel passeras.

Forskare vet att när koldioxid från atmosfären löses i havsvatten, det gör inte bara haven surare, men det minskar också koncentrationen av karbonatjoner. När karbonatjonkoncentrationen faller under ett tröskelvärde, skal gjorda av kalciumkarbonat löses upp. Organismer som får dem att klara sig dåligt under så tuffa förhållanden.

Skal, förutom att skydda det marina livet, ge en "ballasteffekt, "tynger ner organismer och gör det möjligt för dem att sjunka till havsbotten tillsammans med skadligt organiskt kol, effektivt avlägsna koldioxid från övre havet. Men i en värld av ökande koldioxid, färre förkalkande organismer borde innebära att mindre koldioxid avlägsnas.

"Det är en positiv feedback, " säger Rothman. "Mer koldioxid leder till mer koldioxid. Frågan ur en matematisk synvinkel är, är en sådan feedback tillräckligt för att göra systemet instabilt?"

"En obönhörlig uppgång"

Rothman fångade denna positiva feedback i sin nya modell, som består av två differentialekvationer som beskriver interaktioner mellan de olika kemiska beståndsdelarna i övre havet. Han observerade sedan hur modellen reagerade när han pumpade in ytterligare koldioxid i systemet, till olika priser och belopp.

Han fann att oavsett i vilken takt han tillsatte koldioxid till ett redan stabilt system, kolkretsloppet i övre havet förblev stabil. Som svar på blygsamma störningar, kolets kretslopp skulle tillfälligt gå ur spel och uppleva en kort period av mild havsförsurning, men det skulle alltid återgå till sitt ursprungliga tillstånd snarare än att svänga in i en ny jämvikt.

När han introducerade koldioxid i högre takt, han upptäckte att när nivåerna passerade en kritisk tröskel, kolcykeln reagerade med en kaskad av positiva återkopplingar som förstorade den ursprungliga triggern, får hela systemet att spetsa, i form av kraftig havsförsurning. Systemet gjorde, så småningom, återgå till jämvikt, efter tiotusentals år i dagens hav – en indikation på att, trots en våldsam reaktion, kolcykeln kommer att återuppta sitt stabila tillstånd.

Detta mönster matchar det geologiska rekordet, Rothman hittat. Den karakteristiska hastigheten som uppvisas av halva hans databas är resultatet av excitationer ovan, men nära, tröskeln. Miljöstörningar förknippade med massutrotning är extremvärden - de representerar excitationer långt över tröskeln. Minst tre av dessa fall kan vara relaterade till ihållande massiv vulkanism.

"När du går förbi en tröskel, du får en frispark från systemet som svarar av sig självt, " Rothman förklarar. "Systemet är på en obönhörlig ökning. Detta är vad excitabilitet är, och hur en neuron fungerar också."

Även om kol kommer in i haven idag i en aldrig tidigare skådad hastighet, det gör det under en geologiskt kort tid. Rothmans modell förutspår att de två effekterna upphäver:Snabbare priser för oss närmare tröskeln, men kortare varaktigheter flyttar oss bort. När det gäller tröskeln, den moderna världen är på ungefär samma plats som den var under längre perioder av massiv vulkanism.

Med andra ord, om dagens mänskliga inducerade utsläpp passerar tröskeln och fortsätter bortom den, som Rothman förutspår att de snart kommer att göra, konsekvenserna kan bli lika allvarliga som vad jorden upplevde under sina tidigare massutrotningar.

"Det är svårt att veta hur saker kommer att sluta med tanke på vad som händer idag, " säger Rothman. "Men vi är förmodligen nära en kritisk tröskel. Varje topp skulle nå sitt maximum efter cirka 10, 000 år. Förhoppningsvis skulle det ge oss tid att hitta en lösning."

"Vi vet redan att våra åtgärder som släpper ut koldioxid kommer att få konsekvenser under många årtusenden, " säger Timothy Lenton, professor i klimatförändringar och jordsystemvetenskap vid University of Exeter. "Denna studie tyder på att dessa konsekvenser kan bli mycket mer dramatiska än tidigare förväntat. Om vi ​​driver jordsystemet för långt, sedan tar den över och bestämmer sitt eget svar - efter den punkten kommer det att finnas lite vi kan göra åt det."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.