Vi vet alla att jorden är speciell, men vi kanske inte helt förstår hur bra vi har det på den här planeten. Till skillnad från sina planetariska grannar har jorden varit beboelig i miljarder år tack vare en komplicerad, ständigt föränderlig dans av element.
En studie av forskare vid University of Chicago, Rice University och California Institute of Technology kastar nytt ljus över den känsliga balansen av biogeokemiska cykler som håller jorden tempererad, hydrerad och blomstrande.
Cyklingen av element mellan haven, atmosfären och land spelar en roll för att hålla klimatet stabilt, men det är så komplext att forskare vanligtvis isolerar delar av helheten för att försöka få ett bättre grepp om hur de fungerar. Men en ny studie, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences den 13 mars erbjuder ett annat tillvägagångssätt.
Forskarna erbjuder istället en bred, förenklad synvinkel, med hjälp av en ny uppsättning matematiska verktyg för att belysa sambanden mellan de olika kemiska kretsloppen som tidigare var svåra att upptäcka.
"Vårt tillvägagångssätt ger ett nytt sätt att identifiera de grundläggande byggstenarna för stabilitet i de kemiska komponenterna i jordens klimat - de underliggande sätten på vilka klimatet kan stabiliseras över geologisk tid på grund av rörelsen av element över havet, atmosfären och stenen reservoarer", säger Preston Cosslett Kemeny, postdoktor vid UChicago TC Chamberlain och första författare på tidningen.
"Detta är ett elegant, förenklat sätt att tänka på ett enormt problem, som organiserar mycket tidigare forskning om elementarcykler i paket av kemiska reaktioner som kan balanseras och förstås", säger UChicago Asst. Prof. Clara Blättler, senior författare på tidningen.
Vi tar ofta för givet att planeten jorden har stöttat komplext liv i hundratals miljoner år. Men denna stabilitet var verkligen inte garanterad - man behöver bara titta intill på Mars och Venus, som bildades av ungefär samma material som jorden, men som för närvarande inte ens stöder flytande vatten. Vad är jordens hemlighet?
En nyckelaspekt är kemisk kretslopp. Element som kol, svavel och kalcium rör sig mellan marken, havet och atmosfären på ett sätt som har hållit förhållandena på jordens yta relativt stabila under hundratals miljoner år.
Till exempel tror forskare att planetens temperaturer delvis upprätthålls genom att kolet gradvis flyttas fram och tillbaka mellan havet, atmosfären och land. När koldioxid byggs upp i atmosfären och värmer upp ytan, gör det att stenar bryts ner snabbare - koldioxid flyttas ut i havet och sedan till stenar vid havsbotten. Under miljontals år svalnar planeten gradvis tillbaka när kolet sugs ut ur atmosfären.
Att reda ut dessa cykler har varit ett arbete i årtionden. Det är utmanande eftersom cyklerna varar i miljontals år, förändras oändligt, äger rum över hela jordklotet och interagerar med varandra konstant. Det är så komplicerat att forskare ofta bara undersöker delar av hela bilden - vanligtvis med tanke på ett begränsat antal elementcykler eller en liten delmängd av deras interaktioner. Men när pusselbitar saknas måste forskarna göra antaganden för att fylla i luckorna.
Kemeny undrade om att arbeta på det här sättet kan tendera att fördunkla den övergripande bilden av hur biogeokemiska interaktioner ger upphov till planetarisk stabilitet.
Han, tillsammans med Blättler, Mark Torres från Rice University och Woodward Fischer från Caltech, tog ett steg tillbaka. De gjorde en matematisk analys där de övervägde ett brett spektrum av kemiska reaktioner som omfattar stora kemiska kretslopp, men specificerade inte hur eller hur mycket cyklerna interagerade med varandra.
Resultatet är ett ramverk som identifierar alla större och mindre kombinationer av reaktioner som balanserar jordens kolcykel och deras relationer till varandra - något som hade saknats på fältet. Sett på detta sätt kan jordens klimat representeras av en uppsättning sammankopplade kemiska ekvationer som måste balansera över vissa tidsperioder.
Författarna sa att deras arbete är användbart eftersom forskare fortsätter att studera jordens historia och hur klimatet har förändrats över tiden.
"Säg till exempel att du överväger en hypotes för varför klimatet förändrades tidigare - som den stora avkylningen de senaste 65 miljoner åren," sa Kemeny. "Du kan ta det här ramverket och använda det för att säga, ja om X-processen ökade eller minskade, så borde det också ha orsakat Y att hända, eller skulle ha behövt balanseras av Z, och att du måste ta hänsyn till dessa utfall— så med den förutsägelsen kan vi leta efter bevis för den gemensamma driften av hela det geokemiska systemet."
Andra samband mellan kemiska kretslopp kan bli synliga när man tittar på dem i fågelperspektiv. "Till exempel identifierade den här analysen ett nytt sätt att balansera kolflöden i havs-atmosfärsystemet samtidigt som atmosfärens syre ackumuleras," sa Kemeny.
Sammantaget, "Vi hoppas att det är ett vackert sätt att hjälpa till att förstå all kemi som är involverad i att göra jorden till en säker plats för liv att utvecklas," sa Blättler.
Mer information: Preston Cosslett Kemeny et al, Balans och obalans i biogeokemiska cykler återspeglar driften av slutna, utbyte och öppna uppsättningar, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2316535121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of Chicago
