کشف یک مطالعه بزرگ در «بیوسفر ۲»: سقف جذب کربن جنگل‌های بارانی در ۶۰۰ واحد در میلیون دی‌اکسید کربن است

برای دهه‌ها، مدل‌های اقلیمی پیشرو جهان بر یک فرض بسیار دلگرم‌کننده تکیه کرده‌اند: با پمپاژ فزاینده دی‌اکسید کربن توسط فعالیت‌های صنعتی انسان به جو، جنگل‌های بارانی وسیع استوایی جهان به سادگی «عمیق‌تر نفس می‌کشند» و بخش قابل توجهی از این کربن اضافی را جذب می‌کنند. این پدیده که در محافل علمی به عنوان «اثر بارورسازی کربن» شناخته می‌شود، از لحاظ تاریخی به عنوان یک حائل حیاتی و خاموش در برابر تسریع تغییرات اقلیمی عمل کرده است. تنها جنگل‌های آمازون سالانه تقریباً دو میلیارد تن دی‌اکسید کربن جذب می‌کنند که عملاً بخش عظیمی از خروجی صنعتی جهانی را جبران کرده و برای بشریت زمان ارزشمندی را برای گذار از سوخت‌های فسیلی خریده است.[1][4][5]

اما یک مطالعه جدید و مهم که در داخل بزرگترین آزمایشگاه محصور علوم زمین در جهان، یعنی تأسیسات «بیوسفر ۲» (Biosphere 2) در اوراکل، آریزونا، انجام شده است، یک محدودیت فیزیولوژیکی سخت برای این اثر سبز شدن جهانی شناسایی کرده است. بر اساس این تحقیقات جامع، پوشش گیاهی جنگل‌های بارانی استوایی اساساً توانایی خود را برای جذب هرگونه دی‌اکسید کربن اضافی، زمانی که غلظت جوی به ۶۰۰ واحد در میلیون (ppm) برسد، از دست می‌دهند—آستانه حیاتی که سیاره زمین در حال حاضر در مسیر رسیدن به آن در نیمه دوم این قرن قرار دارد. این یافته‌ها، که هسته اصلی این بسته شواهد را تشکیل می‌دهند، محاسبات اساسی پیش‌بینی‌های اقلیمی بلندمدت را به چالش می‌کشند و نشان می‌دهند که ظرفیت زیست‌کره برای نجات ما از انتشار گازهای صنعتی، دارای یک سقف بیولوژیکی سخت و اجتناب‌ناپذیر است.[1][2][3][6]

برای درک دقیق اینکه چرا محدودیت ۶۰۰ واحد در میلیون وجود دارد، محققان از معماری منحصر به فرد و بسیار کنترل‌شده «بیوسفر ۲» استفاده کردند. برخلاف جنگل‌های طبیعی و فضای باز که آب و هوا در آن‌ها آشفته است، این جنگل بارانی محصور سه هکتاری به دانشمندان اجازه می‌دهد تا شیمی جو، دمای محیط و رطوبت هوا را کاملاً مستقل از هم دستکاری کنند و متغیرهای خاصی را که در طبیعت به طور ناامیدکننده‌ای در هم تنیده‌اند، جدا سازند. ادعای اصلی این مطالعه این است که در ۶۰۰ واحد در میلیون، ماشین‌آلات بیوشیمیایی برگ‌های استوایی کاملاً اشباع می‌شوند. گیاهان دی‌اکسید کربن را از طریق منافذ میکروسکوپی به نام روزنه (Stomata) جذب می‌کنند و با استفاده از یک آنزیم ضروری به نام روبیسکو (Rubisco)، کربن موجود در هوا را به قندهای قابل استفاده تبدیل می‌کنند.[2][3][4]

در زیر آستانه ۶۰۰ واحد در میلیون، افزودن دی‌اکسید کربن بیشتر به هوا، به طور قابل اعتمادی نرخ کلی فتوسنتز را افزایش می‌دهد و مانند یک کود عمل می‌کند. اما فراتر از آن نقطه خاص، آنزیم‌های روبیسکو با حداکثر ظرفیت مطلق خود کار می‌کنند. در آن مرحله، پر کردن هوا با کربن بیشتر شبیه ریختن آب بیشتر در قیفی است که از قبل سرریز شده است؛ گیاه به سادگی نمی‌تواند ورودی شیمیایی را سریع‌تر پردازش کند. برای اثبات این موضوع، تیم «بیوسفر ۲» با استفاده از ردیاب‌های ایزوتوپی پایدار و مجموعه‌ای پیشرفته از حسگرها که ترکیبات آلی فرار منتشر شده توسط پوشش گیاهی را نظارت می‌کردند، جریان کربن را در اکوسیستم محصور به دقت ردیابی کردند.[2][3][6]

داده‌های آن‌ها به طور قطعی نشان داد که با نزدیک شدن سطح دی‌اکسید کربن به مرز ۶۰۰ واحد در میلیون، نرخ جذب کربن کاملاً ثابت ماند، حتی زمانی که آب و نور فراوان بود و دما در حد مطلوب نگه داشته می‌شد. این امر کاملاً با شواهد تأییدکننده یک مطالعه در سال ۲۰۲۶ از دانشکده اقلیم کلمبیا که بر جنگل‌های بلوط معتدل تمرکز داشت، همخوانی دارد. آن مطالعه نشان داد که افزایش جذب کربن لزوماً به تولید بیشتر چوب در بلندمدت منجر نمی‌شود. محققان کلمبیا نشان دادند که عوامل استرس‌زای محیطی مانند خشکی و گرما، رشد درخت را بسیار قوی‌تر از فتوسنتز محدود می‌کنند و این امر منجر به جدایی بین جذب کربن و ذخیره کربن می‌شود.[2][4]

تیم کلمبیا در مشاهدات گسترده خود اشاره کرد که ۲۶ درصد از جذب کربن سالانه درختان پس از توقف رشد چوب در آن فصل رخ داده است. کربن اضافی به جای اینکه به طور ایمن در زیست‌توده چوبی بلندمدت قفل شود، برای فرآیندهای متابولیکی کوتاه‌مدت یا تولید شاخ و برگ موقت استفاده شد و در نهایت بسیار سریع‌تر از آنچه انتظار می‌رفت به جو بازگشت. هنگامی که این یافته‌ها با نتایج «بیوسفر ۲» ترکیب می‌شوند، تصویر روشنی پدیدار می‌شود: حتی اگر گیاهان موفق به جذب کربن بیشتری شوند، به طور فزاینده‌ای در ذخیره آن به روش‌های دائمی که مدل‌های اقلیمی در حال حاضر به آن تکیه دارند، شکست می‌خورند.[4][5]

اهمیت این تنگنای بیولوژیکی بسیار زیاد است. غلظت جهانی دی‌اکسید کربن در جو در حال حاضر تقریباً ۴۲۵ واحد در میلیون است که نسبت به خط پایه قبل از انقلاب صنعتی (۲۸۰ واحد در میلیون) افزایش قابل توجهی داشته است. اگر جذب‌کننده کربن استوایی در ۶۰۰ واحد در میلیون به یک حد سخت برسد، هرگونه انتشار انسانی که فراتر از آن نقطه به جو وارد شود، به طور قابل ملاحظه‌ای سریع‌تر انباشته خواهد شد، زیرا حائل عظیم جنگل عملاً از کار افتاده است. مدل‌سازان اقلیمی استدلال می‌کنند که این امر مستلزم بازنگری فوری در بودجه جهانی کربن است، زیرا مهلت زمانی برای دستیابی به انتشار خالص صفر ممکن است به طور قابل توجهی کوتاه‌تر از محاسبات قبلی نهادهای بین‌المللی باشد.[1][5][6]

با وجود دقت داده‌ها، محققان در مورد اینکه نتایج «بیوسفر ۲» تا چه حد کاملاً با دنیای واقعی مطابقت دارد، عدم قطعیت شفافی را حفظ می‌کنند. در حالی که این مزوکوزم محصور کنترل تجربی بی‌نظیری را فراهم می‌کند، جنگل‌های بارانی طبیعی دارای پروفایل‌های خاکی بسیار عمیق‌تر، میکروبیوم‌های به مراتب پیچیده‌تر، و سطح خیره‌کننده‌ای از تنوع زیستی هستند که از لحاظ نظری می‌توانند مسیرهای سازگاری پیش‌بینی نشده‌ای را ارائه دهند. علاوه بر این، این مطالعه غلظت دی‌اکسید کربن را در خلأ جدا می‌کند، اما در دنیای واقعی، افزایش سطح کربن با افزایش دما و الگوهای بارشی متغیر همراه است که می‌تواند اثر اشباع را تشدید کند یا واکنش‌های اکولوژیکی کاملاً متفاوتی را در طول دهه‌ها تغییر تدریجی ایجاد نماید.[1][2][3]