The Earth functions as an integrated system-its current habitability to complex life is an emergent property dependent on interactions among biological, chemical, and physical components. As global warming affects ecosystem structure and function, so too will the biosphere affect climate by altering atmospheric gas composition and planetary albedo. Constraining these ecosystem-climate feedbacks is essential to accurately predict future change and develop mitigation strategies; however, the interplay among ecosystem processes complicates the assessment of their impact. Here, we explore the state-of-knowledge on how ecological and biological processes (e.g., competition, trophic interactions, metabolism, and adaptation) affect the directionality and magnitude of feedbacks between ecosystems and climate, using illustrative examples from the aquatic sphere. We argue that, despite ample evidence for the likely significance of many, our present understanding of the combinatorial effects of ecosystem dynamics precludes the robust quantification of most ecologically driven climate feedbacks. Constraining these effects must be prioritized within the ecological sciences for only by studying the biosphere as both subject and arbiter of global climate can we develop a sufficiently holistic view of the Earth system to accurately predict Earth's future and unravel its past.
La Terre fonctionne comme un système intégré—son habitabilité pour une vie complexe est une propriété émergente qui dépend des interactions entre les composantes biologiques, chimiques et physiques. Le réchauffement climatique affecte la structure et la fonction des écosystèmes, et en retour, la biosphère affecte également le climat en modifiant la composition des gaz atmosphériques et l'albédo planétaire. Il est essentiel de quantifier ces rétroactions entre les écosystèmes et le climat afin de prédire avec précision les changements futurs et élaborer des stratégies d'atténuation; cependant, l'interaction entre les processus écologiques complique l'évaluation de leurs impacts. Dans cet article, nous examinons l'état des connaissances sur la façon dont les processus écologiques et biologiques (par exemple, la concurrence, les interactions trophiques, le métabolisme, l'adaptation) affectent la directionnalité et l'ampleur des rétroactions entre les écosystèmes et le climat à l'aide d'exemples issus du monde aquatique. Nous soutenons que, malgré les nombreuses preuves de l'importance de plusieurs de ces rétroactions, notre compréhension limitée des effets additifs des processus écosystémiques empêche de faire une quantification robuste de la plupart des rétroactions climatiques d'origine écologique. Circonscrire ces effets doit être une priorité pour les sciences aquatiques, car ce n'est qu'en étudiant la biosphère en tant que sujet et arbitre du climat planétaire que nous pourrons développer une vision suffisamment holistique du système terrestre pour prédire avec précision l'avenir de la Terre et élucider son passé.
Die Erde funktioniert als einheitliches System—ihre derzeitige Bewohnbarkeit für komplexes Leben ist eine Eigenschaft, die sich entwickelt hat und von Wechselwirkungen zwischen biologischen, chemischen und physikalischen Komponenten abhängt. So wie die globale Erwärmung die Struktur und Funktion des Ökosystems beeinflusst, wird auch die Biosphäre das Klima beeinflussen, indem sie die Zusammensetzung der atmosphärischen Gase und die Albedo des Planeten verändert. Diese Ökosystem‐Klima‐Rückkopplungen zu bewerten ist von entscheidender Bedeutung für die genaue Vorhersage zukünftiger Veränderungen und zur Entwicklung von Minderungsstrategien. Das Zusammenspiel ökologischer Prozesse erschwert jedoch die Bewertung dieser Rückkopplungen. Anhand anschaulicher Beispiele aus aquatischen Lebensräumen, erläutern wir hier den Stand des Wissens darüber, wie ökologische und biologische Prozesse (z. B. Konkurrenz, trophische Interaktionen, Stoffwechsel, Anpassung) die Richtung und das Ausmaß von Rückkopplungen zwischen Ökosystemen und Klima beeinflussen können. Wir argumentieren, dass trotz zahlreicher Belege für die wahrscheinliche Bedeutung von ökologisch bedingten Klimarückkopplungen, unser derzeitiges Verständnis der additiven Effekte von Ökosystem Dynamiken eine zuverlässige Quantifizierung vieler ausschließt. Die Abschätzung dieser Auswirkungen sollte stärker in den Fokus innerhalb der Umweltwissenschaften rücken. Denn nur wenn wir verstehen, wie die Biosphäre und das globale Klima einander beeinflussen, können wir eine ausreichend ganzheitliche Betrachtung der Erde als integriertes System entwickeln. Nur mit dieser ganzheitlichen Betrachtung, werden wir in der Lage sein, die Zukunft der Erde genau vorherzusagen und ihre Vergangenheit aufzuklären.
המדע חייב לתעדף את אבחון ואפיון השפעות אלו משום שרק על ידי הסתכלות הוליסטית על מצב הביוספירה כסיבה ומסובב של האקלים העולמי ניתן יהיה לחזות במדויק את עתיד כדור הארץ ולפענח את עברו הראיות הרבות לחשיבותם האפשרית של רבים מתהליכי המערכת האקולוגית, ההבנה הקיימת אינה מספקת לכימות סך השפעתם על שינויי האקלים.כדור הארץ פועל כמערכת משולבת — יכולתו לתמוך בחיים מורכבים הוא מאפיין התלוי ביחסי הגומלין בין רכיביו הביולוגיים, הכימיים והפיזיקליים. ככל שההתחממות הגלובלית משפיעה על המבנה ופעולתה של המערכת האקולוגית, כך גם הביוספירה תשפיע על האקלים על ידי שינוי הרכב הגזים האטמוספריים ובאלבדו הפלנטרי. אפיון לולאות משוב אלו חיוני לחיזוי מדוייק של שינויים עתידיים ולפיתוח אסטרטגיות להפחתת נזקים; אולם, קשרים בין תהליכים אקולוגיים שונים והשפעתם ההדדית מקשים על הערכת סך השפעתם הכוללת. כאן, אנו חוקרים את הידע הקיים על האופן בו תהליכים אקולוגיים וביולוגיים (לדוגמא, תחרות, יחסים טרופיים, מטבוליזם, התאמה) משפיעים על כיווניות וגודל לולאות המשוב בין מערכות אקולוגיות והאקלים, באמצעות דוגמאות ממערכות מיימיות. אנו טוענים כי, למרות.
Keywords: Gaia hypothesis; albedo; biological carbon pump; biological feedback; carbon sequestration; climate change; ecosystem response; greenhouse gases.
© 2024 The Author(s). Global Change Biology published by John Wiley & Sons Ltd.