Förhoppningen var att jorden skulle kunna rädda oss. Med civilisationen som fortsätter att pumpa ständigt ökande mängder koldioxid in i atmosfären kanske växter - naturens koldrivare - kan packa upp en del av det överskottet av kol och begrava det under jorden i århundraden eller längre.

Det hoppet har drivit upp allt mer ambitiösa planer för minskning av klimatförändringen. Forskare vid Salk Institute, till exempel, hoppas till biotekniska växter vars rötter kommer att slita ut stora mängder av en kolrik, korkliknande substans som kallas suberin. Även efter att växten dör, tänker man, kolet i suberin borde vara begravt i århundraden. Detta Initiativ för utnyttjande av växter är kanske den ljusaste stjärnan i en fullsatt himla av klimatförändringslösningar baserade på de bruna grejerna under våra fötter.

Sådana planer beror kritiskt på förekomsten av stora, stabila, kolrika molekyler som kan hålla hundratals eller tusentals år under jorden. Sådana molekyler, kollektivt kallade humus, har länge varit en grundsten för markvetenskap; stora jordbruksmetoder och sofistikerade klimatmodeller bygger på dem.

Men under de senaste tio åren har markvetenskapen genomgått en tyst revolution, som liknar vad som skulle hända om fysik, relativitet eller kvantmekanik störtades. Förutom i det här fallet har nästan ingen hört talas om det - inklusive många som hoppas att jord kan rädda klimatet. "Det finns många människor som är intresserade av bindning som inte har kommit ikapp än", sa Margareta Torn, en jordforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

En ny generation jordstudier som drivs av moderna mikroskop och bildteknik har avslöjat att oavsett humus är det inte det långvariga ämnet som forskare trodde det var. Jordforskare har kommit fram till att även de största, mest komplexa molekylerna snabbt kan slukas av jordens rikliga och glupska mikrober. Den magiska molekylen du bara kan sticka i jorden och förvänta dig att stanna där kanske inte finns.

"Jag har Jordens egenskaper och egenskaper framför mig - den vanliga läroboken, ”sa Gregg Sanford, en jordforskare vid University of Wisconsin, Madison. ”Teorin om ackumulering av organiskt kol i jorden som finns i den här läroboken har bevisats mestadels falsk ... och vi lär fortfarande ut det.

Konsekvenserna går långt utöver koldioxidbindningsstrategier. Stora klimatmodeller som de som produceras av mellanstatliga panelen för klimatförändringar är baserade på denna föråldrade förståelse av mark. Flera senaste studier indikerar att dessa modeller underskattar den totala mängden kol som kommer att släppas ut från jorden i ett värmande klimat. Dessutom är datormodeller som förutsäger växthusgaseffekterna av jordbruksmetoder - förutsägelser som används på koldioxidmarknader - förmodligen alltför optimistiska om markens förmåga att fånga och hålla fast vid kol.

Det kan fortfarande vara möjligt att lagra kol under jorden på lång sikt. Faktum är att radioaktiva dateringsmätningar tyder på att en viss mängd kol kan stanna i jorden i århundraden. Men tills markforskare bygger ett nytt paradigm för att ersätta det gamla - en process som nu pågår - kommer ingen helt att förstå varför.

Humus död

Jord ger inte upp sina hemligheter lätt. Dess beståndsdelar är små, varierade och upprörande många. På ett absolut minimum består den av mineraler, förfallande organiskt material, luft, vatten och enormt komplexa ekosystem av mikroorganismer. En tesked frisk jord innehåller fler bakterier, svampar och andra mikrober än det finns människor på jorden.

Den tyska biologen Franz Karl Achard var en tidig pionjär när det gäller att förstå kaoset. I en banbrytande studie från 1786 använde han alkalier för att extrahera molekyler av långa kolkedjor från torvjord. Under århundradena kom forskare att tro att sådana långa kedjor, gemensamt kallade humus, utgjorde en stor pool av jordkol som motstår nedbrytning och ganska mycket bara sitter där. En mindre fraktion bestående av kortare molekyler ansågs mata mikrober, som andade koldioxid till atmosfären.

Denna uppfattning utmanades ibland, men i mitten av 20-talet var humusparadigmet "det enda spelet i stan", sade Johannes Lehmann, en jordforskare vid Cornell University. Jordbrukarna instruerades att anta metoder som skulle bygga humus. I själva verket är förekomsten av humus förmodligen en av de få markvetenskapliga fakta som många icke-forskare kan recitera.

Det som hjälpte till att bryta humus grepp om markvetenskap var fysik. Under andra hälften av 20-talet tillät kraftfulla nya mikroskop och tekniker som kärnmagnetisk resonans och röntgenspektroskopi jordforskare för första gången att kika direkt i jorden och se vad som fanns där, snarare än att dra ut saker och sedan titta på dem.

Vad de hittade - eller, mer specifikt, vad de inte hittade - var chockerande: det fanns få eller inga långa "motstridiga" kolmolekyler - det slag som inte går sönder. Nästan allt verkade vara litet och i princip smältbart.

"Vi ser inga molekyler i jord som är så motstridiga att de inte kan brytas ned", sa Jennifer Pett-Ridge, en jordvetare vid Lawrence Livermore National Laboratory. "Mikrober kommer att lära sig att bryta ner allt - även riktigt otäcka kemikalier."

Lehmann, vars studier med avancerad mikroskopi och spektroskopi var bland de första som avslöjade frånvaron av humus, har blivit konceptets debunker-in-chief. En 2015 Natur papper han var medförfattare till konstaterar att "de tillgängliga bevisen inte stöder bildandet av stora molekylära och ihållande" humiska ämnen "i jord." År 2019 höll han ett samtal med en bild som innehöll ett tillkännagivande om "vår vän, konceptet Humus."

Under det senaste decenniet eller så har de flesta markforskare kommit att acceptera denna uppfattning. Ja, jorden är enormt varierad. Och det innehåller mycket kol. Men det finns inget kol i jord som i princip inte kan brytas ner av mikroorganismer och släppas ut i atmosfären. Den senaste utgåvan av Jordens egenskaper och egenskaper, som publicerades 2016, citerar Lehmanns artikel från 2015 och erkänner att "vår förståelse av jordhumus natur och ursprung har utvecklats mycket sedan sekelskiftet, vilket kräver att vissa sedan länge accepterade koncept revideras eller överges."

Gamla idéer kan dock vara mycket motstridiga. Få utanför markvetenskapens område har hört talas om humusens bortgång.

Begravda löften

Samtidigt som markforskare återupptäckte vad just jord är, avslöjade klimatforskare att ökande mängder koldioxid i atmosfären snabbt värmer upp klimatet, med potentiellt katastrofala konsekvenser.

Tankarna vände sig snart om att använda jord som en gigantisk kolsänka. Jordar innehåller enorma mängder kol - mer kol än i jordens atmosfär och all dess vegetation tillsammans. Och medan vissa metoder som plöjning kan leda till att kolodling, över mänsklig historia, har släppt en uppskattning 133 miljarder ton kol i atmosfären - jordar kan också ta upp kol när växter dör och deras rötter sönderfaller.

Forskare började föreslå att vi kanske skulle kunna locka tillbaka stora mängder atmosfäriskt kol i jorden för att dämpa eller till och med vända skadorna av klimatförändringar.

I praktiken har detta visat sig svårt. En tidig idé att öka kollagren - plantera grödor utan att jordbearbeta - har mest fallit platt. När bönder hoppade över jordbearbetningen och istället borrade frön i marken växte kolförråd i övre jordlager, men de försvann från nedre lager. De flesta experter tror nu att praxis omfördelar kol i marken snarare än att öka det, även om det kan förbättra andra faktorer som vattenkvalitet och markhälsa.

Ansträngningar som Harnessing Plants Initiative representerar något som jordkolbindning 2.0: ett mer direkt ingripande för att i huvudsak stoppa en massa kol i marken.

Initiativet kom fram när två växtgenetiker vid Salk Institute, Joanne chory och Wolfgang Busch, kom med en idé: Skapa växter vars rötter producerar ett överskott av kolrika molekyler. Om de odlas i stor utsträckning kan sådana växter genom sina beräkningar binda upp till 20% av det överskott av koldioxid som människor tillför atmosfären varje år.

Forskarna nollade in sig på en komplex, korkliknande molekyl som kallas suberin, som produceras av många växtrötter. Studier från 1990- och 2000 -talet hade antytt att suberin och liknande molekyler kunde motstå sönderdelning i marken.

Med flashig marknadsföring fick Harnessing Plants Initiative uppmärksamhet. En första insamlingsrunda 2019 tog in över 35 miljoner dollar. Förra året bidrog multimiljardären Jeff Bezos med 30 miljoner dollar från sin "Earth Fund".

Men när projektet fick fart tog det tvivel. En grupp forskare noterade 2016 att ingen faktiskt hade observerat nedbrytningsprocessen av suberin. När dessa författare gjorde det relevanta experimentet fann de att mycket av suberinet sönderfallit snabbt.

År 2019 beskrev Chory projektet vid en TED-konferens. Asmeret Asefaw Berhe, en jordvetare vid University of California, Merced, som talade vid samma konferens, påpekade för Chory att enligt modern markvetenskap bör suberin, precis som alla kolhaltiga föreningar, bryta ner i marken. (Berhe, som har nominerats till att leda US Department of Energy's Office of Science, tackade nej till en intervjubegäran.)

Runt samma tid, Hanna Poffenbarger, en jordforskare vid University of Kentucky, gjorde en liknande kommentar efter att ha hört Busch tala på en workshop. "Du borde verkligen få några jordforskare ombord, eftersom antagandet att vi kan föda upp för mer motstridiga rötter - det kanske inte är giltigt", påminner Poffenbarger om att han säger till Busch.

Frågor om projektet dök upp offentligt tidigare i år, när Jonathan Sanderman, en jordvetare vid Woodwell Climate Research Center i Woods Hole, Massachusetts, Tweeted, ”Jag trodde att jordens biogeokemgemenskap hade gått vidare från tanken att det finns en magisk motsträvig växtförening. Saknar jag lite ny viktig litteratur om suberin? ” En annan jordvetare svarade”Nej, litteraturen antyder att suberin kommer att brytas ner precis som alla andra organiska växtkomponenter. Jag har aldrig förstått varför @salkinstitute har baserat deras Harnessing Plant Initiative på denna premiss. ”

Busch erkände i en intervju att "det finns ingen obrytbar biomolekyl." Men med hänvisning publicerade papper om suberins motstånd mot nedbrytning sa han: "Vi är fortfarande mycket optimistiska när det gäller suberin."

Han noterade också ett andra initiativ som Salk-forskare bedriver parallellt med att förbättra suberin. De försöker designa växter med längre rötter som kan avsätta kol djupare i jorden. Oberoende experter som Sanderman är överens om att kol tenderar att hålla fast längre i djupare jordlager, vilket sätter lösningen på en potentiellt fastare konceptuell mark.

Chory och Busch har också inlett samarbeten med Berhe respektive Poffenbarger. Poffenbarger kommer till exempel att analysera hur jordprover som innehåller suberinrika växtrötter förändras under olika miljöförhållanden. Men även dessa studier kommer inte att svara på frågor om hur länge suberin håller fast, sade Poffenbarger - viktigt om målet är att hålla koldioxid ur atmosfären tillräckligt länge för att göra en bucklan i den globala uppvärmningen.

Utöver Salk-projektet strömmar fart och pengar mot andra klimatprojekt som skulle förlita sig på långsiktig koldioxidavskiljning och lagring i jord. I ett tal i april till kongressen till exempel president Biden föreslog betala jordbrukare för att plantera täckgrödor, som odlas inte för skörd utan för att vårda jorden mellan planteringar av kontanta grödor. Bevis tyder på att när täckgrödans rötter bryts ner stannar en del av kolet i jorden - även om det är som en suberin, hur länge det varar en öppen fråga.

Inte tillräckligt med buggar i koden

Omstridigt kol kan också förvränga klimatförutsägelsen.

På 1960-talet började forskare skriva stora, komplexa datorprogram för att förutsäga det globala klimatets framtid. Eftersom jord både tar upp och släpper ut koldioxid försökte klimatmodeller ta hänsyn till markens interaktioner med atmosfären. Men det globala klimatet är fantastiskt komplext, och för att programmen ska kunna köras på tidens maskiner var förenklingar nödvändiga. För jord gjorde forskare en stor: De ignorerade helt mikrober i jorden. Istället delade de i grunden markkol i kortsiktiga och långvariga pooler, i enlighet med humusparadigmet.

Nyare generationer av modeller, inklusive sådana som mellanstatliga panelen för klimatförändringar använder för sina mycket lästa rapporter, är i huvudsak palimpsests byggda på tidigare, säger Torn. De antar fortfarande att jordkol finns i lång- och kortsiktiga pooler. Som en konsekvens kan dessa modeller överskatta hur mycket kol som kommer att fastna i marken och underskatta hur mycket koldioxid de kommer att släppa ut.

Förra sommaren, a studie publicerad i Natur undersökte hur mycket koldioxid som släpptes ut när forskare artificiellt värmde jorden i en panamansk regnskog för att efterlikna klimatförändringarnas långsiktiga effekter. De fann att den uppvärmda jorden släppte ut 55% mer kol än närbelägna ovärmda områden - en mycket större utsläpp än vad de flesta klimatmodeller förutsade. Forskarna tror att mikrober i jorden växer mer aktiva vid de varmare temperaturerna, vilket leder till ökningen.

Studien var särskilt nedslående eftersom det mesta av världens jordkol finns i tropikerna och den norra boreala zonen. Trots detta är ledande markmodeller kalibrerade till resultat från markstudier i tempererade länder som USA och Europa, där de flesta studier historiskt har gjorts. "Det går ganska dåligt på höga breddgrader och i tropikerna", säger Lehmann.

Även tempererade klimatmodeller behöver förbättras. Torn och kollegor rapporterade tidigare i år att, i motsats till förutsägelser, släppte djupa jordlager i en skog i Kalifornien ungefär en tredjedel av sitt kol när de värmdes upp i fem år.

I slutändan, säger Torn, måste modellerna representera jord som något närmare vad det egentligen är: en komplex, tredimensionell miljö som styrs av en hyperdiversitetig grupp av kolsvampande bakterier, svampar och andra mikroskopiska varelser. Men även mindre steg skulle vara välkomna. Bara att lägga till mikrober som en enda klass skulle vara stora framsteg för de flesta modeller, sa hon.

Bördig jord

Om humusparadigmet närmar sig sitt slut blir frågan: Vad kommer att ersätta det?

En viktig och långt förbises faktor verkar vara den tredimensionella strukturen i markmiljön. Forskare beskriver jorden som en värld för sig själv, med motsvarighet till kontinenter, hav och bergskedjor. Denna komplexa mikrogeografi avgör var mikrober som bakterier och svampar kan gå och var de inte kan; vilken mat de kan få tillgång till och vad som är utanför gränserna.

En jordbakterie "kan bara vara 10 mikron bort från en stor bit organiskt material som jag är säker på att de gärna skulle bryta ned, men det är på andra sidan av ett kluster av mineraler", säger Pett-Ridge. "Det är bokstavligen som om det är på andra sidan planeten."

En annan relaterad och dåligt förstådd ingrediens i ett nytt jordparadigm är kolets öde i jorden. Forskare tror nu att nästan allt organiskt material som kommer in i jorden kommer att smälta av mikrober. "Nu är det verkligen klart att jordens organiska material bara är den lösa sammansättningen av växtmaterial i olika grad av nedbrytning", säger Sanderman. Vissa kommer sedan att andas ut i atmosfären som koldioxid. Vad som finns kvar kan ätas av en annan mikrob - och en tredje, och så vidare. Eller så kan det binda till lite lera eller fastna i ett jordaggregat: en porös klump av partiklar som ur mikrobens synvinkel kan vara lika stora som en stad och lika ogenomträngliga som en fästning. Studier av kolisotoper har visat att mycket kol kan fastna i jorden i århundraden eller till och med längre. Om humus inte stabiliserar sig kanske det är mineraler och aggregat.

Innan markvetenskap tar ställning till en ny teori kommer det utan tvekan att finnas fler överraskningar. En kan ha varit levereras nyligen av en grupp forskare vid Princeton University som konstruerade en förenklad konstgjord jord med hjälp av mikrofluidiska enheter - i huvudsak små plastkanaler för att flytta runt bitar av vätska och celler. Forskarna fann att kol som de placerade i ett aggregat av bitar av lera skyddades från bakterier. Men när de tillsatte ett matsmältningsenzym frigjordes kolet från aggregatet och tappades snabbt upp. "Till vår förvåning hade ingen dragit denna koppling mellan enzymer, bakterier och fångat kol", säger Howard Stone, en ingenjör som ledde studien.

Lehmann driver på att ersätta den gamla dikotomin av stabilt och instabilt kol med en "jordkontinuummodell" av kol i progressiva nedbrytningsstadier. Men den här modellen och andra liknande är långt ifrån komplett, och vid denna tidpunkt mer konceptuell än matematiskt förutsägbar.

Forskare är överens om att markvetenskap är mitt i ett klassiskt paradigmskifte. Vad ingen vet är exakt var fältet kommer att landa - vad som kommer att skrivas i nästa upplaga av läroboken. "Vi går igenom en konceptuell revolution", sa Mark Bradford, en jordvetare vid Yale University. ”Vi har inte riktigt fått en ny katedral än. Vi har ett helt gäng kyrkor som har dykt upp. ”