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植物はこれまで考えられていたよりも31％多くCO2を吸収する


オークリッジ国立研究所　2024年11月2日



光合成の代理として硫化カルボニルを用いたこの研究は、「炭素」吸収源としての熱帯雨林の重要な役割を浮き彫りにし、気候予測における正確な光合成モデリングの重要性を強調している。


Nature誌に掲載されたこの研究は、気候動向の予測に使用される地球システムモデルを強化することが期待され、「温室効果ガス」排出を緩和する上で自然の「炭素」隔離が重要な役割を果たすことを強調している。


陸上植物の光合成によって大気から除去されるCO2の量は、陸上総一次生産量（GPP）として知られている。


これは、地球上で陸地と大気の間で行われている最大の「炭素」交換である。GPPは通常、1年当たりの炭素のペタグラムで表される。


1ペタグラムは10億トンに相当し、これは2億3,800万台のガソリン乗用車から毎年排出されるCO2の量にほぼ等しい。



新しいモデルによる推定値の改善

コーネル大学が率いる科学者チームは、エネルギー省のオークリッジ国立研究所の支援を受け、新しいモデルと測定値を用いて、陸地からのGPPを年間157ペタグラムの「炭素」と評価した。


研究チームは、硫化カルボニル（OCS）という化学物質が、大気中から葉の葉緑体（光合成を行う植物細胞内の工場）に移動する過程を追跡する統合モデルを開発した。


研究チームは、OCSを追跡することで光合成活動を定量化した。この化合物は、CO2とほぼ同じ経路をたどり、光合成と密接な関係があり、CO2の拡散よりも追跡や測定が容易である。


これらの理由から、OCSは植物や葉のレベルで光合成のプロキシとして使われてきた。今回の研究では、OCSが大規模かつ長期間の光合成の推定に適しており、世界のGPPの信頼できる指標となることが示された。


研究チームは、モデル開発に情報を提供するために、さまざまな情報源からの植物データを利用した。その情報源の1つが、DOEの陸域生態系科学重点分野（TES-SFA）を支援するためにORNLに設立されたLeafWebデータベースである。


LeafWebは、炭素循環モデリングを支援するために、世界中の科学者から光合成形質に関するデータを収集している。科学者たちは、特に熱帯地方では雲によって妨げられる可能性のある衛星観測の代わりに、環境モニタリングタワーからの高解像度データと比較することによって、モデル結果を検証した。


この新しい推計の鍵は、中葉拡散と呼ばれるプロセス（OCSとCO2が葉から葉緑体へ移動し、そこで炭素固定が行われる）をより適切に表現することである。


中葉拡散を理解することは、植物が光合成をどの程度効率的に行っているのか、さらにはどのように環境の変化に適応しているのかを解明するために不可欠である。



中葉コンダクタンスの重要性

共著者であり、光合成の専門家であり、ORNL環境科学部門の著名なスタッフサイエンティストであるリアン・ホン・グ（Lianhong Gu）氏は、このプロジェクトのメソフィル・コンダクタンス・モデルの開発に貢献した。このモデルは、葉におけるOCSの拡散を数値的に表現するとともに、OCSの拡散と光合成の関連性を表現するものである。


植物が毎年どれだけのCO2を固定するかを解明することは、科学者たちがしばらく取り組んできた難問である。年間120ペタグラムという最初の見積もりは1980年代に確立されたもので、新しいアプローチを見つけ出そうとするうちに定着してしまった。最初の陸地での炭素の取り込みが、地球の炭素循環の残りの部分に影響を与えるからだ。


炭素循環の基本的なプロセスが、より大規模なモデルで適切に表現されていることを確認する必要がある。地球スケールのシミュレーションがうまく機能するためには、地球スケールのシミュレーションが、そのプロセスを最もよく理解している必要がある。この研究は、決定的な数値を提供するという点で、大きな前進である。



熱帯雨林と将来の気候予測への影響

汎熱帯雨林は、これまでの推定値と今回の数値の差を最も大きくしている。


この発見は、熱帯雨林がこれまで衛星データを使って推定されていたよりも重要な自然の炭素吸収源であることを示唆している。


陸地の生態系、特に木材のバイオマスが大量に蓄積されている森林において、どれだけの「炭素」を貯蔵できるかを理解することは、将来の「気候変動」を予測する上で不可欠である。


ORNLのコーポレートフェローであり、地球システム科学セクションのリーダーであるピーター・ソーントンは、「信頼できるグローバルスケールの観測によってGPPの推定値を厳密にすることは、将来の大気中のCO2や地球気候への影響に関する予測を改善する上で、非常に重要なステップである」と述べた。


この研究結果は、光合成のモデル表現に中葉コンダクタンスなどの重要なプロセスを含めることの重要性を指摘している。DOEの熱帯における次世代生態系実験では、「気候変動」に対する熱帯林の炭素循環応答のモデル予測を進めることを目標としている。


これらの結果は、熱帯林GPPの予測における不確実性を低減する新たなモデル開発に役立つ。


このプロジェクトには、コーネル大学統合植物科学部の他に、オランダのワーヘニンゲン大学・研究所、カーネギー科学研究所、コロラド州立大学、カリフォルニア大学サンタクルーズ校、NASAジェット推進研究所が協力した。


また、コーネル大学、全米科学財団、DOEのOffice of Science Biological and Environmental ResearchプログラムのスポンサーであるORNL TES-SFAからの支援も受けた。