希望は、土が私たちを救うかもしれないということでした.文明がこれまで以上に大量の二酸化炭素を大気中に排出し続けているため、おそらく植物 (自然の炭素スクラバー) は、その過剰な炭素の一部をまとめて、何世紀にもわたって地下に埋めることができるかもしれません.
その希望は、ますます野心的な気候変動緩和計画に拍車をかけています。たとえば、ソーク研究所の研究者たちは、スベリンと呼ばれる炭素を豊富に含むコルクのような物質を根から大量に生産する植物をバイオエンジニアリングすることを望んでいます。植物が枯れた後でも、スベリンの炭素は何世紀にもわたって埋もれたままであるはずです.植物を利用するこのイニシアチブは、おそらく、私たちの足元にある茶色いものに基づいた気候変動ソリューションの群れの中でも、最も明るいスターです。
そのような計画は、地下で何百年も何千年も存続できる、大きくて安定した、炭素が豊富な分子の存在に大きく依存しています。まとめて腐植と呼ばれるそのような分子は、長い間土壌科学の要でした。主要な農業慣行と洗練された気候モデルは、それらに基づいて構築されています。
しかし、過去 10 年ほどの間に、土壌科学は静かな革命を遂げました。これは、物理学で相対性理論や量子力学が覆された場合に起こることと似ています。この場合を除いて、ほとんど誰もそれについて聞いたことがありません - 土壌が気候を救うことができることを望んでいる多くの人を含みます.ローレンス・バークレー国立研究所の土壌科学者であるマーガレット・トーンは、「隔離に興味を持ち、まだ追いついていない人がたくさんいます。
最新の顕微鏡と画像技術を活用した新世代の土壌研究により、腐植土が何であれ、科学者が信じていた持続性のある物質ではないことが明らかになりました。土壌研究者は、最大で最も複雑な分子でさえ、土壌の豊富で貪欲な微生物によってすぐに食い尽くされる可能性があると結論付けました.土にくっついてそこにとどまることを期待できる魔法の分子は、存在しないかもしれません。
「私は土壌の性質と特性を持っています ウィスコンシン大学マディソン校の土壌研究者であるグレッグ サンフォードは、次のように述べています。 「その教科書にある土壌有機炭素蓄積の理論は、ほとんど誤りであることが証明されています…そして私たちはまだそれを教えています.」
その結果は、炭素隔離戦略をはるかに超えています。気候変動に関する政府間パネルによって作成されたものなどの主要な気候モデルは、土壌に関するこの時代遅れの理解に基づいています。最近のいくつかの研究は、これらのモデルが、温暖化した気候で土壌から放出される炭素の総量を過小評価していることを示しています。さらに、農業慣行の温室効果ガスの影響を予測するコンピューター モデル (炭素市場で使用されている予測) は、炭素を閉じ込めて保持する土壌の能力についておそらく過度に楽観的です。
炭素を地下に長期貯蔵することはまだ可能かもしれません。実際、放射性年代測定によると、ある程度の量の炭素が何世紀にもわたって土壌にとどまる可能性があることが示唆されています。しかし、土壌科学者が古いパラダイムに取って代わる新しいパラダイムを構築するまでは — 現在進行中のプロセス — その理由を完全に理解する人は誰もいません.
フムスの死
土壌はその秘密を簡単に明かすことはありません。その成分は小さく、多様で、とてつもなく多い。最低限、ミネラル、腐敗する有機物、空気、水、そして非常に複雑な微生物の生態系で構成されています。小さじ 1 杯の健康な土には、地球上の人間よりも多くのバクテリア、菌類、その他の微生物が含まれています。
ドイツの生物学者であるフランツ・カール・アチャードは、カオスを理解する初期のパイオニアでした。 1786 年の画期的な研究で、彼はアルカリを使用して、長い炭素鎖でできた分子を泥炭土壌から抽出しました。何世紀にもわたって、科学者たちは、まとめて腐植土と呼ばれるそのような長い鎖が、分解に抵抗し、ほとんどそこにとどまっている土壌炭素の大きなプールを構成していると信じるようになりました.より短い分子からなるより小さな部分は、二酸化炭素を大気に放出する微生物の餌になると考えられていました.
この見解は時折異議を唱えられたが、20 世紀半ばまでに、腐植パラダイムは「町で唯一のゲーム」であったと、コーネル大学の土壌科学者 Johannes Lehmann は述べた。農民は、腐植を構築することになっている慣行を採用するように指示されました.実際、腐植の存在はおそらく、多くの非科学者が暗唱できる数少ない土壌科学の事実の 1 つです。
土壌科学に対する腐植土の支配を打破するのに役立ったのは物理学でした。 20世紀後半、核磁気共鳴やX線分光法などの強力な新しい顕微鏡と技術により、土壌科学者は初めて、物を取り出して見るのではなく、土壌を直接覗き込んでそこにあるものを見ることができるようになりました.
彼らが見つけたもの、またはより具体的には、彼らが見つけられなかったものは衝撃的でした.分解しない種類の「扱いにくい」炭素分子はほとんど、またはまったくありませんでした。ほとんどすべてが小さく、原則として消化可能であるように見えました.
ローレンス・リバモア国立研究所の土壌科学者であるジェニファー・ペットリッジは、「分解できないほど扱いにくい分子は土壌中に見られません。 「微生物はあらゆるものを分解することを学びます — 本当に厄介な化学物質でさえも。」
高度な顕微鏡法と分光法を使用した研究で腐植土が存在しないことを最初に明らかにした Lehmann 氏は、この概念の最高責任者になりました。 2015 自然 彼が共同執筆した論文は、「利用可能な証拠は、土壌中の大きな分子サイズで持続的な「フミン物質」の形成を支持していません」と述べています. 2019年、彼は「私たちの友人、Humusのコンセプト」の模擬死の発表を含むスライドで講演を行いました.
過去 10 年ほどの間に、ほとんどの土壌科学者がこの見解を受け入れるようになりました。はい、土壌は非常に多様です。そして、炭素を多く含んでいます。しかし、原則として、微生物によって分解されて大気中に放出されない炭素は土壌に存在しません。 The Nature and Properties of Soils の最新版 は、2016 年に公開された Lehmann の 2015 年の論文を引用し、「土壌腐植の性質と起源に関する私たちの理解は、20 世紀の変わり目以降、大きく進歩し、長い間受け入れられてきたいくつかの概念を修正または放棄する必要が生じた」ことを認めています。
ただし、古いアイデアは非常に扱いにくい場合があります。土壌科学の分野以外では、腐植の終焉について聞いたことがある人はほとんどいません.
埋もれた約束
土壌科学者が土壌とは何かを再発見すると同時に、気候研究者は、大気中の二酸化炭素量の増加が気候を急速に温暖化し、破滅的な結果をもたらす可能性があることを明らかにしていました.
考えはすぐに、巨大な炭素吸収源として土壌を利用することに変わりました。土壌には膨大な量の炭素が含まれており、地球の大気とそのすべての植生を合わせた量よりも多くの炭素が含まれています。また、耕作などの特定の慣行はその炭素をかき立てることができます — 農業は、人類の歴史上、大気中に推定 1,330 億トンの炭素を放出しました — 植物が死に、その根が分解するにつれて、土壌も炭素を吸収する可能性があります。
科学者たちは、大量の大気中の炭素を土壌に戻して、気候変動の被害を弱めたり、逆にしたりすることができるかもしれないと示唆し始めました.
実際には、これは困難であることが証明されています。土壌を耕さずに作物を植えるという炭素貯蔵量を増やすという初期のアイデアは、ほとんど失敗に終わりました。農家が耕作をスキップして、代わりに地面に種を掘削すると、炭素貯蔵庫は土壌の上部層に成長しましたが、下部層からは消失しました。現在、ほとんどの専門家は、この慣行は炭素を増加させるのではなく、土壌内で再分配すると信じていますが、水質や土壌の健康などの他の要因を改善することはできます.
Harnessing Plants Initiative のような取り組みは、土壌炭素隔離 2.0 のようなものを表しています。つまり、実質的に大量の炭素を地面に詰め込むためのより直接的な介入です。
このイニシアチブは、ソーク研究所の科学者チームがアイデアを思いついたときに生まれました。それは、根が炭素に富む分子を過剰に生成する植物を作成することです。彼らの計算によると、このような植物は、広く栽培された場合、人間が毎年大気に追加する過剰な二酸化炭素の最大 20% を隔離する可能性があります。
ソークの科学者たちは、多くの植物の根によって生成される、スベリンと呼ばれる複雑なコルクのような分子に注目しました。 1990 年代と 2000 年代の研究は、スベリンと同様の分子が土壌中での分解に抵抗できることを示唆していました.
派手なマーケティングで、Harnessing Plants Initiative は注目を集めました。 2019 年の最初の資金調達ラウンドでは、3,500 万ドル以上が集まりました。昨年、億万長者のジェフ・ベゾスは「地球基金」から 3,000 万ドルを寄付しました。
しかし、プロジェクトが勢いを増すにつれて、懐疑的な人々が集まりました。ある研究者グループは、2016 年にスベリンの分解プロセスを実際に観察した人は誰もいなかったと指摘しました。それらの著者が関連する実験を行ったとき、彼らはスベリンの多くが急速に崩壊することを発見しました.
2019 年、植物遺伝学者であり、Harnessing Plant Initiative のプロジェクト リーダーの 1 人である Joanne Chory は、TED カンファレンスでこのプロジェクトについて説明しました。同じ会議で講演したカリフォルニア大学マーセド校の土壌科学者である Asmeret Asefaw Berhe は Chory に、現代の土壌科学によれば、スベリンは他の炭素含有化合物と同様に土壌中で分解されるはずであると指摘した. (米国エネルギー省の科学局を率いるために指名された Berhe は、インタビューの要求を断りました。)
同じ頃、ケンタッキー大学の土壌研究者であるハンナ・ポッフェンバーガーは、もう一人のプロジェクトリーダーであるウォルフガング・ブッシュがワークショップで話すのを聞いた後、同様のコメントをしました. 「もっと反抗的な根を育むことができるという仮定は有効ではないかもしれないので、何人かの土壌科学者を実際に乗船させるべきです」と Poffenbarger は Busch に語ったことを思い出します。
このプロジェクトに関する疑問は今年初め、マサチューセッツ州ウッズホールにあるウッドウェル気候研究センターの土壌科学者であるジョナサン・サンダーマンがツイートしたときに公に表面化しました。植物化合物。スベリンに関する重要な新しい文献を見逃していませんか?」別の土壌科学者は、「いいえ、文献はスベリンが他のすべての有機植物成分と同じように分解されることを示唆しています. @salkinstitute がなぜこの前提に基づいて Harnessing Plant Initiative を立ち上げたのか、私にはまったく理解できません。」
ブッシュはインタビューで、「壊れない生体分子はない」ことを認めました。しかし、彼は、スベリンの分解に対する抵抗性に関する公開された論文を引用して、「スベリンに関しては、私たちはまだ非常に楽観的です.」と述べました.
彼はまた、ソークの研究者がスベリンの強化と並行して追求している 2 つ目のイニシアチブにも注目しました。彼らは、土壌の奥深くに炭素を堆積させることができる、より長い根を持つ植物を設計しようとしています. Sanderman などの独立した専門家は、炭素はより深い土壌層に長く留まる傾向があり、その解決策をより強固な概念的基盤に置く可能性があることに同意しています.
Chory と Busch は、それぞれ Berhe と Poffenbarger とのコラボレーションも開始しました。たとえば、Poffenbarger は、スベリンが豊富な植物の根を含む土壌サンプルが、さまざまな環境条件下でどのように変化するかを分析します。しかし、これらの研究でさえ、スベリンがどれくらいの期間存続するかについての疑問には答えられないと、ポッフェンバーガー氏は述べています。これは、地球温暖化を食い止めるのに十分な期間、大気中の炭素を維持することが目標である場合に重要です.
ソーク プロジェクトを超えて、長期的な炭素の隔離と土壌への貯蔵に依存する他の気候プロジェクトに勢いと資金が流れています。たとえば、バイデン大統領は 4 月の議会での演説で、収穫のためではなく、換金作物の植え付けの間に土壌を育てるために栽培される被覆作物を植えるために農家に支払いをすることを提案しました。被覆作物の根が崩壊すると、炭素の一部が土壌にとどまることが証拠によって示唆されていますが、スベリンと同様に、それがどのくらい続くかは未解決の問題です.
コードのバグが不十分
手に負えない炭素も、気候予測をゆがめている可能性があります。
1960 年代、科学者たちは地球規模の気候の未来を予測するために、大規模で複雑なコンピューター プログラムを書き始めました。土壌は二酸化炭素の吸収と放出の両方を行うため、気候モデルは土壌と大気との相互作用を考慮に入れようとしました。しかし、世界の気候は非常に複雑であり、当時のマシンでプログラムを実行できるようにするには、単純化が必要でした。土壌に関しては、科学者たちは大きな成果を上げました。彼らは土壌中の微生物を完全に無視しました。代わりに、腐植パラダイムに従って、基本的に土壌炭素を短期プールと長期プールに分けました。
気候変動に関する政府間パネルが広く読まれているレポートに使用するものを含む、より最近の世代のモデルは、本質的に以前のモデルに基づいて構築されたパリンプセストである、と Torn は述べた。彼らは、土壌炭素が長期的および短期的なプールに存在すると依然として想定しています。結果として、これらのモデルは、土壌に留まる炭素の量を過大評価し、排出する二酸化炭素の量を過小評価している可能性があります.
昨年の夏、Nature に発表された研究 気候変動の長期的な影響を模倣するために研究者がパナマの熱帯雨林の土壌を人工的に暖めたときに放出される二酸化炭素の量を調べました.彼らは、暖められた土壌が、近くの暖められていない地域よりも 55% 多い炭素を放出することを発見しました。これは、ほとんどの気候モデルで予測されるよりもはるかに多い放出です。研究者たちは、土壌中の微生物は気温が高いほど活発になり、増加につながると考えています.
世界の土壌炭素のほとんどが熱帯地方と北方寒帯にあるため、この研究は特にがっかりしました。それにもかかわらず、主要な土壌モデルは、歴史的にほとんどの研究が行われてきた米国やヨーロッパなどの温帯諸国での土壌研究の結果に合わせて調整されています。 「高緯度と熱帯地方ではかなりうまくいっていません」と Lehmann 氏は述べています。
温帯気候モデルでさえ改善が必要です。 Torn らは今年初め、予測に反して、カリフォルニアの森林の深い土壌層が 5 年間暖められたときに炭素の約 3 分の 1 を放出したことを報告しました。
最終的には、モデルは土壌を実際に近いものとして表現する必要があると Torn 氏は述べています。それは、炭素を貪食するバクテリア、菌類、その他の微視的な存在の超多様なコミュニティによって支配される複雑な 3 次元環境です。しかし、さらに小さなステップでも大歓迎です。単一のクラスとして微生物を追加するだけで、ほとんどのモデルにとって大きな進歩になると彼女は言いました.
肥沃な大地
腐植パラダイムが終わりに近づいている場合、問題は次のようになります:何がそれに取って代わるのか?
長い間見過ごされてきた重要な要因の 1 つは、土壌環境の 3 次元構造のようです。科学者たちは、土壌を大陸、海、山脈に相当する世界として説明しています。この複雑な微地形は、細菌や真菌などの微生物がどこに行き、どこに行けないかを決定します。彼らがアクセスできる食べ物と立ち入り禁止の食べ物.
土壌細菌は、「有機物の大きな塊からわずか 10 ミクロンしか離れていない可能性があり、それらは分解したいと考えていますが、鉱物のクラスターの反対側にあります」と Pett-Ridge 氏は述べています。 「まるで地球の反対側にいるかのようです。」
新しい土壌パラダイムのもう 1 つの関連する、よく理解されていない要素は、土壌内の炭素の運命です。研究者は現在、土壌に入るほとんどすべての有機物が微生物によって消化されると考えています.サンダーマン氏は、「土壌有機物は、さまざまな程度の劣化を伴う植物の緩い集合体に過ぎないことは明らかです」と述べています。一部は二酸化炭素として大気中に吸い込まれます。残ったものは、別の微生物によって食べられる可能性があります。あるいは、少量の粘土に結合したり、土壌凝集体の内部に閉じ込められたりする可能性があります。これは、微生物の観点からは、都市と同じくらい大きく、要塞と同じくらい侵入できない粒子の多孔質の塊です.炭素同位体の研究は、多くの炭素が何世紀にもわたって土壌に留まる可能性があることを示しています.腐植土が安定化を行っていない場合、おそらくミネラルと骨材が安定化を行っています.
土壌科学が新しい理論に落ち着く前に、さらに多くの驚きがあるでしょう。 1つは、プリンストン大学の研究者グループによって最近提供された可能性があります。マイクロ流体デバイスを使用して単純化された人工土壌を構築しました。基本的には、液体と細胞の小片を移動するための小さなプラスチックチャネルです。研究者たちは、粘土の小片でできた骨材の中に入れた炭素がバクテリアから保護されていることを発見しました。しかし、消化酵素を加えると、炭素は凝集体から解放され、すぐに飲み込まれました. 「驚いたことに、酵素、バクテリア、閉じ込められた炭素の間のこの関係を誰も引き出していませんでした」と研究を率いたエンジニアのハワード・ストーンは言いました.
レーマンは、安定炭素と不安定炭素という古い二分法を、分解の進行段階にある炭素の「土壌連続体モデル」に置き換えることを推進しています。しかし、このモデルや他の同様のモデルは完全にはほど遠いものであり、現時点では数学的な予測というよりは概念的なものです。
研究者は、土壌科学が古典的なパラダイム シフトの真っ只中にあることに同意します。この分野がどこに着地するかは、正確には誰にもわかりません。教科書の次の版に何が書かれるかです。イェール大学の土壌科学者であるマーク・ブラッドフォードは、「私たちは概念的な革命を経験しています。 「私たちはまだ新しい大聖堂を手に入れていません。たくさんの教会が現れました。」
訂正: 2021 年 7 月 28 日
この記事は、ソークのチームが、スベリンを豊富に含む植物を使用して土壌中の炭素を隔離するというアイデアを考案したことを示すために改訂されました。
