『世界の本当の仕組み』（2022年）は、現代世界の核心にあるパラドックスに挑む。私たちはこれまでにないほど多くの情報を手にしながら、実際の仕組みについてはかつてないほど無知だ。もちろん、あらゆる分野の専門家にはなれない。しかしヴァーツラフ・スミルは、社会とその未来を形づくる根本的な問いについて、市民として基礎を知っておく義務があると説く。
この要約で得られること——エネルギー利用と食料生産の基礎を学ぶ
1500年当時、真の「ルネサンス人」、つまりあらゆることを知る碩学に出会うのは不可能ではなかった。レオナルド・ダ・ヴィンチを思い浮かべてほしい。その知識は水力学から航空学、解剖学にまで及んだ。しかし18世紀までに、そうした人物は存在しなくなった。フランスの偉大な頭脳たちが知る価値のあるすべてを網羅した百科全書を編もうとしたとき、彼らはチームを必要としたのだ。
今日、私たちの世界理解はあまりに進み、数千巻に及ぶ百科全書ですら十分に伝えきれない。知識は細分化され、ひとつの学問を極めるのに一生を要する。ウイルス免疫学の最新論文の最初のページを理解することは、素粒子物理学者はもちろん、専門の歴史家にとっても非常に難しい。だが、それは私たちが世界の基本的な仕組みを知らないことの言い訳にはならない。最先端の神経生物学を理解しろとは言えないが、自分の皿にのった食べ物がどう作られたかくらいは理解できるはずだ——これがヴァーツラフ・スミルが『世界の本当の仕組み』で展開する主張である。
スミルにとって、そうした知識は民主主義の機能に不可欠だ。もし基本的な知識を持たなければ、現代の最も重要な問題について情報に基づく判断を下せなくなってしまう。『世界の本当の仕組み』でスミルは、誰もが知るべき七つのテーマに焦点を当てる。この要約では、それをエネルギーと食料の二つに絞って紹介しよう。本要約では、次のことがわかる。
- 地球の大気がどのようにして動物の生命を支えるようになったか
- なぜ化石燃料によって約80億人に食料を供給できるのか
- 電気がいかに世界を動かしているか
地球上の生命の歴史は、エネルギー変換の歴史である
約35億年前、地球の表面の大部分が原始のスープに過ぎなかった頃、新たな生命の形が誕生した。単純な単細胞微生物である。これらのバクテリアは意識も移動能力も持たず、地球の海をただあてどなく漂っていた。しかし彼らは代謝、つまりあるエネルギーを別の形に変換する能力を持っていた。そうすることで生き残り、繁殖するために必要な栄養を得ていたのだ。
最初のエネルギー源は太陽からの放射エネルギーだった。彼らはそのエネルギーを使って二酸化炭素と水を新たな有機化合物に変えた。その過程で副産物として酸素を生み出した。光合成と呼ばれるこのプロセスが、地球の大気を一変させた。これらの微生物が光合成を始める前、大気には酸素がなかった。しかし数億年後、大気は私たちが知る生命を支えるのに十分な酸素を含むようになった。つまり、生命はエネルギー変換とともに始まったのだ。
そしてそのままの形で続いた。地球の全歴史はエネルギー変換の歴史である。たとえば数十万年前、もうひとつの画期的な転換が起きた。それは体外でのエネルギー利用、つまり体の外でのエネルギー変換の始まりだった。それまではすべてのエネルギー変換が生物の細胞内で起こっていた。言い換えれば代謝のみだった。
細胞はあるエネルギーを別の形に変換することで栄養を引き出す。そんな中、ひときわ賢い類人猿の一群——私たちの祖先——が、制御された植物性物質の燃焼を発見した。火は、木材であれ泥炭であれ石炭であれ、植物性物質に含まれる化学エネルギーを熱エネルギーと光に変換する。ホモ・サピエンスはもちろん最初に木材を使い始めた。石炭の登場ははるか後になる。しかしそれだけでも、消化できない食物を食べられるようにし、住まいを暖かく保ち、危険な動物を追い払うには十分だった。火の使用は、人類が環境を再形成し制御する長い道のりの第一歩だった。
約1万年前の動物の家畜化も、エネルギー変換史におけるもうひとつの画期である。人間が雄牛などの動物を働かせることを覚える前は、自分自身の筋肉だけを頼りに化学エネルギーを運動エネルギーや機械的エネルギーに変え、荷を運び、畑を耕し、井戸から水をくみ上げていた。家畜化によって、その役割が役畜に委ねられたのだ。 その後、帆や水車といった発明はその仕事を風や流れる川に任せるようになった。そして次なる画期、化石燃料の利用が現代をもたらす。1600年頃以降、人間は石炭を燃やし始めた。これは何百万年もの間、熱と圧力が植物性物質を化石化させて作られた燃料である。
石炭は蒸気機関を生んだ。初期の工業化を支えた鉄の作業馬だ。1850年頃からエネルギー変換の歴史はテンポを速め、原油、発電用水力・風力タービン、地熱発電、そして原子力や太陽光発電と、次々に新しいエネルギー源をもたらした。有用なエネルギーの豊富さは、人間の存在のあらゆる側面を変えた。より少なく働き、より良く食べ、より多く旅し、より効率的にコミュニケーションできるようになった。言い換えれば、現代生活の奇跡を理解したいなら、私たちがどのようにエネルギーを変換しているかから始めなければならない。
エネルギーとは「仕事をする能力」である
要するに、エネルギー変換こそがすべての生命の基盤である。それは人類の進化を推進し、私たちの種に地球を支配させた。このことを物理学者以上によく知る者はいない。1886年、熱力学の創始者の一人であるルートヴィヒ・ボルツマンは、エネルギーこそが万物の中心であるとの結論に達した。
すべての生命は自由エネルギーをめぐる闘いだと彼は述べた。自由エネルギーとは、変換に利用できるエネルギーのことである。1933年のノーベル物理学賞受賞者、エルヴィン・シュレーディンガーも同意した。あらゆる生物は自由エネルギーを摂取し、最もよくそのエネルギーを取り込める生物が進化上の優位を握る、と彼は書いた。この点はあとで再び触れるが、まず立ち止まって根本的な問いを投げかけよう。そもそも、エネルギーとは何なのか？ 古代ギリシアにさかのぼる語源が出発点として良い。それは「仕事」を意味する名詞エネルゲイアに由来する。
そしてそれがほぼ標準的な科学的定義でもある。エネルギーとは仕事をする能力なのだ。物理学において仕事とは、ある系において、変化を妨げようとする別の力に逆らって配置変化を生じさせる物理的動作を指す。つまり、物事を動かす力が仕事だということだ。言い換えれば、エネルギーは運動に関するものである。たとえば、二階の窓からテニスボールを持っているとすれば、そのボールは位置エネルギー、つまり運動を生み出す可能性を持っている。それを落とせば、位置エネルギーは運動の運動エネルギーへと変換される。
すべてのエネルギーは変換可能だ。あなたが食べる食べ物は化学エネルギーの貯蔵庫である。ランニングや片付けをすれば、それは運動エネルギーに変わる。一方、石炭の化学エネルギーは機械的エネルギーに変換できる。蒸気機関のピストンを動かす力だ。そして、ここで本当にエネルギーの本質に立ち戻る。それは変換なのだ。なぜならエネルギーは作ることも壊すこともできず、ただ形を変えられるだけだからだ。これがエネルギー保存の法則、熱力学の第一法則として知られる。
この仕組みは段ボール箱が積み下ろし用のスロープを滑り降りる様子を想像すればわかる。スロープの頂上にあったとき、箱は位置エネルギーを持っていた。ところが、うっかり押されてスロープを加速しながら下り、位置エネルギーが運動エネルギーに変換される。しかし箱はスロープを下るにつれて減速する。摩擦が運動を妨げるのだ。だが箱の運動エネルギーが失われたわけではない。それは熱エネルギーに変換され、箱とスロープの両方を温める。ここで失われたのは、その運動エネルギーが有用な仕事をする能力のほうだ。もはや箱を動かすことはできない。
これがざっくり言ってエネルギーの物理学である。だがもう少し抽象度を下げよう。先ほど、生物は自由エネルギー——有用な変換に使えるエネルギー——を最もよく取り込むものが進化上の優位に立つというシュレーディンガーの考えを引用した。それはホモ・サピエンスをよく言い表している。そこで、私たちの種がエネルギーを取り込んだ最も重要な方法のひとつ、農業を見てみよう。
化石燃料が農業に革命をもたらした
1950年から2019年にかけて、世界人口は25億人から77億人に増加した。食べるべき口が増えても、飢える人が増えたわけではない。
実際、世界全体の栄養不足人口の割合は1950年の65%から2019年にはわずか8.9%へと減少した。では、この劇的な栄養不良の減少を説明するものは何か？ 一つの答えは、作物が以前よりも多くの食料を生み出すようになったことだ。それはまた、優れた品種改良、改善された肥料、より良い灌漑、農業の機械化によるものである。しかしそれらはすべて投入要素に過ぎない。
それらを可能にしたものは何か？ その答えは化石燃料だ。現代の食料生産はハイブリッドであり、二種類の異なるエネルギー変換に依存している。第一のタイプはこの地球上の生命と同じくらい古い。植物から動物まで、私たちが食べるすべては光合成の結果である。太陽放射は、1万年前の農耕文明の黎明以来ずっと食料生産を支えてきた。
太陽がなければ、収穫すべきものは何もないと言っていい。しかし太陽放射だけでは、今日の高収量作物を説明できない。作物はまた、石油や天然ガスといった化石エネルギーにも依存している。コンバインのような省力機械は作物を収穫するのに軽油を必要とする。作物を市場に運ぶ列車、トラック、はしけも同様だ。灌漑ポンプ、作物の加工機、乾燥機はガソリンで動く。そしてトラクターやコンバイン、トラック、サイロ、温室に使われる鉄、ゴム、プラスチック、ガラス、電子機器を製造する工場も化石燃料で動いている。
しかし、それはまだ話の半分に過ぎない。高収量作物は集約的に管理される作物であり、損失を最小限に抑えるための殺菌剤、殺虫剤、除草剤と、生育を促進するための肥料を必要とする。それもまた燃料集約的だ。窒素肥料を例にとろう。農場では平均して1ヘクタールあたり100～200キログラムの窒素肥料を使用しており、これは農業における最も重要な間接的エネルギー投入となっている。窒素がなければ植物の生命は不可能だ。
それはあらゆる生きた細胞の中にある。光合成を駆動する葉緑素にも、植物のDNAやRNAにも含まれている。組織の成長や修復に必要なタンパク質の構成要素であるアミノ酸の中にも存在する。窒素はどこにでもある。地球の大気の80%以上は、この無色無臭の化合物でできている。問題は、自然界では主に不活性の形で存在し、植物が利用できないことだ。窒素を植物が使えるようにするには、二つの窒素原子の結合を切り離し、遊離窒素を解き放つ必要がある。
この状態になって初めて、窒素は化学的に他の元素と結合し、アンモニアや硝酸塩、亜硝酸塩といった、植物が吸収できる反応性の窒素化合物を形成する。雷などいくつかの自然現象は遊離窒素を生み出すが、雷を農業の投入要素として利用するわけにはいかない。一方でできるのは、アルファルファのような窒素固定作物を植えることだ。これらの植物の根には、窒素をアンモニアに変換するバクテリアが住んでおり、それによって土壌に窒素が「固定」される。しかしそれには時間がかかる。たとえば小麦の栽培をやめてアルファルファを植えなければならない。20世紀初頭、ドイツの科学者たちは合成窒素肥料の製造方法を解明した。
簡単に言えば、天然ガスを空気中の窒素と結合させてアップグレードするのだ。突然、人類が必要とするだけの肥料が手に入った。その結果、作物の収量は急上昇し、私たちは80億人近くを養えるまでになった。しかし、それは化石燃料への依存がかつてなく強まるという代償を伴った。今日、肥料生産は世界の全エネルギー供給のほぼ1.5%を占め、毎年燃焼させる天然ガスの膨大な部分を消費している。
農業革命が都市化を推し進めた
化石燃料が駆動したのは、いわゆる「緑の革命」——20世紀を通じて世界中で作物収量が大きく増加した現象——である。しかし、農業の発展は私たちが何をどれだけ食べるかを変えただけではない。それはまた、私たちがどのように、どこで働くかも変えた。こうした巨視的な変化をよりよく把握するために、その革命が展開された数ある場所のひとつ、アメリカ合衆国に焦点を当ててみよう。
時は1801年、場所はニューヨーク州西部。より正確には、パン小麦を栽培する小規模農場が点在する肥沃な谷を流れるジェネシー川のほとりにいる。ここの農民はアメリカ人だが、彼らはヨーロッパの先祖とまったく同じ方法で小麦を育てている。実際、2000年以上前の古代エジプト人とほとんど変わらないやり方だ。まず、鋳鉄の刃先をつけた木製の鋤を二頭の雄牛につなぎ、畑を耕す。次に、昨年から取っておいた種を蒔く。
そして鎌で小麦を刈り取り、束ねる。乾燥させた後、納屋に運び込んで脱穀する。わらは積み上げ、穀粒はふるいにかける——小麦の種子を、籾殻（もみがら）と呼ばれる硬い外皮から分離する工程だ。最後に小麦は計量され、袋に詰められる。すべてが手作業で行われる。機械化はされておらず、すべて太陽放射のエネルギーで動いている。
総じて、1ヘクタールあたり120時間の人力に加えて70時間の牛の労働が必要となる。小麦1キログラムあたりの労働時間にすると約10分、食パン2斤を焼くのに必要な量だ。1世紀ほど早送りしよう。今度はダコタ準州東部のレッド川流域にいる。農業はすでに大きく前進している。小麦農家は4頭立ての力強い馬を使って多刃の鋼製プラウを引く。
さらに機械式の種まき機や収穫機もある。化石燃料も登場しており、たとえば脱穀機は石炭焚きの蒸気機関で動くようになった。1ヘクタールあたり1000キログラムというパン小麦の収量はまだ比較的低いが、それを確保するのに必要な人間の労働はずっと少なくなった。今では1ヘクタールあたりわずか22時間、1801年の約7分の1である。つまり農家は小麦1キログラムにつき1分から5分の労働を投じていることになる。最後にもう一度早送りしよう。2021年まで一気に進む。
今回はカンザス州、アメリカ小麦地帯の中心地である。百年前の世界すら完全に消え去った。アメリカ農務省が国内農場の役畜の数を数えるのをやめたのは1961年で、それは燃料をがぶ飲みするトラクターが至る所に行き渡ったまさにその頃だ。無機肥料の散布を含め、あらゆる工程が機械化されている。コンバインが収穫と脱穀をこなし、直接トラックに穀物を積み込む。1ヘクタールの収量は3500キログラムに達し、必要な人力はわずか2時間だ。
小麦1キログラムあたり、たったの2秒にすぎない！ こうした驚異的な改善の結果、農業に必要な人手は減り、より多くの食料が生産されるようになった。アメリカでは、1801年には人口の約83%が農業に従事していたが、2021年までにそれはわずか1%にまで減少した。同じ話がデンマークから中国、アルゼンチンからインドに至るまで世界中で繰り返された。
つまり化石燃料がすべてを変えたのだ。それは農業の機械化と収量増加を推進した。しかし同時に、人類の太古からの土地との結びつきを断ち切り、数十億の人々を都市へと駆り立て、現代世界を形づくる革新的な産業で新たな仕事を見つけさせた。石炭の塊やガソリンの缶は、かなり目に見える化学エネルギーの貯蔵形態である。
電気が現代世界を動かしている
それらが燃えると、熱エネルギー——機関車や自動車を動かす熱——を放出する。落ちる水も同じだ。川の位置エネルギーを石臼を回す機械的エネルギーに変える水車は、容易に想像できる。電気は違う。
電気はあまり直感的ではない。物理学者でさえ、電気とは正確に何かという問いに答えられず、ただそれが世界とどう相互作用するかを説明することしかできない。しかし、その人生を変える力を利用するにはそれで十分だ。そしてその効果は至る所で見ることができる。エネルギー源としての電気には多くの利点がある。たとえば常にクリーンで、たいてい非常に効率が良い。
スイッチをはじくかボタンを押すだけで、サーモスタット、モーター、ヒーター、照明を作動させられる。かさばる燃料貯蔵の必要はなく、運ぶものもない。そして石炭やガスと違って、不完全燃焼——致命的な一酸化炭素の発生源——の危険もない。その用途は私たちの世界を一変させた。照明というたった一つの用途をとってもそうだ。電灯以前は、昼と夜の違いを消し去るために、ろうそくや石油ランプ、灯油缶に頼っていた。
いずれも高価で非効率、そしてしばしば危険だった。光も弱かった。たとえば初期工業都市のガス灯は、ろうそくの10倍効率的だった。それに対し、今日の蛍光灯は500倍も効率的だ。さらに夜の街を照らすナトリウムランプに至っては1000倍も効率的なのだ！ しかし、現代生活に本当に違いをもたらしたエネルギー変換は、電気モーターによって電気が運動エネルギーに変わることである。
持ち上げたり、プレスしたり、切ったり、織ったりする機械類を電化することで、工場はより清潔になり、運転コストが下がり、より速くなった。一方、電車によって広大な都市の中を移動できるようになり、労働者をそれら工場の門の前へと運んだ。1900年から1930年の間に、電化はアメリカの製造業の生産性を2倍にした。1960年までには4倍になっていた。私たちがどれほど電気に依存するようになったかは、いくら強調してもしすぎることはない。今日、先進国の経済はサービス部門が中心である。
そしてその部門は完全に電気に依存している。エレベーターからエスカレーター、ゴミ圧縮機、倉庫のコンベヤーベルト、空調設備に至るまで、すべてが電気で動いている。普通の自動車にも今では20から40個の電気モーターが搭載されている。家庭では暖房、冷蔵、照明、その他数えきれない小さな作業を電気に頼っている。電気は主要な資源も動かしている。強力な電動ポンプがなければ、都市は水道管網に水を送り込めない。
それらのポンプは化石燃料——とりわけ液化ガス——を採掘地点から、工場や家庭といった使用場所まで移動させている。もしも人口密度の高い地域で、わずか数日の深刻な電力供給不足が起きれば、その地域は混乱に陥るだろう。一国全体がそのような不足に見舞われたら、未曾有の大災害に直面することになる。しかしその深遠な重要性にもかかわらず、電気は最終的な世界のエネルギー消費の比較的小さな割合、わずか18%を供給するにすぎない。だが歴史が何かの指標だとすれば、エネルギー変換の様式は今後も変わり続けるに違いない。
最終まとめ
これらすべてから得られる最も重要なことは：地球上の生命の歴史は、エネルギー変換の歴史である。そして人類の歴史は、自由エネルギーを利用する効率をますます高めてきた種の歴史なのだ。だから次にスイッチを入れたり、食べ物を一口かじったりするときは、ほんの一瞬でいい、それらの一見ささやかな贅沢に至るまでのあらゆるプロセスとエネルギー変換に思いを馳せてみてほしい。
