『エメラルド・プラネット』（2007年）は、植物が地球とその環境を形成する上で果たしてきた中心的な役割について考察する一冊です。化石化した植物と現生の植物の両方を利用した最新の研究から、この惑星がどのようにして現在の姿になったのか、そして未来にどこへ向かうのかを解き明かします。本書はBBCの3部構成のシリーズ『植物が地球を変えた』の原案となりました。
一言で言うと？ 植物が環境の大きな変化にどう影響を与えてきたかを学びましょう。
作家でありアーティストのトム・ウェラーは、1985年の著書『Science Made Stupid』でこう述べました。「植物の進化は生命の歴史において重要な一章である。しかし、かなり退屈な章なので、ここでは割愛する」と。
この要約は、それが全くの見当違いであることを示します。4億年前から現在までのスナップショットを通して、植物、動物の生命、そして気候の間にある、魅惑的で相互に関連した歴史への洞察を得ることができます。大量絶滅や地球温暖化といった事象が過去にどのように起こったかをより深く理解することで、私たちは現在の環境状況に対処するための、より良い準備ができるのです。この要約では、以下のことを学びます。
- 3億7500万年前に葉が大きくなった理由
- 巨大な昆虫がどのように出現したか
- オゾン層に大きな穴を開けたかもしれない原因
植物は二酸化炭素の減少に対応するために葉を発達させ、それが動物や昆虫の進化を加速させました。
最も暑い砂漠から最も寒い北極のツンドラまで、植物はどこにでも存在します。その多様性は驚くべきものです。最小のタンポポと最も高いモミの木を比較するだけでもわかります。しかし同時に、それらの類似点も驚くべきものです。ほぼ全ての植物が、光合成と呼ばれるプロセスを通じて二酸化炭素と太陽光をエネルギーに変換していることは、おそらくご存知でしょう。そして、光合成をはるかに効率的にする重要な進化上の発展が一つあります。それが、葉です。
ここでの重要なポイントは、植物が二酸化炭素の減少に対応するために葉を発達させ、それによって動物や昆虫の進化を加速させた、ということです。 最初の植物には葉が全くありませんでした。そして、その歴史の最初の4000万年間は、それで全く問題なく繁栄していました。何十年もの間、これは科学者にとって謎のままでした。進化の尺度で見ても、これは非常に長い時間です。しかし、最新の研究がパズルの失われたピースを明らかにしました。それは、大気中のCO2濃度です。植物は、葉の表面にある気孔と呼ばれる小さな穴を通してCO2を吸収します。気孔の数は、CO2濃度に応じて変化します。
CO2が豊富にある場合、植物はそれほど多くの気孔を必要としません。そしてCO2が不足してくると、気孔の数は増加します。つまり、植物は絶えず変化する環境に適応しているのです。古い葉は若い葉とコミュニケーションを取り、どれだけの気孔を作るべきかを伝えることさえできます。そして、気孔を理解することで、葉がどのように進化したかを説明できます。約3億7500万年前、大気中のCO2レベルは急激に低下しました。
これは、植物が同量のCO2を取り込むためにより多くの気孔を葉に必要とするようになったことを意味します。その結果、葉は大きくなりました。植物は新しい環境に適応し、豊富に存在するようになりました。それが次に、動物や昆虫の種の進化的な爆発への道を開いたのです。では、そもそもこのCO2レベルの低下を引き起こしたのは何だったのでしょうか？ 有力なのは、植物自身が原因だったという説です。
植物は、長期炭素循環と呼ばれる、岩石、海洋、大気の間でのCO2の交換を管理するプロセスを乱す可能性があります。菌類と植物の根は、大気中のCO2を積極的に除去しました。二酸化炭素レベルが下がり続けるにつれて、植物はますます大きな葉を必要とするようになりました。これがフィードバックループを引き起こし、葉の多い植物の地球全体への行進を加速させたのです。
酸素レベルの急上昇が、すべての生物を巨大化させました。
CO2レベルの低下が植物の葉の発達を助けてから約1億年後、別の大規模な大気の変化が起こりました。それは超巨大化の時代を始動させました。多くの生物（植物、昆虫、初期の動物さえも）がサイズを大きくしたのです。湿地帯には体長1メートル以上のムカデが生息し、現在の30センチほどのヒカゲノカズラの古代の親戚は、高さ40メートルにも成長しました。
この急成長を理解するには、それを可能にした環境条件を調べる必要があります。ここでの重要なポイントは、酸素レベルの急上昇がすべての生物を巨大化させた、ということです。1877年から1894年にかけて、古生物学者シャルル・ブロンニャールはフランス中部で発掘調査を行っていました。彼は巨大な植物、動物、さらには昆虫の化石を多数発掘しました。その中には、翼幅が現代のコンピューターモニターよりも広いトンボも含まれていました。そして、それらはすべて同じ時代、約3億年前に始まり、その後5000万年間続いた石炭紀のものでした。ブロンニャールと同時代の科学者たちは、なぜ石炭紀の生物がこれほど巨大になったのかを説明するのに苦労しました。
仮説は雨後の筍のように現れましたが、今日でも完全には解明されていません。一つの説得力のある理論は、気圧を原因として指摘します。過去には気圧がはるかに高く、それが空気密度の増加をもたらした可能性があります。翼は密度の高い空気中でより効率的に機能します。つまり昆虫にとっては、消費するエネルギーが少なくて済んだということです。資源が豊富にあれば、彼らはより大きく成長しました。しかし、なぜ過去の気圧はもっと高かったのでしょうか？
科学者たちは、考えられる唯一の答えは、ある時点で窒素、酸素、またはその両方のガス濃度が高くなったことだと考えています。この証拠は、科学者が古代の岩石中の酸素レベルを測定することを可能にする技術から得られます。この分析によると、酸素レベルは約3億年前に35%でピークに達しました。その後、2億年前には窒息しそうな15%まで低下し、約2500万年前に現在の21%のレベルまで徐々に上昇しました。これらの変化はすべて、古生物学的データと見事に一致します。酸素レベルが急上昇すると、すべての生物はより大きくなりました。
そして酸素レベルが低下すると、石炭紀の終わりに起こったように、巨大生物は絶滅しました。では、この酸素の急増の原因は何だったのでしょうか？ 実は、酸素は植物の進化と密接に関連しています。光合成は大量の酸素を放出します。通常、生物が死んで分解されると、この酸素は消費されます。しかし常にそうとは限らず、一部の酸素は回収されずに残ります。
何百万年もの間に、それが積み重なっていったのです。酸素レベルが上昇し、それに伴い大気圧も上昇しました。これらの石炭紀の巨人を生み出したのは酸素だけではありませんでしたが、その濃度の上昇は、彼らが繁栄した世界に貢献したのです。
オゾン層の破壊は、ある種には大量絶滅を、別の種には遺伝子変異を引き起こしました。
このように、酸素レベルの上昇は巨人を生み出すことができます。では、酸素レベルが低下すると何が起こるのでしょうか？ 約2億5000万年前、ペルム紀の終わりに、酸素レベルは史上最低のわずか15%まで低下しました。この出来事は、地球上の全種の95%を絶滅させました。
これは具体的にどのように起こったのでしょうか？ 長年、動物の化石を研究する研究者たちは、重要な詳細を欠いていました。パズルは不完全に思われました。しかし2000年代初頭、オランダの古生物学者が焦点を動物から植物に移しました。そして、すべてが腑に落ちたのです。歴史上最大の大量絶滅事件は、オゾン層の変化と関連していた可能性があるのです。ここでの重要なポイントは、オゾン層の破壊が、ある種には大量絶滅を、別の種には遺伝子変異を引き起こした、ということです。オランダの研究チームは、東グリーンランドの岩石に保存されていた針葉樹の化石を分析しました。
それらの木は、ヒカゲノカズラ類（とげのある葉を持つ、背の低い緑色の植物の一種）に囲まれていました。森林が死滅するにつれて、ヒカゲノカズラ類は急速に新しい土地に定着しました。これらの植物のありそうもない成功は、直感に反して彼らを不妊にする奇妙な突然変異にあります。彼らは、ほとんどの植物のように発芽できなくなりました。代わりに、彼らは苦戦する同時代の植物よりも優位に立つ生存メカニズム、つまり無性生殖を発達させました。性的パートナーを必要としないため、他の植物がますます希少になり、最終的に絶滅していく中でも、ヒカゲノカズラ類は新しい土地を獲得できたのです。
同様の突然変異は、後に同じ時代の他の化石からも発見されました。そして、一つのことがますます明らかになりました。多くの種が破壊されている一方で、他の種は急速な遺伝的変化の時代を生き抜いていたのです。しかし、これらすべての突然変異を引き起こしたのは何だったのでしょうか？ 一つの可能性として考えられるのは、地球上の生命を紫外線から守る成層圏のオゾン層の破壊です。そして、これはまた、火山噴火によって引き起こされた可能性があります。非常に多くの火山噴火です。
正確には、50万年分もの噴火です！これらの火山は物質を噴出し、それが事実上、シベリアの石炭と塩の堆積物を圧力釜のように加熱し、有機ハロゲン化合物（オゾン層を破壊しうる物質）を生成する化学反応を引き起こしました。保護するオゾン層がなければ、紫外線が地球に到達できるようになります。そして、まさにそれが、ペルム紀の化石で発見された絶滅と突然変異を引き起こした可能性があるのです。
CO2レベルの増加は気温を上昇させ、古代の生命の絶滅と恐竜の繁栄を引き起こしました。
ペルム紀の絶滅だけが地球を襲った唯一のものではありませんでした。2億年前、三畳紀とジュラ紀の間には、3番目に大きな大量絶滅が起こりました。それは海洋動物の全科の5分の1、陸上動物の全科の4分の1を一掃しました。この出来事の原因については議論があり、隕石の衝突から火山噴火まで、さまざまな理論があります。
しかし最新の研究は、地球温暖化を指摘しています。重要な手がかりは植物化石の研究から得られ、それらは三畳紀末期の絶滅が二酸化炭素の増加から始まったことを示唆しています。ここでの重要なポイントは、CO2レベルの増加が気温を上昇させ、それが古代の生命の絶滅と恐竜の繁栄を引き起こした、ということです。この理論の証拠は、思いがけない場所、つまりほぼ100年前に収集された植物化石からもたらされました。1925年、トーマス・ハリスという英国人植物学者が、古代の北極圏植物相のサンプルを発掘するためにグリーンランドを訪れました。ハリスのサンプルはほとんど忘れ去られていましたが、70年後に再び顕微鏡の下に置かれました。
彼が収集した葉は、非常に重要なことを明らかにしました。気孔の数の減少です。これまでに学んだように、気孔はCO2レベルが上昇すると少なくなります。三畳紀の終わりには、大気中のCO2レベルはわずか数十万年で3倍になったようです。この急増の前は、大きな葉を持つ木々は、涼しさを保つために多くの気孔を必要としていました。二酸化炭素が豊富になるにつれて、木々は気孔の一部を減らしました。しかし、CO2の温室効果により、地球の気温は上昇しました。
気孔が少なくなったため、植物はもはや涼しさを保つことができなくなりました。最終的に、古代の大きな葉を持つ木々は過熱して死滅しました。一方、小さな葉を持つ他の植物は生き延び、引き継ぎました。しかし、二酸化炭素の急増の原因は何だったのでしょうか？ 一つの理論は、火山噴火が北極海の海底に閉じ込められたままになっていた温室効果ガス、メタンハイドレートを放出するのを助けたと示唆しています。
そこで、科学者たちが現在非常に妥当だと考えるシナリオはこうです。巨大な火山が岩石と有毒ガスを大気中に投げ込みました。このプロセスがメタンハイドレートを不安定化させました。メタンはCO2に変わり、海洋を酸性化させました。サンゴ礁は死に、他の多くの生物も死にました。海はより暖かくなり、これは水が保持できる酸素が少なくなることを意味しました。
海洋生物は文字通り窒息死し、多くの陸上動物は適応に苦しみました。適応できなかったものは滅びました。この絶滅は、生き残ることができた動物のために資源を解放しました。恐竜がまさに支配権を握ろうとしていたのです。
落葉樹は、早く成長し、若くして枯れることで、北極の森林で優勢になりました。
北極や南極について考えるとき、おそらく緑豊かな森林を想像しないでしょう。しかし、化石記録から今では分かるように、地球のこれらの地域にはかつて豊富な植物が生息していました。ただ、それらの植物について、生物学者を常に悩ませてきたことがあります。なぜ北極近くの木のほとんどは、葉を落とす、つまり科学者が言うところの落葉性へと進化したのでしょうか？
そして、なぜ南極近くに生育する木の大半は常緑のままだったのでしょうか？ 何十年もの間、生物学者は落葉樹には超能力があると信じていました。彼らは、木が休眠状態になることができると考えていました。その考えは、植物は言わば葉を「オフにする」ことで眠ることができるというものでした。そうすることで、植物は消費するエネルギーが少なくなり、したがって生存の可能性が高まるというわけです。しかし、この理論には主に二つの問題があります。第一に、仮想森林のコンピューターシミュレーションは、北半球の高緯度地域で葉を落とすことは、実際には非常にコストのかかる戦略であることを示しています。
葉を落とすことは、葉を維持するよりも約20倍ものエネルギーを消費します。そして第二に、常緑樹もまた葉を落とします。ただ、そのペースが遅いだけです。そのため、全体像ははるかに複雑になります。ここでの重要なポイントは、落葉樹は早く成長し、若くして枯れることで、北極の森林で優勢になった、ということです。では、落葉樹はどのようにして北方極域の森林で常緑樹をしのいだのでしょうか？ 答えは、異なるタイプの木々の成長様式の違いにあるかもしれません。
常緑樹はゆっくりと着実に大きくなります。そのバイオマスは年間を通じて少しずつ増加します。成長速度は温度と利用可能な日光によって変化します。しかし古代の世界では、北極の夏ははるかに暖かかったのです。落葉樹は短い夏の月をうまく活用することを学びました。彼らは速やかに光合成を行うように進化し、その能力がそのような植物を急成長させました。しかし、年間を通じて見ると、エネルギーコストは平均化されました。
落葉樹と常緑樹は、結局互角だったのです。落葉樹が優位に立つのを助けた他の環境要因もありました。その一つが森林火災です。過去には、このような自然火災が非常に頻繁に発生していました。今日でも、北米の北極圏の森林では50年から60年ごとに火災が猛威を振るっています。各火災の後、落葉樹はすぐにその領域に再び生息することができます。一方、常緑樹は追いつくのに苦労します。
過去30年間で、アラスカの冬は著しく温暖化しました。雪が溶けると、その下の土壌と植生が露出します。そして、極地の樹木や潅木が再び成長し始めれば、これは気候変動を加速させるでしょう。
5000万年前、温室効果ガスが地球を温め、現在とは大きく異なる気候をもたらしました。
5000万年前の植物化石は、当時の地球が今よりもはるかに暑かったことを私たちに教えてくれます。しかし、なぜでしょうか？ 北極と南極はどのようにしてあのような穏やかな気温に達したのでしょうか？ そして、なぜ現在はこれほど状況が異なるのでしょうか？ なぜ熱帯は非常に暖かく、極地ははるかに寒いのでしょうか？
過去には、最も一般的な説明は海洋に関係していました。ある科学者は、原因は地球を循環する水の流れ方の変化だと示唆し、別の科学者は、太平洋が大気中の熱をますます吸収するにつれて、惑星の冷却がほぼ停止したと主張しました。新しい研究はこれらの理論に反論しています。海洋を非難する代わりに、温室効果ガスレベルの上昇を指摘しています。ここでの重要なポイントは、5000万年前、温室効果ガスが地球を温め、現在とは大きく異なる気候をもたらした、ということです。温室効果と温室効果ガスについて語るとき、ほとんどの人はおそらく二酸化炭素を思い浮かべるでしょう。
しかし、メタン、オゾン、亜酸化窒素、水蒸気といった、あまり普及していないガスの方が、実際には熱を閉じ込めるのにはるかに効果的です。南極の氷床は、74万年以上もの間、大気の変化の兆候を蓄積してきました。そして、そのアイスコアは変化の証拠をすべて保存しています。コアサンプルを研究することにより、科学者たちはCO2レベルの上昇がより温暖な気候を引き起こし、それがより高いメタン濃度につながり、最終的には地球温暖化に至るという結論に達しました。植物はこのプロセスにおいて重要な役割を果たします。5000万年前、湿地と熱帯林は今日よりもはるかに広大でした。
穏やかな気温はより多くの植物の成長をもたらし、それは動物にとってより多くの食物を意味しました。これらの植物や動物が死ぬと、それらは微生物のエサとなり、微生物は様々な温室効果ガスを大気中に放出しました。これらの温室効果ガスは、それぞれ単独では、これほど大きな気候変動を引き起こす力はありませんでした。しかし、それらが組み合わさることで温暖化を増幅し、フィードバックループを作り出したのです。では、気候はどのようにしてこの「温室状態」から抜け出したのでしょうか？ なぜ私たちの惑星は今日これほど涼しいのでしょうか？
この変化は、CO2レベルの再びの低下によるものかもしれません。大気中のこのガスのレベルが低下すると、植物は豊富でなくなり、フィードバックループは燃料を使い果たしました。氷河が形成され、海面は約100メートル低下しました。3000万年から4000万年前の間に、CO2レベルは最後の急降下を見せ、気候は反転しました。北極と南極は凍結し、一方で熱帯は、まあ、熱帯らしくなったのです。
異なる光合成の方法が、CO2レベルが低いときに繁栄するのを助けます。
すでに学んだように、ほとんどの植物はCO2と太陽光をエネルギーに変換するために光合成に依存しています。しかし驚くべきことに、すべての植物が同じ方法で光合成を行うわけではありません。約3000万年前、熱帯の草本は、それよりも優れた方法を発達させ始めました。その方法は、その後、少なくとも7,500種の他の植物種によって採用されてきました。
重要な違いは、光合成中に生成する酸にあります。これらの酸は、4つの炭素原子からなる分子を基にしており、これは他の植物の酸よりも炭素原子が一つ多いことになります。これらのより効率的な種はC4植物と呼ばれることもあり、地球上の全植生の5分の1を占めています。では、それらはどのように進化したのでしょうか？ そして、その光合成プロセスはどのように機能するのでしょうか？ ここでの重要なポイントは、異なる光合成の方法が、CO2レベルが低いときに一部の植物が繁栄するのを助ける、ということです。
C4へのアップグレードは、何百万年も前にCO2のレベルが低下した後に起こりました。当時、ほとんどの植物はCO2が豊富な大気に依存していました。しかし、CO2レベルが低下すると、C3植物は不利な立場に立たされました。彼らはCO2の代わりに誤って酸素分子を捕捉し、それがエネルギーを浪費していたのです。一方、C4植物はフル稼働を続けることができました。しかし、それには代償がありました。彼らは亜熱帯地域でしか生きられなかったのです。
さて、CO2レベルの変動がC4植物の進化に一役買った可能性があることはわかっています。しかし、これらのレベルは常に変動してきたのです。実際、C4植物が最初に出現する300万年前にもCO2の低下がありました。ですから、それらを登場させるには、他に何かが起こったに違いありません。一つの理論は森林火災です。ほとんどのC4植物は草本だったことを思い出してください。それらは樹木や他の植物よりもはるかに燃えやすかったのですが、回復もより早かったのです。
森林火災が猛威を振るい、樹木が焼け落ちると、草本がその隙間を埋めるために進出しました。気温の上昇、低CO2、火災、そして草本はすべて、気候変動を加速させる複雑なフィードバックの網の目に絡み合っていったのです。では、これは私たちが今日生きる世界にどのような影響を与えるのでしょうか？ サトウキビやトウモロコシのように、私たちの経済を動かす主要な植物の一部は、C4ベースです。そしてそのような植物は、将来的に私たちを助けるかもしれません。2050年までに、地球は90億人を養う必要があります。
科学者たちは、コメ、ジャガイモ、コムギ、ダイズといったC3作物の改良版を作ろうと努力してきました。もし、これらの植物にC4の利点を与えることができたらどうでしょうか？ それらはより速く成長し、環境に悪影響を与えることなく、より多くの人々を養うことができるかもしれません。
最終的なまとめ
この要約の中心的なメッセージは以下の通りです。植物化石は、環境の小さな変化が世界全体をどのように大きく変えうるかを示しています。CO2レベルの急上昇や急降下は大気の変容を引き起こし、それは地球上のすべての植物、動物、微生物に反映されます。この惑星は、高酸素レベルによって生み出された巨大な動植物相や、気候変動によって引き起こされた大量絶滅を経験してきました。これらの変容については多くの謎が残っていますが、新たな証拠によって、私たちは地球の過去と、それが今日の私たちにどう影響するかについて、より多くを理解し始めています。
ご意見をお待ちしております。 この内容についてのご感想をお聞かせください！ 件名を『エメラルド・プラネット』として、ぜひご意見をお寄せください。次に読むべき本：ステファノ・マンクーゾ著『植物の驚くべき旅』植物の進化についてさらに探求することに興味があれば、ステファノ・マンクーゾには植物と環境に関するさらに魅力的な話があります。『植物の驚くべき旅』では、植物がどのように適応し、新しい生息地に侵入し、生き残るのか、さらには特定の植物が現在の場所にどのようにしてたどり着いたのかについて、より深く掘り下げていきます。
