「植物数学」が気候の将来を予測するのにどのように役立つか

T1960 年代と 70 年代の初期の気候モデルには、植物のない裸の地表がありました。これらのモデルでは、雨が数学的な「バケツ」に落ち、蒸発して空気中に戻り、水循環をシミュレートします。

それ以来、気候モデルは森林、草原、その他の生物群系を表現し、それらが地球の水と炭素の循環にどのような影響を与えるかを表現する上で大きな進歩を遂げてきました。しかし、それでも少しローファイと言えるかもしれません。今日の地球規模の気候モデルには、植物の「機能タイプ」が 10 程度しか含まれていない傾向があり、これらはさまざまな生態系が熱、水、炭素を含む栄養素をどのように移動させるかを近似しています。

そして、これらの植物シミュレーションは、植物が環境の変化にどのように反応するかを正確に再現するものではありません。それは、これらのモデルが構築されたときに、安定した気候を想定していたからです。現在、植物は気温の上昇と二酸化炭素の増加に光合成を適応させているため、気候モデルで光合成を表現するための新しい数学が必要です。そこで、ある研究者チームは LEMONTREE プロジェクトを立ち上げました。このプロジェクトは、一連の気候変数が与えられた場合に、植生がその機能をどのように最適化するかという「植物数学」を記述する方程式を構築するものです。 (LEMONTREE は、新しい理論、観測、実験に基づいた土地生態系モデルの略称です。)

地球上の植物は、余分な二酸化炭素があれば繁栄するだろう₂?

このチームは、Schmidt Sciences Virtual Earth System Research Institute (VESRI) の支援を受けて世界中から集まった研究者で構成されています。彼らの専門知識も、植物生態学から数学、リモートセンシングまで幅広く多岐にわたります。 「植物が気候にどのように反応するか、そして将来どのように反応するか、また植物がその後気候にどのような影響を与えるかを予測するために使用するモデルを簡素化できるという考えです」と、このプロジェクトの主任研究員である英国レディング大学の古気候と生物地球化学サイクルの教授であるサンディ・ハリソン氏は言う。

地球規模の気候モデルがより複雑かつ強力になっているにもかかわらず、植物のプロセスは依然として弱点であるとハリソン氏は言います。たとえば、気候変動に関する政府間パネルの気候変動に関する報告書では、不確実性の大きな領域の 1 つは、植生が気温の上昇と二酸化炭素の増加にどのように反応するかということです。一部のモデル出力では、植物は将来何十年にもわたって炭素を吸収し続け、その結果、人間による排出がある程度緩衝されます。他のモデルでは、暖かい気候では植物が枯れてしまい、正味の CO 発生源になることさえあります。₂ 2050年までに。

物理学者は大気、海洋、物理的地形をエレガントに記述する方程式を構築してきましたが、陸上生物、特に植物には独特の課題が存在します。物理的な力とは異なり、植物は適応して進化します。種は水、日光、栄養素を賢く利用するために成長戦略を調整します。植物が吸収する二酸化炭素の量が毎年異なるのはこのためです。平均すると、全二酸化炭素の約 3 分の 1 です。₂ 植物が環境に反応するにつれて、年ごとに大きな違いが生じます。

ただし、気候モデルには通常、植物の機能に関する厳密なパラメーターが含まれています。たとえば、松の木は常に華氏 77 度で最も効率的に光合成を行うと規定するかもしれません。しかし、これらの値は、植物がその機能をどれだけ柔軟にできるかを見逃しています。 「それらは季節のサイクルや干ばつの間でも変化しません」と気候モデルにおける仮説上の植物についてハリソン氏は言う。 「それは、植物がこれらの気候変動に対して本来よりも反応が鈍くなっていることを意味します。」

たとえば、昨年の研究では、現在の気候モデルの多くが植物が干ばつにどれだけ敏感かを過小評価していることが判明した。研究者らは衛星データを使用して、乾期に林冠がどのように反応するかを研究し、この反応を既存の気候モデルと比較しました。研究者らは、干ばつ時に植生がモデルの予測よりも強く光合成を低下させることを発見した。

このような小さな計算ミスが積み重なると、炭素の吸収や水の蒸発などの誤った表示につながる可能性があります。 「多くの場合、これらのモデルは、おそらく外が美しく晴れた時のデータを使用して開発されました」と筆頭著者でアリゾナ大学環境科学教授のジュリア・グリーン氏は言う。彼は現在 LEMONTREE チームの一員ではないが、以前にはこのプロジェクトから研究資金提供を受けていた。 「極端な状況下では、最終的にあまり良いパフォーマンスを発揮できなくなります。」

LEMONTREE チームは、プラント モデルをゼロから再構築することで、この問題を解決したいと考えています。特に、それらは「環境進化的最適性」と呼ばれる理論によって導かれています。

「進化を通じて、生態学的プロセスを通じて、植物は成長に最も適した場所で成長するという考えです」とハリソン氏は言う。この理論に基づいて新しいモデルを作成するには、「プラントが生み出すトレードオフを探すだけで済みます。」

光合成は、植物がこれらのトレードオフを行う領域の 1 つです。植物は糖を作るために二酸化炭素を取り込むために気孔を開ける必要がありますが、乾燥した天候で葉の孔を開いたままにしておくことが長くなりすぎると、植物が枯れてしまう可能性があります。植物が危険を冒して気孔を開いたままにしすぎると、乾燥して枯れてしまいます。しかし、過度に保守的な植生は、より多くの炭素を取り込み、より速く成長する植物との競争に負けてしまいます。時間が経つにつれて、完璧なバランスを見つけた生物が勝ち残るでしょう。

今のところ、植物は炭素を捕捉する能力をわずかに高めています。

このバランスを念頭に置いて、研究者らは気孔コンダクタンスと光合成の間のトレードオフを伝える方程式を開発しました。彼らは、樹冠の緑さを報告するリモートセンシングデータを使用して、この方程式を作成しました。次に、CO を使用して方程式をテストしました。₂ 現場で測定したもの。現場データとの比較を通じて、モデルが光合成能力を正確に予測できるかどうかをテストできた。

研究者らは、観測結果との比較に基づいていくつかの調整を行った後、この光合成の単一方程式が地表モデルのより複雑な複数の方程式の働きをしていると述べている。 「最終的に、従来のモデルよりも大幅に正確であることを示すことができるモデルが完成しました。しかも、それははるかに単純です」と、LEMONTREE 主任研究員であり、インペリアル・カレッジ・ロンドンの教授であるコリン・プレンティス氏は述べています。

研究チームは、さまざまな環境にわたる葉の面積や植物の呼吸速度を決定するものなど、他の植物関連の数学方程式にも取り組んでいます。事前定義された植物パラメーターに依存する代わりに、方程式は特定の場所に最適な「植物数学」を計算し、植物が気候に基づいて成長戦略をどのように最適化しているかを示します。これにより、気候モデル作成者はより柔軟な、したがってできればより正確な予測が可能になると、LEMONTREE チームの一員であるレディング大学の気候科学者ピア・ルイージ・ヴィデイル氏は述べています。 「私たちは、植生の働きを説明するこれらのパラメータをすべて削除し、それらを動的に計算したいと考えています。」

気候モデルにおける植物の数学的表現が改善されれば、生態学者の長年の疑問に答えることができます。重要: 地球上の植物は、二酸化炭素がもう少しあれば繁栄するでしょうか₂、それとも乾燥した状況により植物が乾燥してしまうのでしょうか？ COが増えると₂ 空気中では、植物は気孔を開いた期間を短縮しながら、同じ量の食物を生産できます。これは CO として知られる効果です₂ 受精。しかし、この利点は、植物が十分な水分と栄養素を得ることができる場合にのみ適用されます。改良された植生モデルにより、「温暖化と二酸化炭素の増加の両方が起こったときに何が起こるかを調べることができます」₂」とハリソンは言います。

彼女によれば、新しいモデルは、最近の大気中の二酸化炭素の増加の影響が施肥であることを示唆している、つまり地球上の植生全体が緑化しているということだ。つまり、今のところ、植物が炭素を捕捉する能力がわずかに増加していることを意味する（ただし、増え続ける人間の排出量を相殺するには十分ではない）。

しかし、極端な条件ではこのバランスが変わる可能性があり、LEMONTREE の研究者はモデルがより正確に予測できることを望んでいます。干ばつにより植物の気孔が閉じてしまうと、大気中への水分の放出が減り、雲や降雨に向かう水分が減少し、さらに乾燥した状態が生じる可能性があります。このような劇的なフィードバック効果を予測するには、研究者は植物の水分レベルと水分コンダクタンスの関係を把握する必要があります。 「植生を適切に予測することができれば、気候がどうなるかをより正確に予測できるようになるでしょう」とハリソン氏は言う。

方程式が完成したら、次のステップは、その方程式がより大規模な気候モデルでどのように成り立つかを確認することになります。研究者は、出力が陸上生態系の以前のモデルと比較してどのように機能するかを確認できます。 LEMONTREE プロジェクトが 2027 年 6 月に終了した後、欧州連合が資金提供する気候モデリング活動である CONCERTO ((マルチスケールモデルによる炭素循環表現の改善と陸域生態系の地球観測) の科学者は、新しい植物数学を含むシミュレーションで大気と地表がどのように相互作用するかを確認するための次のステップでチームと協力する予定です。

「これはモデルを構造化するのに非常に役立つ方法です」と、ジョージア大学の地理学および大気科学の教授であるアンナ・ハーパーは、チームの環境進化的最適性アプローチについて語ります。特に、モデルは地上のプロセスに関してまだ比較的不確実であるため、あらゆる改善は歓迎されると、LEMONTREE プロジェクトには関与していない Harper 氏は付け加えました。 「炭素循環をより良く表現するのに役立つものは何であれ、非常に興奮しています。」

とはいえ、プラントに新しい方程式を使用してモデルを再起動するのは簡単ではありません。今日の気候モデルは、モデルの出力が観測データと一致しない場合に科学者が変数を調整する、長年にわたる調整の結果です。調整後、シミュレーションで正しい答えが得られるかもしれませんが、その理由は間違っています。したがって、新しいプラントの計算がより正確であるとしても、モデル内の他の計算が失敗する可能性があります。 「時間がかかるだけです。たとえ人々が改善がなされたことに同意したとしても、それが予期せぬ結果をもたらさないことを確認する必要があるからです」とハーパー氏は言います。

変更は厄介かもしれないが、チームは長期的にはそれだけの価値があると考えている。気候モデルは数十年前に開発されており、更新する必要があるとビデイル氏は言います。 「私たちは依然としてモデルを開発し、ここで行っているように大きなリスクを負う必要があります」と彼は言います。 「最終的には、たとえそれが大失敗だったとしても、それでもやる価値はあった。しかし、これまでのところ、それはうまくいっているという兆候がある。」

リード画像: George Trumpeter / Shutterstock

• ウラ・クロバク

  投稿日 2025 年 10 月 27 日

  ウラ・クロバックは、ネバダ州を拠点とするフリーランスのサイエンス ライターです。彼女の作品の詳細は、ulachrobak.com で読むことができます。