森林：無料の窒素食事？食べる余裕がない

制作：中国科学普及協会

著者: 鄭 綿海 (中国科学院華南植物園)

プロデューサー: 中国科学博覧会

人間の体は常に栄養を補給する必要があり、自然界でも動物や植物は常に栄養を補給する必要があります。

人間と同様に、森林という大家族の中で、植物や動物は窒素、リン、カリウム、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム、鉄など、多くの栄養素を必要とします。その中でも窒素は最も基本的で非常に重要な要素です。なぜなら、窒素がなければタンパク質は存在せず、タンパク質がなければ生命は存在しないからです。

植物中のタンパク質含有量は 80 ～ 85% に達することもありますが、タンパク質中の窒素含有量は平均 16 ～ 18% です。森林では、植物は多くの動物にとって重要な栄養源です。では、植物の栄養源は何でしょうか?さらに、植物の窒素はどこから来るのでしょうか?

森林植物はどのようにして窒素を「食べる」のでしょうか?

森の植物には手も足もなく、「動く」こともできないようですが、どうやって窒素などの栄養分を得ているのでしょうか？

まず、地球上で窒素がどこに分布しているかを見てみましょう。自然界では、ほとんどの窒素はガス（窒素）の形で空気中に存在し、空気体積の 78% を占めています。空気中の窒素含有量が非常に高いということは、植物が葉の気孔を開くだけで窒素を簡単に吸収できるということでしょうか?

実際、窒素は生物によって直接利用することはできません。窒素は植物によって直接「消化」することができないため、吸入されても同じ経路で排泄されます。

空気中の窒素

（写真提供：Veer Gallery）

では、植物は具体的に何をする必要があるのでしょうか?

実際、植物は長い進化の過程で窒素を得るためのさまざまな方法を開発してきました。

まず、特化した植物は特化した働きをします。窒素を得ることに特化した植物の一種で、根粒形成窒素固定植物と呼ばれます。他の種類の植物とは異なり、この種類の植物は窒素固定細菌と共生して、根から効率的な窒素固定能力を持つ「根粒」を形成できます。このようにして、空気中の窒素は根粒を通して固定され、さらに植物が消化できる「アンモニア」に変換されます。

植物と窒素固定細菌の協力の基盤があるため、植物は根粒中の窒素固定細菌を「喜ばせる」だけで（たとえば、炭水化物の食物を与えるなど）、窒素固定細菌から必要な窒素を交換できます。

窒素固定植物の根粒

（写真提供：Veer Gallery）

2 番目のタイプである特殊な微生物は、さらに多くのことを行います。自然界では、根粒植物だけが窒素を固定できるとしたら、窒素供給市場はそれらの植物によって「独占」されているということではないでしょうか?実は、森林には自生窒素固定細菌と呼ばれる別の種類の窒素固定細菌が存在します。名前が示すように、彼らは植物と協力することを選択せず​​、代わりに独自に戦うために出てきました（自力で生き残ります）。死後に形成された遺体中に残留する窒素は微生物によって分解され、植物によってさらに利用されます。

自ら窒素を固定する細菌は、土壌、落ち葉、枯れ枝、腐った木、着生植物、植物の葉など、森林の隅々に広く分布しています。森林は彼らのニーズを満たす多様な生息地を提供し、彼らの存在は森林内の多くの植物の窒素需要にも恩恵をもたらします。

微生物による窒素固定

（画像出典：著者自作）

3つ目のタイプは、人間が無料で「無料の食事」を提供するというものです。私たち人間が建てる工場や企業、また交通機関から大気中に排出される排気ガスには、多量の活性窒素化合物が含まれています。これらの窒素含有化合物は風に乗って空気中に浮遊し、最終的には直接落下（乾性沈着）するか、雨水に溶けて落下（湿性沈着）して森林に入り、そこで植物に吸収され、利用されます。つまり、人間は森林の植物に無料で「ごちそう」を提供しているのです。

人間の活動によって引き起こされる大気中の窒素汚染

（写真提供：Veer Gallery）

表面上は無料の「窒素食」だが、実際は莫大なコストがかかる

しかし、人間が森林に与えた無償の「ごちそう」は、森林の「市場秩序」を乱しているようだ。

窒素固定植物であれ窒素固定細菌であれ、窒素固定反応を実行するには大量のエネルギーを消費する必要があります。対照的に、この「パイ」が空から降ってくる、つまり窒素含有化合物が空気から降ってくるのなら、森が喜ばないわけがないだろう。徐々に、根粒形成植物と窒素固定植物は根粒形成をやめ、窒素固定細菌は窒素を固定する意欲を失ったように見えました。それらはすべて、大気の沈着物から不当に窒素を奪う傾向がありました。

窒素供給方法

（画像出典：著者自作）

実際のところ、自然界には本当に「無料のランチ」が存在するのでしょうか?答えは「いいえ」です。森林に窒素が不足すると（栄養失調）、窒素を獲得しようとするのは本能的な生物学的反応です。しかし、森林がすでに窒素に富んでいる場合（栄養過剰）は、逆の効果が生じる可能性があります。

空気中から堆積した窒素の「パイ」は、命令に従うことができません。時間が経つにつれて、森林に降り注ぐ窒素はどんどん蓄積されていきます。最終的には、植物は窒素が多すぎるために「死んで」しまうか、他の栄養素（リン、カリウム、カルシウムなど）が追いつかず（さまざまな栄養素の割合の不均衡）、植物が「痩せて」しまう可能性があります。したがって、窒素の供給が多すぎるのは良いことではなく、無料のものにも代償が伴います。

実際、森林の窒素固定植物や窒素固定細菌のすべてが同じ考えを持っているわけではありません。結局のところ、選択が異なればコストも異なります。したがって、必要なだけ「自立」して「稼ぐ」ことを選択する窒素固定植物や細菌は、依然として相当数存在することになるでしょう。

森林には、空気中から沈殿する窒素を直接利用して栄養分を補給する「賢い」（または「怠け者」な）植物や微生物もいますが、窒素を固定するためにエネルギーを消費する、それほど「賢くない」（または「勤勉な」）窒素固定細菌もいます。

実際、一見あまり「賢くない」窒素固定微生物は「愚か」ではないことが分かりました。彼らは森林内の低コストのエネルギー（落ち葉や土壌有機物に溶けている炭素など）を巧みに利用して窒素を固定します。この「炭素から窒素」へのアプローチにより、エネルギーコストが節約されます。これも森の社会における「知恵と勇気の戦い」を忠実に描いた作品です。

それでも、人間の生産や生活によって排出される廃ガスがすでに森林の正常な秩序に影響を与えていることは否定できない。

さらに、空気中から森林に沈殿した窒素は、まず植物や土壌に蓄積されることも発見しました。土壌中の窒素は微生物の硝化作用によりさらに多くの水素イオン（H+）を放出し、土壌の酸性化を引き起こします。酸性化した環境は植物や微生物の成長に適していません。生物の呼吸が弱まり、植物の細根や微生物が死滅してしまいます。

同時に、土壌はより多くの窒素含有温室効果ガス（N2Oなど）を放出し、気候温暖化を悪化させます。したがって、人間が排出する排ガスが制御されなければ、将来多くの森林が窒素過剰に苦しみ、環境危機を引き起こす可能性があります。

森林の劣化

(出典: Veer Gallery)

人類共通の森を守る

森林は動物や植物の生息地であるだけでなく、私たち人間が生きていくために依存している環境でもあります。森林の植物が栄養失調になることは望ましくありませんが、自然の法則も尊重する必要があります。短期的には、人間の活動によって排出される窒素含有廃ガスは植物の成長に有益かもしれませんが、長期的には、引き起こされる害は計り知れないものとなるでしょう。例えば、植物の多様性の減少、森林環境の悪化、温室効果の激化などにつながります。そして、これらは最終的に人間の生命と健康に影響を与えるでしょう。

現在、人類社会は気候変動の脅威に直面しています。 「デュアルカーボン」目標（カーボンニュートラルとカーボンピーク）を達成することは、国家戦略であると同時に社会的必要性でもあります。森林は炭素吸収源（大気中の温室効果ガスを吸収する）を増やすための重要な生態系です。今後、科学者たちは森林の炭素吸収能力を高めるメカニズムをさらに研究し、生物学的経路に基づいた炭素隔離技術をさらに探求していく予定です。

私たちにとって、環境保護の意識をさらに高め、自然の法則を尊重し、科学的かつ合理的な方法で周囲の花、植物、木を植え、保護し、私たちが共有する森の家を守ることは責任です。