植物が宇宙から光合成を行う様子を観察するのは、未来的な提案のように聞こえるかもしれません。しかし、 NASAの軌道上炭素観測衛星2号 （OCO-2）のデータを活用する新たな手法により、科学者はそれを実現できるかもしれません。地球のはるか上空から植物の生産性を分析できるこの手法は、世界の炭素循環をより明確に把握するのに役立ち、将来的には、地域ごとに最適な農法を研究者が判断したり、干ばつの初期兆候を捉えたりする助けになる可能性があります。
植物は生きて健康なとき、光合成を行います。太陽光と二酸化炭素を吸収して植物の養分を作り、副産物として酸素を生み出します。しかし、光合成は植物を生かすだけではありません。地球規模では、この過程によって人間活動に由来する大気中の二酸化炭素の一部が取り込まれます。二酸化炭素は地表に太陽熱を閉じ込める温室効果ガスであり、植物は気候変動の緩和にも重要な役割を果たしています。
光合成を行う際、葉のクロロフィルは太陽光を吸収します。その大部分は植物の養分を作るために使われるか、熱として失われます。しかし、吸収された光のごく一部は近赤外光として再放出されます。近赤外域の光は肉眼では見えませんが、もし見えれば、この再放出光によって植物は光り輝いて見えるでしょう。この性質は太陽誘起クロロフィル蛍光（SIF）と呼ばれます。この再放出光は、植物のクロロフィルが光合成のために太陽光を 吸収している ときにのみ生じるため、SIFは植物の光合成活動と生産性を判定する手段として利用できます。
「SIFの強度は、植物の総生産性と非常に強く相関しているようです」と、JPLの科学者でSIFプロダクトを主導し、9月にカリフォルニア工科大学（Caltech）の地質惑星科学部門で環境科学・工学の准教授に就任する クリスチャン・フランケンバーグは述べています。
通常、研究者が衛星から光合成活動を推定する際には、グリーンネス指数と呼ばれる指標を使います。この指標は近赤外域の光の反射を利用して、植物に含まれるクロロフィルの量を判定します。しかし、これは植物の生産性を直接測定するものではありません。クロロフィルを含む植物が、必ずしも光合成を行っているとは限らないのです。「たとえば」とフランケンバーグは言います。「常緑樹は休眠中でも、冬に緑色を保っています。」
さらに彼はこう付け加えます。「植物がストレス状態になり始めると、たとえばカリフォルニアの夏の日のように非常に暑く乾燥する状況では、植物にはまだクロロフィルがあります」。そのクロロフィルはグリーンネス指数では依然として活発に見えるでしょう。「しかし通常、植物は水分の損失を抑えるために葉の小さな気孔を閉じます。ストレスがかかるこの時期には、SIFも低下します。つまり、光合成が大幅に抑制されるのと同時に、蛍光シグナルも弱まりますが、その低下幅はより小さいのです。」
カリフォルニア工科大学とJPLのチームは、NASAゴダード宇宙飛行センターの同僚とともに、光の強度を検出できる標準的な機器である分光計を用いて、軌道上からSIFを測定できることを発見しました。こうした分光計は、日本の温室効果ガス観測技術衛星（GOSAT）やNASAのOCO-2など、すでに衛星に搭載されています。
2014年、研究者たちはこの新しい手法をGOSATと欧州の全球オゾン監視実験2号（GOME-2）衛星のデータに適用し、地球上で最も生産性の高い植物を探しました。その結果、オハイオ州からネブラスカ州に広がる農業地域、米国の「コーンベルト」が、地球上で最も光合成が活発な場所だと判明しました。生育期のトウモロコシ畑で光合成が盛んに行われるのは当然ともいえますが、衛星による高解像度の測定によって、熱帯雨林など植物が豊富な他の地域と世界規模で比較できました。
「以前は、活発な光合成を示すのにグリーンネス指数を使っていたため、森林やトウモロコシ畑など、植物が非常に密集した場所の生産性を判定するのが困難でした。視野内に緑色の植物が十分にあると、グリーンネス指数は飽和し、上限値に達してそれ以上は上がらなくなります」とフランケンバーグは言います。SIF測定は感度が高いため、研究者はこの飽和の問題なしに、異なる地域の農地の実際の生産性を比較できるようになりました。この情報は、世界各地の農法の効率を比較するのに役立つ可能性があります。
OCO-2が稼働してデータを生成するようになった今、フランケンバーグによれば、GOSATを用いた初期実験よりも高い解像度を実現できます。そのため、OCO-2は世界各地の植物の生産性をさらに明確に捉えられるでしょう。しかし、植物が世界の炭素循環に及ぼす影響をより具体的に知るには、地上設置型分光計の均等に配置されたネットワークが必要です。植物の数マイル上空ではなく、植物の間に設置されるこのネットワークは、光合成による地域ごとの二酸化炭素吸収量と、SIFと実際の炭素交換を結び付けるメカニズムについて、より多くの情報をもたらします。
既存のネットワークの一つであるFLUXNETは、世界600カ所以上に設置された地上観測塔を使い、陸地と大気の間の二酸化炭素交換、すなわち炭素フラックスを測定しています。しかし、観測塔が測定するのは二酸化炭素の交換のみで、この交換を引き起こす生物圏の活動を直接観測することはできません。
新たな地上測定は、既存のFLUXNET観測地点で行うのが理想的ですが、研究者が宇宙向けに開発したのと同じ測定原理を使えるよう、OCO-2で使われているものに似た少数の高解像度分光計を用いて実施されます。刷新された地上ネットワークは、2012年に ケック宇宙研究所 で開催されたワークショップで最初に提案され、今後2年以内の稼働が見込まれています。
将来的には、世界の植物の生産性を明確に把握することで、農家、商品取引業者、政策立案者に関わる幅広い意思決定に影響を与える可能性があります。「現時点で宇宙から得られるSIFデータは、こうした議論に本当に役立てるには粗すぎる情報ですが、原理的には、衛星と地上の測定を組み合わせれば、時間帯ごとに畑の蛍光を追跡できます」と彼は言います。この時間単位の追跡により、研究者は植物の生産性を検出できるだけでなく、植物ストレスの初期兆候も捉えられる可能性があります。これは世界の作物価格や食料安全保障に影響する要因です。
「OCO-2によるSIF測定は、このミッションの科学的成果を大きく広げます」と、 ポール・ウェンバーグは述べています。彼はR・スタントン・エイブリー大気化学・環境科学・工学教授であり、ロナルド・アンド・マキシン・リンデ地球環境科学センターの所長、OCO-2科学チームのメンバーです。「OCO-2は二酸化炭素のマッピングを目的に設計されました。科学者たちは、これらの測定を使って、この重要なガスの発生源と吸収源の実態を明らかにする計画です。新たなSIF測定により、植物の効率、つまり二酸化炭素吸収源の重要な構成要素を診断できるようになります。」
フランケンバーグによれば、OCO-2を使って世界各地の植物の活動を診断するこの新たな研究は、作物の一次生産性の変動の理解にも貢献し、最終的には作物の効率を高める技術の開発にもつながる可能性があります。それは人類に大きな恩恵をもたらし得る目標です。
このプロジェクトは、ケック宇宙研究所とJPLの資金提供を受けています。ウェンバーグは、 環境科学・工学 （ESE）プログラムの執行責任者も務めています。ESEは、工学・応用科学部門、化学・化学工学部門、地質惑星科学部門の共同プログラムです。
本記事は、 カリフォルニア工科大学（Caltech）との協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解への支持を意味するものではありません。
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著者：ジェシカ・ストーラー＝コンラッドは、カリフォルニア工科大学の寄稿ライターです。
画像：南太平洋上で日の出を迎えようとする太陽を捉えた色鮮やかな光景。地球を周回する国際宇宙ステーションに搭乗していた第35次長期滞在クルーのメンバーが、2013年5月5日の現地時間午前4時から5時の間に撮影し、2013年5月9日に公開した。NASA/ロイター経由の提供写真。
