夜間にアムステルダム・スキポール空港に到着すると、野菜を生産する温室が鮮やかなピンク色に輝く様子が上空から見えます。人工照明下での作物栽培は勢いを増しており、特に日照の乏しい季節に農産物の価格が高くなりがちな地域で顕著です。
オランダは、急速に導入を進めている国の一つにすぎません。環境制御型農業を導入しており、ハーブ、高級レタス、トマトといった高付加価値の特産作物を、一年中照明された温室で生産しています。支持者らは、こうした完全に密閉された建物――あるいは植物工場――は、都市空間を有効活用し、食料の輸送距離を減らし、都市住民に地元産の農産物を届ける手段になり得ると指摘しています。
この取り組みにおける中心的な課題の一つは、人工照明の提供にかかる金銭的コストの高さであり、通常は赤色と青色の発光ダイオードを組み合わせて使用します。エネルギーコストは、運営費の25％を超えることもあります。特に発展途上国の生産者は、太陽光が無料である状況とどう競争すればよいのでしょうか。また、エネルギー使用量の増加は二酸化炭素排出量の増加にもつながり、持続可能な方法で栽培された植物がもたらす炭素排出量の削減効果とは逆の結果になります。
私は光が植物の成長と発育にどのように影響するかを研究してきました。30年以上にわたります。最近、ふと次のような疑問を抱きました。1日の光と1夜の暗闇を繰り返すサイクルで植物を育てる代わりに、同じ日照時間を数時間、数分、あるいは数秒単位のパルスに分割したらどうなるのだろうか、と。
短時間の明暗の繰り返し
そこで私と同僚たちは、実験を計画しました。光の総量は通常どおりとし、それを異なる時間の区切りに分けて照射することにしました。
もちろん植物は光合成に光を必要とします。光合成とは、自然界において太陽のエネルギーを利用し、二酸化炭素と水を結合させて糖を作り、植物の代謝を支えるプロセスです。また、光は日中と夜間に関する信号を通じて成長と発育を方向づけており、この情報の流れを操作することは、深刻な結果を招く可能性があります。
良いものを小さく分けると、新たな問題が生じることがあるからです。100米ドル紙幣を受け取れば大喜びするでしょうが、同じ価値の1万枚の1セント硬貨では、それほど喜ばないでしょう。私たちは、植物の体内時計が、細かく分割された光の通貨を受け入れないのではないかと考えていました。
そして、まさにそれを実験で実証しました。12時間の明期と12時間の暗期のサイクルで4日間育てたケール、カブ、ビートの苗は、正常に成長し、色素を蓄積して大きく育ちました。明暗サイクルの頻度を6時間、3時間、1時間、または30分に減らしたところ、植物は反発しました。光の総量は同じでしたが、異なる大きさの区切りで照射したところ、苗はこの処理を好みませんでした。
同じ量の光を1日の中でより短い間隔で照射すると、植物は暗闇の中にいるかのように成長しました。光のパルスが植物の体内時計と矛盾したのではないかと私たちは考えています。苗は時間帯を把握できていなかったのです。茎はより多くの光を求めて高く伸び、色素生成などのプロセスは停止しました。
しかし、はるかに短い間隔で光を照射すると、驚くべきことが起こりました。5秒ごとに点灯と消灯を繰り返すサイクルで育てた植物は、通常の明暗周期で育てたものとほとんど変わらないように見えました。5秒ごとに日の出が訪れると、体内時計が適切に始動できないようで、植物は数秒の長さしかない1日を気にしていないようでした。
論文の発表準備を進めていた矢先、学部生の共同研究者であるポール・クスマが、私たちの発見がそれほど新しいものではないことを見つけました。私たちは、実は88年前にすでに知られていたことを再発見していたのだと気づきました。米国農務省の科学者たちは、同じ現象を1931年に確認していました。さまざまな長さの光のパルスの下で植物を育てていたのです。成熟した植物を対象とした彼らの研究結果は、私たちが苗で観察したことと驚くほど一致しています。
これらすべてが古いアイデアの焼き直しだっただけでなく、光のパルスではエネルギーは全く節約されません。5秒点灯・5秒消灯のサイクルは、照明を12時間点灯させた場合と同じエネルギーを消費します。照明は依然として1日の半分点灯したままだからです。
では、暗期を延ばした場合はどうなるでしょうか。5秒点灯し、6秒消灯。あるいは10秒消灯、20秒消灯。80秒消灯はどうでしょうか。1931年には、そこまでの試みはされていませんでした。
追加の休止時間を組み込む
植物は、少しの休止時間を気にしないことがわかりました。光合成や色素蓄積などの生物学的プロセスを活性化するために5秒間光を照射した後、照明を10秒、時には20秒消灯しました。このように暗期を延ばしても、苗は明期と暗期が同じ長さだった場合と同じくらい良く成長しました。これを室内農場の規模で実施できれば、少なくとも30％、場合によってはそれ以上のエネルギー節約につながる可能性があります。
当研究室で最近行っている未発表の研究では、同じ概念がリーフレタスにも有効であることが示されています。リーフレタスも、パルスの間に暗期が延びることを気にしないのです。場合によっては、レタスは紫色ではなく緑色になり、葉も大きくなります。つまり、照明を消すことで、生産者は多様な製品を生産でき、販売可能な製品重量も増やすことができるのです。
植物が連続照明ではなく光のパルスの下で育てられることがわかったことは、室内農業の高額なエネルギー予算を削減する道を開く可能性があります。より少ないエネルギーでより多くの新鮮な野菜を栽培でき、プロセスの持続可能性が高まります。私と同僚たちは、この革新が最終的に新たなビジネスを生み出し、より多くの人々に食料を届けるのに役立ち、しかも環境への影響を少なくして実現できると考えています。
