地上オゾンは生物多様性への忍び寄る脅威である

このストーリーはもともと Yale Environment 360 に掲載されたもので、 Climate Deskコラボレーションの一部です 。

セコイア国立公園の有名な、高さ90メートルにも達する頑丈な木々は、カリフォルニア州サンホアキン・バレーを見下ろすシエラネバダ山脈の西側の高い位置にあります。しかし、セコイアはかつてないほどの脅威にさらされています。山火事によって森林の大部分が焼失し、さらに今、初めて昆虫の被害によってセコイアが枯死しているのです。

これらの雄大な樹木と、それらが属する森林生態系には、隠れた脅威も存在します。セコイアと隣接するキングスキャニオン国立公園のオゾン濃度は、都市部や、下層のサンホアキン・バレーの農業・工業活動から吹き込むスモッグの影響で、米国でも有数の高さを誇っています。ここのスモッグ濃度は、ロサンゼルスと同程度、あるいはそれ以上に高くなることもあります。

地上オゾン、すなわち対流圏オゾンが、細胞レベルで様々な生物学的プロセスに影響を及ぼすことで、樹木などの植物に悪影響を及ぼすことは、古くから知られていました。研究によると、高濃度のオゾンは植物の成長、活力、光合成、水分バランス、開花プロセス、そして植物の自己防御能力に悪影響を及ぼすことが示されています。

最近では、研究者たちは、オゾンが植物に及ぼす有害な影響が生態系全体に波及し、生物多様性に影響を及ぼし、昆虫、野生生物、さらには土壌にまで害を及ぼす可能性があることに注目し始めています。

研究によると、これらの連鎖的な影響には、植物の栄養価の低下、花粉媒介者が標的を見つけるために辿る匂いの痕跡の減少、落葉時期の変化による森林の土壌とそこに生息する微生物群集への影響、植物や樹木の根系、そこに生息する微生物、菌類、その他の生物への影響、さらにはトウモロコシや小麦などの主食作物の収穫量の減少などが含まれることが示されています。科学者たちは、気温上昇に伴い地上オゾン層が増加するため、これらの悪影響は地球温暖化に伴いさらに悪化すると予測しています。

シエラネバダ山脈をはじめとする地域におけるオゾンの影響は、その研究が難しく、研究資金も不足しているため、まだ十分に解明されていません。干ばつや気温上昇といった他のストレス要因とオゾンの影響を区別することは困難であり、オゾンによる変化の多くは数年、あるいは数十年もの間、検知できない可能性があります。

しかし、これまでの研究では、オゾン濃度の上昇がすでにさまざまな形で生物多様性に悪影響を及ぼしていることがわかっています。

「オゾンは世界で最も有害な汚染物質です」と、中国の南京情報科学技術大学生態学研究所の環境資源教授で、この分野のトップ研究者の一人であるエフゲニオス・アガトクレウス氏は述べた。「オゾンは植物に最も広範囲にわたる被害をもたらし、生物多様性にとって非常に深刻な脅威となっています。」アジアの一部地域では、オゾン濃度が危険閾値の10倍に達しているとアガトクレウス氏は述べた。

オゾンは、上層大気に存在する目に見えない無臭の気体で、太陽の有害な紫外線から地球を守るため、生命にとって不可欠な存在です。オゾン層を破壊する工業用化学物質の段階的廃止を定めた1987年のモントリオール議定書は、これまでで最も成功した国際的な環境対策の一つと考えられています。しかし、地上レベルでは、オゾンは生命にとって有害で​​す。「上空では良いが、近場では悪い」と一部の科学者は言います。また、オゾンは温室効果ガスでもあり、二酸化炭素とメタンに次いで3番目に有害な物質です。

地上オゾンは主に人為的に生成され、自動車、トラック、製油所、発電所、石油・ガス開発などから排出される亜酸化窒素、メタン、揮発性有機化合物などの汚染物質によって生成されます。化学的には塩素に似ていますが、毒性は塩素ほどではありません。

これらの大気汚染物質は、太陽光と温暖な気温に触れると化学反応を起こし、オゾンとなります。米国では、亜酸化窒素などの前駆物質の排出規制により、ここ数十年でオゾン濃度は大幅に減少しました。しかし、西部の大部分を含む、依然として高濃度のオゾンが残っている地域もあります。セコイア国立公園に加え、ジョシュア・ツリー国立公園やロッキーマウンテン国立公園など、他の公園でもオゾン濃度は非常に高いままです。デンバー、ソルトレイクシティ、アルバカーキといった西部の都市部では、しばしば健康を脅かすレベルのオゾンに達します。

研究によると、アジア太平洋地域、アフリカ、そしてヨーロッパ全域でオゾン濃度が着実に上昇しています。その発生源は主に中国、インド、そして東南アジアです。オゾンは長距離を移動します。インド北部から上昇してヒマラヤ山脈を包み込んだり、アジアから太平洋を横断して西海岸のオゾン濃度に影響を与える要因となったりします。セコイアに影響を与えるオゾンもその一つです。また、北極圏の植物への被害にもオゾンが影響しているという報告もあります。

さらに、温暖化は地上オゾンの増加をもたらし、この問題は悪化すると予測されています。「気候が温暖化すると、汚染された環境下であればオゾンも増加します」と、ハーバード大学でオゾン、大気汚染、メタンを研究する大気化学教授のダニエル・ジェイコブズ氏は述べています。「理由は3つあります。汚染された空気の停滞と蓄積が増えること、オゾンを発生させる反応が気温の上昇とともに加速すること、そして（前駆物質である）亜酸化窒素の寿命が気温上昇によって長くなることです。」気候変動による大気汚染の悪化は、「気候ペナルティ」と呼ばれることもあります。

一方、大気中のメタン濃度は2006年以降急速に上昇しており、昨年は過去最高を記録しました。メタンは強力な温室効果ガスであるだけでなく、オゾン層の形成前駆物質でもあります。

高濃度オゾンへの慢性的な曝露は人体にとって深刻な脅威であり、喘息や肺気腫などの心臓や肺の疾患を悪化させ、出生体重の減少を引き起こすことは周知の事実です。ある研究によると、高濃度オゾンによって世界中で毎年100万人以上の早死が引き起こされています。

研究によると、作物や森林はオゾンによって直接的または間接的に被害を受けたり、枯死したりすることが示されています。オゾンは、害虫、病気、干ばつに対する耐性を高めるためです。米国農務省によると、オゾンは他のすべての大気汚染物質を合わせたよりも多くの植物にダメージを与えます。このガスは世界の食糧生産を大幅に減少させると予測されています。最近の研究では、気温上昇とオゾンの影響により、2050年までに小麦の収穫量は13%、大豆は28%、トウモロコシは43%減少すると予測されています。

オゾンがあらゆる生物に悪影響を及ぼすことは明らかですが、生物多様性への影響については最近まで研究されていませんでした。しかし、科学者たちはその影響は甚大であると考えています。今月、世界的な科学者ネットワークである国際森林研究機関連合は、「大気汚染による植物生態系への脅威」と題した会議を開催します。オゾンはその最優先事項です。

昨年発表された論文で、アガサクレウス氏を含むヨーロッパとアジアの20人の研究者は、オゾン汚染によって今後数十年間に生態系に何が起こるかをモデル化しました。彼らは、オゾンは「主要な生理学的特性に影響を与えることで植物群集の構成と多様性に」影響を及ぼし、生物多様性を減少させる一連の変化を引き起こす可能性があると結論付けました。論文の中で、研究者たちは当局に対し、生物多様性の保護と回復に向けた取り組みにおいてオゾンを考慮するよう促し、その影響は大気汚染と気候変動の評価に含めるべきだと述べました。

研究により、オゾンはさまざまな方法で植物に影響を与えることがわかっています。

「オゾンは植物の気孔を麻痺させ、吸収するよりも多くの水を放出するのです」と、アパラチア州立大学の植物生態学者ハワード・ニューフェルド氏は述べた。「そのため、植物は吸収するよりも多くの水を放出するのです。」気孔は、樹木が大気とガス交換を行う葉の表面にある微細な開口部です。オゾンは気孔にダメージを与え、光合成を含む様々なプロセスを阻害します。

オゾンは葉にもダメージを与え、老化を早めます。「葉が傷つくと光合成が低下し、植物は糖分を少なく作り出し、利用できる資源も少なくなります」とニューフェルド氏は言います。「また、根への糖分の移動にも影響を与え、根の成長を抑制し、干ばつや栄養不足、病気の影響を受けやすくなります。」

オゾンによる被害は、落葉の時期を変え、葉のサイズを縮小させ、落葉の量を減らし、分解中の葉の中で繁殖する微生物群集に影響を与える可能性があります。落葉と土壌中の微生物は、栄養分の吸収、樹木の病気への抵抗力、そして効率的な水分利用に不可欠です。

オゾンの土壌への影響は、根圏、つまり根系とそれに関連する微生物、菌類、その他の生物にも影響を与えます。「植物はオゾンに反応するとエネルギーを消費します」とアガトクレオス氏は言います。「大量のエネルギーを消費すると、土壌中の生物に供給できるエネルギーが少なくなり、土壌の化学組成に影響を及ぼす可能性があります。」栄養価の低い葉は、それを餌とする動物のライフサイクルにも影響を与える可能性があります。

オゾンは、あらゆる植物に影響を及ぼす汚染物質ではありません。この有毒ガスに対して非常に感受性の高い植物もあれば、そうでない植物もあります。例えば、米国では、ブラックチェリー、クエイキングアスペン、ホワイトパインなどが、最も影響を受けやすい樹種です。こうした多様な影響が、オゾンが生態系に及ぼす大きな影響の一つ、すなわち植物群集の構成を変化させ、種の多様性を減少させる原因となっています。一部の植物種は衰退したり消滅したりする一方で、競争相手がいなくなったために繁栄する植物種も存在します。これらの植物に依存する昆虫や野生生物も影響を受けます。

カリフォルニア州サンバーナーディーノ山脈で行われた研究では、オゾンに敏感で耐火性のある松の種が燃えやすい種に置き換わったため、オゾンによって森林の山火事に対する脆弱性が高まったことが明らかになっています。

生態系の化学的側面も、オゾンの影響で無数の変化を遂げます。例えば、オゾンは植物の葉に含まれる窒素の量を減らします。窒素は昆虫の動態を左右する重要な栄養素です。

オゾンは、イソプレンからテルペンに至るまで、植物から放出される生体由来の揮発性有機化合物を変化させます。これらの化学物質は、植物が他の植物、昆虫、動物にシグナルを送る手段です。論文によると、昆虫とこれらの植物から放出される化学物質の関係は「非常に複雑」であり、生態系の機能にとって極めて重要です。

例えば、ある論文では、オゾンが花粉媒介者を引き付ける花の香りを弱めることが明らかになりました。これらのメッセンジャーの香りは、半マイル離れたミツバチなどの花粉媒介者に、花粉の量、質、そして種類を伝えます。しかし、オゾン濃度が上昇すると香りは弱まり、花粉媒介者は標的の植物を見つけるのに苦労しました。最近の論文では、オゾンが花粉媒介者の嗅覚能力も低下させ、花粉源を検知する能力を低下させることも明らかになりました。

専門家によると、他の昆虫、哺乳類、鳥類も人間と同様にオゾンによる有害な影響を受ける可能性が高い。アガトクレウス氏は、既存の生物多様性への脅威を理解するだけでなく、回復に向けた取り組みを導くためにも研究が重要だと述べた。しかし、脅威の目に見えない性質が、必要な資金の調達を阻んできた。

「気候変動は、雨量の増加、干ばつ、暑さなど、目に見えたり感じたりできます」とアガサクレウス氏は言います。「オゾン汚染は隠れた問題です。目に見えたり感じたりすることは一般的ではありません。人々は目に見えないものには注意を払わないのです。」

この記事の研究は、 スタンフォード大学のビル・レーン・センター・フォー・ザ・アメリカ・ウェストの支援を受けて行われました。

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