炭素とともに世界を旅する

炭素は、化学記号 C で表され、周期表の 6 番目の位置に位置する非金属元素です。

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水は私たちの生活のほぼあらゆるところに存在し、必要不可欠なものです。あらゆる場所の動物や植物の体は水でできています。

大興安嶺の秋の森の画像出典: Tuchong Creative

息を呑むようなカルスト地形が形成されています。

広西チワン族自治区河池の南丹カルスト峰 写真提供: Tuchong Creative

産業革命を支えた化石燃料（石炭、石油など）にも含まれています。

外洋貨物船に積まれた石炭 画像提供: Tuchong Creative

炭素元素は、その独特な方法で、地球の4つの主要圏、すなわち生物圏、岩石圏、大気圏、水圏に足跡を残し、地球環境のあらゆる側面に深い影響を及ぼしています。

1. 大気圏から生物圏へ

植物が出現する前は、炭素と2つの酸素原子（O）が近接して二酸化炭素（CO₂）と呼ばれるグループを形成していました。

二酸化炭素の分子モデル 画像提供: Visual China

植物の出現後、二酸化炭素の運命は変化しました。

二酸化炭素は気孔から植物に入り、太陽光の作用により、2段階からなるよく知られた光合成が起こります。

顕微鏡で見た植物の葉の気孔 画像提供: Visual China

1 つ目は光反応段階で、植物細胞の葉緑体に存在する光合成色素が光エネルギーを吸収し、体内で高エネルギー電子を励起して体内に伝達し、体内の水の光分解にエネルギーを提供し、最終的に光エネルギーを化学エネルギーに変換します。この化学エネルギーは ATP (アデノシン三リン酸) と NADPH (還元型補酵素 II) の形で蓄えられ、酸素 (O₂) が生成されて空気中に放出されます。

植物葉緑体における光合成の2段階の図解：He Lin

2 番目は暗反応段階で、この段階では光は必要ありませんが、二酸化炭素を糖に還元するためには、光反応の生成物である ATP と NADPH が必要です。

植物の光合成により、もともと動物を窒息させていた二酸化炭素が、動物の生存に不可欠な酸素とエネルギー源（糖）に変換されます。

新疆ウイグル自治区伊犁のカラジュン草原の風景（縦の写真、横の画面表示）画像提供：Tuchong Creative

二酸化炭素は植物体内で糖に変換されると、物理的な体を持ちますが、植物内部でしか移動できません。草食動物が植物を食べると、動物の体内の有機物（多糖類）が単糖類に分解され、酸素の作用で二酸化炭素と水が生成され、動物が利用できるエネルギーも生成されます。

青海チベット高原のウサギやネズミは植物を食べます。画像出典: Tuchong Creative

カマキリは蝉を追いかけますが、後ろにいるコウライウグイスには気づいていません。自然界には完全な食物連鎖が存在します。草食動物たちが気楽にビュッフェを楽しんでいる間、肉食動物たちは遠くに隠れて、貪欲に彼らを見守っています。草食動物は狩られる運命から逃れられず、捕食者と被捕食者の関係において、草食動物の体内の有機物とエネルギーは狩猟動物に移される。

チベットキツネはウサギやネズミを狩っています。画像出典: Tuchong Creative

この食物連鎖のエネルギーの起点は空気中の二酸化炭素であり、終点も二酸化炭素です。炭素元素は生物圏における長いサイクルを完了します。

2. 生物圏から岩石圏へ

植物の寿命には限りがあります。土壌から現れ、最終的には地中に埋もれます。動物についても同じことが言えます。

動物や植物の残骸に含まれる炭素元素は、ほとんどが有機物の形で存在します。好気条件下で微生物によって完全に分解されると、水や二酸化炭素などの無機物が生成されます。

木の「残骸」から成長する菌類の群集。画像出典: Tuchong Creative

急速に腐敗する有機物はほぼ完全に無機物に分解され、岩石になります。地殻の動きによって岩石が押しつぶされ、地下深くの極めて高い温度と圧力によって岩石が溶けてマグマになります。

ラ・パルマ火山の噴火 画像提供: Tuchong Creative

地殻が活発に動くと、地中からマグマが噴出し、新たな炭素循環が始まります。大規模な火山噴火は、地球システムのさまざまな層（岩石圏、水圏、生物圏、大気圏など）に浸透し、地球の層間での物質の交換と循環を促進し、二酸化炭素を豊富に含む火山ガスを大量に大気中に放出します。

中国山東省濰坊市長楽古火口の玄武岩柱状節理 画像提供: Tuchong Creative

噴出したマグマは地球上の生物に災害をもたらし、どこに行っても草は生えず、何も残らなかった。しかし、マグマは地殻から大量の鉱物も運び込み、冷却されたマグマは大量の火山岩（玄武岩など）を形成します。火山岩は風化後、ミネラルを豊富に含んだ土壌を形成し、植物の成長に非常に適しています。

3. 岩石圏から大気圏へ

植物や動物の残骸の分解は完全に好気性ではありません。地下に埋もれた微小環境の中には、ほぼ完全に酸素が欠乏しているものもあります。多くの分解プロセスは嫌気性条件下で完了します。このプロセスは比較的遅く、有機酸、アルコール、アルデヒドなどの物質が大量に生成されます。

これらの分解された炭素含有有機物は、シルトや炭酸塩堆積物などの物質と混ざり合って堆積層を形成します。堆積物が蓄積して厚くなるにつれて、温度と圧力が上昇します。このプロセスが継続し、堆積層は堆積岩となり、堆積盆地を形成し、化石エネルギー（石油、石炭、天然ガス）の生成のための基本的な地質環境を提供します。

石炭層の植物化石 画像提供: Tuchong Creative

石油、石炭、天然ガスになる炭素元素は、マグマ中の炭素元素ほど「激しく」はありません。人々が採掘して利用するまで、それらは地層の中に眠ったままです。

石油採掘が行われているカリフォルニア州セントラルバレーの何千もの油井のうちの 1 つ。画像出典: Visual China

化石エネルギーの大量使用により二酸化炭素の排出量が急増し、地球の表層部と大気圏内にますます蓄積されています。

もともと二酸化炭素は大気中の赤外線を吸収することができ、地球が人間にとって居住可能な場所となることを可能にしています。これが「自然の温室効果」です。

2012年6月22日、グリーンランド北西部のペーターマン氷河から氷山が分離した。画像提供：Visual China

産業革命以降、人類は化石エネルギーを大量に使用し、過剰な二酸化炭素を排出して炭素循環を乱している。より多くの赤外線が地面に反射され、「温室効果」を悪化させている。ドミノ倒しのように、一連の連鎖反応が起こりました。氷河が後退し、海面が上昇し、波が押し寄せ、作物が浸水しました...

4. 大気圏から水圏へ

大気圏と水圏は密接に結びついており、炭素はここに痕跡を残しています。

46億年前から38億年前にかけては、原始的な火山性大気が存在し、その主成分は水蒸気、二酸化炭素、および強酸性ガスであり、水圏はまだ出現していませんでした。

原初の地球の模式図。画像出典: Tuchong Creative

38〜26億年前には、酸性度の高い還元性の海水である水圏が出現し、大気は二酸化炭素を還元する大気へと進化しました。海水が酸性度が高すぎたため、大気中の二酸化炭素は水圏に炭素源を提供できませんでした。

26〜18億年前、大気中の二酸化炭素含有量が減少し始め、海水はpHが低く酸素の逃避度が低い酸性還元環境を特徴としていました。二酸化炭素は強酸性の液体環境では溶解度が低く、常に逃げようとします。大気圏と水圏は依然として「うまく共存」できない。

18〜60億年前まで、地球の環境は大きな変化を遂げました。大気中の二酸化炭素含有量が急激に減少し、酸素が蓄積し始め、海水のpHと酸素逃避度が増加し、弱酸性、弱酸化環境に変化しました。大気圏と水圏は安定した相互作用関係を築き始めました。

6億年前から1万年前にかけて、大気中の二酸化炭素含有量は急激に減少し続け、酸素含有量は変動しながら上昇し、窒素含有量は現代のレベルまで蓄積し続けました。海水は弱アルカリ性で酸化力が強い環境に変化し、大気と水圏の炭素元素が自由に相互作用できるようになりました。

エジプトのサンゴ礁 画像提供: Jonnysek/Adobe Stock/TuChong Creative

大雨が降ると、大気中の二酸化炭素が水圏に運ばれます。雨が地上に降り注ぎ、岩石に含まれる炭素元素が海に流れ込み、サンゴ礁の形成に欠かせない炭素源となり、造礁サンゴを基盤としたサンゴ生態系の形成を可能にしています。

もっと最近の話に移りましょう。産業革命以来、人間の活動により大気中に過剰な二酸化炭素が発生しています。海水は大量の二酸化炭素を吸収し、pH値の低下を引き起こし、それが海の生態系のバランスに一連の影響を及ぼしています。例えば、海洋生態系にとって重要なサンゴは、体内の共生藻類の離脱や死滅により白化現象が起こり、最終的には栄養供給の喪失により死滅しました。

サンゴの白化過程の模式図：シャオ・チュー

2016年10月、オーストラリアのグレートバリアリーフでサンゴの白化現象が発生しました。画像出典: Visual China

二酸化炭素は成功と失敗の原因です。炭素の旅は今も静かに続いている…

地球が活力を取り戻すには、人間と環境が長い和解の過程を経なければならないだろう。