환경오염 무려 흙도 '노화한다'…'인류의 존속'을 좌우하는 '알 수 없는 위기'. 이것은 '레이와'의 '불편한 진실'인가!?

[お持て成し]

무려 흙도 '노화한다'…'인류의 존속'을 좌우하는 '알 수 없는 위기'. 이것은 '레이와'의 '불편한 진실'인가!? / 3/19(수) / 현대 비즈니스
 
날마다, 밟아서 신경도 쓸 수 없는 흙. 사실 이 흙이 없었다면 생명은 탄생하지 못했을 가능성이 있다고 한다. 뿐만 아니라, 흙은 생물의 진화나 공룡의 멸종, 문명의 영고성쇠에까지 관여해 왔다. 생명 진화에 한정하지 않고, 식량 위기, 환경 문제, 전쟁……지금 인류가 직면하고 있는 리스크는, 「흙」에서 보면 새로운 경치가 보인다.

흙을 주인공으로 46억 년 지구사의 새로운 면모를 드러낸 흙과 생명의 46억 년사가 출시 후 큰 호응을 얻고 있다. 오랜 세월, 흙 외길에서 연구를 계속해 온 후지이 카즈시 씨가 밝히는, 지금 우리가 알아 두지 않으면 안 되는 「흙 이야기」란.

* 본 기사는 『흙과 생명의 46억 년 역사와 진화의 수수께끼에 다가가다』(블루박스)를 재구성·재편집하여 보내드립니다.

◇ 흙도 노화하다

인간이 노화하듯이 흙도 노화한다. 이것을 풍화라고 한다. 인간의 노화는 요통이나 기억력 저하로 나타나지만 흙의 노화는 영양분 저하로 나타난다.

젊은 흙은 스멕타이트와 버미큘라이트, 운모 등의 점토 광물이 많다. 그곳에서는 규소·알루미늄·규소의 트리오에 의해서 결정 구조나 전기가 유지되고 있다. 그런데 초기 멤버의 규소가 유출되면 점토의 결정구조가 붕괴한다 【그림 5-2】.

남겨진 알루미늄과 규소는 듀오의 유닛을 재결성하여 카오리나이트 점토로 다시 시작한다. 게다가 규소가 유출되면, 마지막에는 알루미늄 산화물만의 솔로가 된다. 

그 사이 점토는 마이너스 전기를 계속 잃는다. 점토의 전기가 없어지면 영양 유지력이 떨어져 비옥한 흙이 아니게 된다. 마지막 남은 것은 풍화되지 않는 모래(석영)와 알루미늄과 철의 산화물뿐이다. 영양분을 잃은 적토가 고결하면 라테라이트, 화석화하면 보크사이트(알루미늄의 원료)가 된다. 

◇ 안으로 내몰리는 인

이때 심각한 것이 인의 감소다.

생물에게 인은 유전자와 에너지 생산에 필수적이다. 그러나 인은 궁극적으로는 암석 속의 광물(아파타이트)밖에 공급원이 없다. 아파타이트는 우리 뼈나 치아와 거의 같은 조성의 광물이다. 바위에서 흙으로 성장하는 단계에서는 광물은 서서히 풍화됨으로써 식물이나 미생물이 흡수할 수 있는 인이 증가한다. 

그런데 인은 질소와 달리 대기나 비에서 공급될 가망이 없다. 풍화·유출되어도 보급되지 않기 때문에, 시간이 지남에 따라 토양 속의 인은 감소해 버린다 【그림 5 ‒3】. 

게다가, 남겨진 얼마 안 되는 인은 플러스 전기를 띤 철녹 점토에 강하게 흡착된다.

점토의 마이너스 전기에 흡착된 칼슘 이온이라면 식물은 바로 꺼내 흡수할 수 있다. 신칸센 좌석에 비유한다면 3열 좌석 통로 쪽이다. 언제든지 화장실에 세울 수 있다. 그러나 철녹점토와 인의 흡착(결합)은 더 강하다. 인과 철 녹 사이에서 탈수 반응이 일어나 일체화된다. 신칸센 3열 좌석의 창가 자리에 앉아 있는 상태다. 

옆 사람은 도시락을 먹기 시작했고, 통로 쪽 자리 사람은 신발을 벗고 자고 있다. 쉽게 화장실에 설 수 없고 내리려면 새로 엄청난 에너지가 필요하다. 철사비 점토에 흡착된 인은 이 상태에 가까워 많은 식물은 쉽게 흡수되지 않는다. 이에 따라 호주 대륙과 아프리카 대륙 중앙부, 남미 대륙의 적토는 인 부족 문제를 안고 있다. 이것이 인류 조상의 삶에 크게 영향을 미치게 된다. 

◇ 인을 찾는 포유류

토양 중 인은 가장 용출되기 어려운 영양분 중 하나이지만 인체(물 제외)에는 인이 3%나 축적돼 있다. 어류나 조류의 인 함유량의 1·5~2배나 된다. 체내에서 인이 가장 많은 장소는 뼈나 치아(인산칼슘)인데, 그 다음으로 인이 농축하고 있는 장소는 뇌다[참고문헌 5 ‒1]. 

뇌는 원래 장에서 발생, 진화한 것으로 여겨진다. 장을 '제2의 뇌'라고 부르는 경우가 있는데 오히려 뇌가 '제2의 장'이다. 뇌를 진화시킨 생물 중 뇌가 큰 포유류는 조류와 함께 에너지 소비가 많아 뇌 발달과 에너지 생산에 인을 많이 필요로 한다. 

그런데 동물은 암석을 녹여 인을 직접 흡수하지 못한다. 이 때문에 포유류에게 흙과 식물을 통한 인 순환이 생명선이 된다. 호주의 올빼미수이의 삶에 그 어려움이 반영되어 있다. 

오스트레일리아 대륙의 지질은 오래되고 풍화된 흙은 영양분이 적다. 그런 가운데서도 유태반류(사람)가 오기 전부터 캥거루와 같은 유대류가 독자적인 진화를 이루고 있었다. 올빼미 미츠이도 그 중 하나다【이미지 1】. 

수컷의 체중에서 차지하는 음경의 비율이 생물 중 가장 큰 것으로 유명하다. 암컷은 특정 수컷을 가리지 않고 난자는 불특정 다수의 정자와 경쟁하게 한다. 번식에는 유전자나 세포의 막을 만드는 인이 특히 많이 필요하다. 하지만 흙에는 인이 부족하다. 

◇ 인을 빨아올리는 뱅크시어

거기서 의지한 것이, 뱅크시아라고 하는 피자 식물이다. 공룡 멸종 전부터 존재하고 있는 고참이다. 꿀이나 열매에는 인이 풍부하게 포함되어, 올빼미 미쯔이의 진수성찬이 된다. 올빼미가 꽃가루를 매개함으로써 뱅크시아도 번식할 수 있다. 방쿠시아는 귀여운 꽃을 피우는 한편 지하에서는 무서운 가는 뿌리 묶음(프로테오이드 뿌리)을 발달시킨다 【이미지 2】. 

빈영양적토에서 인을 흡수하기 위한 적응이다.

뿌리에서 유기산을 방출함으로써 점토에 강하게 흡착한 인을 녹이고 효소(포스파타아제)를 방출함으로써 유기물 속에 저장된 인조차도 녹여낸다. 녹아내린 인을 둘러친 극세의 뿌리로 회수한다. 이러한 기능은 영양분이 부족한 조건에서만 활성화된다[참고 문헌 5 ‒ 2]. 물 부족, 비료 부족으로 채소들이 전멸한 내 플랜터에서도 뱅크시아만은 얄밉게 건강하다. 

호주의 오래된 적토 위에서 한정된 인을 뱅크시아와 올빼미수이가 넘겨주면서 목숨을 부지하고 있다. 기후변화로 인해 화재가 빈발하게 됨에 따라 뱅크시아의 회생이 늦어져 올빼미도 멸종위기에 처했다. 

포유류에게 있어서, 토양의 인, 그리고, 그것을 흡수해 주는 식물의 존재는 불가결한 것이다. 한정된 인과 피자 식물에 식량의 대부분을 의존하고 있는 점은 인류도 공통되고 있어, 올빼미 미츠이의 핀치는 강 건너의 화재가 아니다. 

참고 문헌

[5-1] 오오타 나오이치 (1972) 화학교육, 20, 182-188.
[5-2] Lambers H et al.( 2002) Plant and Soil, 238, 111-122.

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흙과 생명의 46억년사토와 진화의 수수께끼에 다가선다

최신 기술로도 인류는 생명과 흙만 만들 수 없다고 한다. 흙이란 무엇인가? 어떻게 하면 흙을 만들 수 있을까--. 수많은 수수께끼에 싸인 흙의 존재로부터 지구와 진화의 장대한 이야기가 시작된다.

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후지이카즈시(흙의 연구자)

https://news.yahoo.co.jp/articles/345deedd0c028d771bfae36340f0c458e990a120?page=1

なんと土も「老化する」…「人類の存続」を左右する「知られざる危機」。これは「令和」の

なんと土も「老化する」…「人類の存続」を左右する「知られざる危機」。これは「令和」の「不都合な真実」か!?
3/19(水) 6:01配信

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現代ビジネス
photo by gettyimages

日々、踏みつけて気にも留めない土。じつは、この土がなければ、生命は誕生しなかった可能性があるという。それだけではなく、土は生物の進化や恐竜の絶滅、文明の栄枯盛衰にまで関わってきた。生命進化に限らず、食糧危機、環境問題、戦争……いま人類が直面しているリスクは、「土」から見ると新たな景色が見えてくる。

【画像】能登半島地震で明らかになった「日本には砂上の町が多い」という現実

土を主人公に46億年の地球史の新たな一面を明かした『土と生命の46億年史』が発売後、大きな反響を呼んでいる。長年、土一筋で研究を続けてきた藤井一至さんが明かす、いま私たちが知っておかなければならない「土の話」とは。

*本記事は、『土と生命の46億年史　土と進化の謎に迫る』(ブルーバックス)を再構成・再編集してお送りします。

土も老化する
人間が老化するように、土も老化する。これを風化という。人間の老化は腰痛や記憶力の低下として現れるが、土の老化は栄養分の低下として現れる。

若い土は、スメクタイトやバーミキュライト、雲母(うんも)などの粘土鉱物が多い。そこではケイ素・アルミニウム・ケイ素のトリオによって結晶構造や電気が保たれている。ところが、初期メンバーのケイ素が流出すると、粘土の結晶構造が崩壊する 【図5-2】。

残されたアルミニウムとケイ素はデュオのユニットを再結成してカオリナイト粘土としてやり直す。さらにケイ素が流出すると、最後にはアルミニウム酸化物だけのソロになる。

その間、粘土はマイナスの電気を失い続ける。粘土の電気がなくなると栄養保持力が低下し、肥沃な土ではなくなる。最後に残るのは、風化しにくい砂(石英)とアルミニウムと鉄の酸化物ばかり。栄養分を失った赤土が固結するとラテライト、化石化するとボーキサイト(アルミニウムの原料)となる。

奥に追いやられるリン
この時、深刻なのがリンの減少だ。

生物にとって、リンは遺伝子やエネルギーの生産に欠かせない。しかし、リンは究極的には岩石中の鉱物(アパタイト)しか供給源がない。アパタイトは私たちの骨や歯とほとんど同じ組成の鉱物である。岩から土に成長する段階では、鉱物は徐々に風化されることで植物や微生物が吸収できるリンが増加する。

ところが、リンは窒素と違い、大気や雨から供給される見込みがない。風化・流出しても補給されないため、時間とともに土壌中のリンは減少してしまう 【図5‒3】。

さらに、残されたわずかなリンはプラス電気を帯びた鉄サビ粘土に強く吸着される。

粘土のマイナス電気に吸着したカルシウムイオンであれば、植物はすぐに取り出して吸収できる。新幹線の座席に例えるならば、3列シートの通路側だ。いつでもトイレに立てる。しかし、鉄サビ粘土とリンの吸着(結合)はさらに強い。リンと鉄サビのあいだで脱水反応が起こり、一体化する。新幹線の3列シートの窓側席に座っている状態だ。

隣の人はお弁当を食べ始め、通路側の席の人は靴を脱いで寝ている。簡単にはトイレに立てないし、降りるには新たに膨大なエネルギーを要する。鉄サビ粘土に吸着されたリンはこの状態に近く、多くの植物は簡単には吸収できない。このため、オーストラリア大陸やアフリカ大陸中央部、南米大陸の赤土はリンの不足という問題を抱えることになった。これが人類の祖先の暮らしに大きく影響を及ぼすことになる。

リンを求める哺乳類
写真:現代ビジネス

土壌中でリンは最も溶出しにくい栄養分の一つだが、人体(水を除く)にはリンが3パーセントも蓄積されている。魚類や鳥類のリン含有量の1・5〜2倍にもなる。体内でリンが最も多い場所は骨や歯(リン酸カルシウム)だが、その次にリンが濃縮している場所は脳だ[参考文献5‒1]。

脳はもともと腸から発生、進化したものとされる。腸を「第二の脳」と呼ぶことがあるが、むしろ脳が「第二の腸」だ。脳を進化させた生物のうち、脳の大きい哺乳類は鳥類とともにエネルギー消費が多く、脳の発達とエネルギーの生産にリンを多く必要とする。

ところが、動物は岩石を溶かしてリンを直接吸収することができない。このため、哺乳類にとって土と植物を介したリン循環が生命線となる。オーストラリアのフクロミツスイの暮らしに、その厳しさが反映されている。

オーストラリア大陸の地質は古く、風化した土は栄養分が少ない。そんな中でも、有胎盤類(ヒト)が来る前からカンガルーのような有袋類が独自の進化を遂げていた。フクロミツスイもその一つだ【画像1】。

オスの体重に占める陰茎の割合が生物の中で最も大きいことで有名である。メスは特定のオスを選ばず、卵子は不特定多数の精子に競争させる。繁殖には遺伝子や細胞の膜を作るリンが特に多く必要となる。しかし、土にはリンが乏しい。

リンを吸い上げるバンクシア
写真:現代ビジネス

そこで頼りにしたのが、バンクシアという被子植物である。恐竜絶滅前から存在している古株だ。蜜や果実にはリンが豊富に含まれ、フクロミツスイのごちそうとなる。フクロミツスイが花粉を媒介することでバンクシアも繁殖できる。バンクシアはかわいい花をつける一方で、地下ではおどろおどろしい細い根の束(プロテオイド根)を発達させる 【画像2】。

貧栄養な赤土からリンを吸収するための適応だ。

根から有機酸を放出することで粘土に強く吸着したリンを溶かし、酵素(フォスファターゼ)を放出することで有機物中に格納されたリンさえも溶かしだす。溶けだしたリンを張り巡らせた極細の根で回収する。これらの機能は栄養分の乏しい条件でのみ活性化する[参考文献5‒2]。水不足、肥料不足で野菜たちが全滅した私のプランターでも、バンクシアだけは憎たらしいほど元気だ。

オーストラリアの古い赤土の上で、限りあるリンをバンクシアとフクロミツスイが受け渡しながら、命をつないでいる。気候変動によって火災が頻発するようになったことで、バンクシアの再生が間に合わず、フクロミツスイも絶滅の危機に瀕(ひん)している。

哺乳類にとって、土壌のリン、そして、それを吸収してくれる植物の存在は不可欠なのだ。限りあるリンと被子植物に食料の多くを依存している点は人類も共通しており、フクロミツスイのピンチは対岸の火事ではない。

参考文献

[5-1] 太田直一(1972)化学教育, 20, 182-188.

[5-2] Lambers H et al.( 2002) Plant and Soil, 238, 111-122.

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