5600万年前、地球の森林は転換点を超えた。地球史上最も激しい温室効果温暖化の時期のひとつにおいて、それまで繁栄していた密で豊かな林冠が薄まり始めた。地球全体の気温が最大で華氏11度(摂氏6度)上昇するなか、熱と干ばつが森林に負荷をかけ、多数の樹木を枯らした。林冠に生じた隙間によってより多くの日光が地面に届き、地形を流れる水の動きも変化した。

ワイオミング州南部では、ニレ、クルミ、メタセコイア、アボカドの近縁種がかつて繁栄していた土地に、シダが一時的に広がった。その後、ヤシなど温暖を好む植物が北上した。

科学誌『Science』に掲載された新しい研究で、研究者らは、ワイオミングの森林がこの期間――古新世・始新世温度最大期(PETM)として知られる――に林冠の60%を失い、回復には10万年以上を要したことを示した。PETMでは海洋・大気系への大量の炭素放出が起こり、その温暖化と回復を合わせた期間は約20万年に及んだ。PETMは、世界が現在経験している温暖化に最も近い地球の自然の類例であるが、人類は現在、当時の地球の自然プロセスの約10倍の速さで二酸化炭素を放出している。それらの森林で何が起きたのかを理解することは、地球が再び同様の閾値を超える前に、人類が類似の閾値を認識する助けになるかもしれない。

化石葉から森林を読み解く

古植物学者は通常、植物の化石を使って、ある場所にかつてどの種が生育していたかを特定する。今回の研究の著者らが取り組んだのは、より難しい問いだった。森林そのものはどのような姿をしており、どのように変化したのか。森林の構造、とりわけ林冠は、林床に届く光の量や気温、水生生息環境、森林が貯蔵できる炭素の量を左右するため、生態系機能を最も明確に示す指標のひとつとなっている。

だが、5600万年前に消えた森林の密度をどのように測定すればよいのだろうか。生態学者は葉面積指数と呼ばれる指標を使って林冠の密度を測定する。日光を遮る葉の層を複数持つ密な森林は高い値を示し、より多くの光を林床に届ける開けた森林は低い値を示す。林冠は日陰、気温、水分損失、光合成に影響を与えるため、この指数は森林機能を測る強力な手段となる。今日では人工衛星が世界中の森林の状態を追跡するために日常的にこの指標を測定しているが、数千万年前に生育した森林についてはそのような記録は存在しない。

数千万年前の林冠の密度の手がかりは、微視的な植物のクチクラ(角皮)、すなわち葉の薄い蝋質の外皮から得られた。クチクラは有機物に富んだ堆積物の中で数百万年にわたって保存されることがある。これらの化石葉の断片では表皮細胞の形が今も観察でき、それが重要である。細胞の形は、葉が生育中に受けた日光の量を反映している。日陰で生育する葉は、日光を求めて伸びるため、より長く細長い細胞を発達させる。より多くの日光にさらされた葉は、より短く丸みを帯びた細胞を発達させる。

研究者らはこの関係を、古代の森林を復元するための道具へと応用した。較正のため、彼らは中南米の森林から、林冠密度の幅広い範囲を網羅する土壌を採取した。ひと握りの土壌には、林冠のさまざまな植物から脱落したクチクラが含まれており、森林全体の構造を反映している。そして化石記録には、これと同じ断片化された落葉層が保存されている。

数千個の表皮細胞の形を、彼らが測定した葉面積指数と比較したところ、驚くほど強い相関が明らかになった。細胞が細長いほど、その上の林冠は密であるという関係である。この相関により、研究チームは数千万年前のワイオミングの森林の構造を復元し、その時間的変化をたどることができた。

森林が限界に達するとき

最も驚くべき発見のひとつは、森林が衰退した状態で古新世・始新世温度最大期に入ったのではなかったことである。急速な温暖化が始まる直前、林冠は数十万年ぶりとなる最高密度に達しており、大気中の二酸化炭素が増加し始めたことによる好適な生育条件を反映していたとみられる。この二酸化炭素の供給源については、火山噴火に関係するとする説が有力である。

しかしその繁栄は長続きしなかった。気温が上昇するにつれ、熱と干ばつが二酸化炭素濃度の上昇による利益を上回った。樹木の枯死とともに林冠は急速に希薄化し、10万年以上にわたって大幅に疎らなままだった。

縮小した状態では森林の機能は大きく異なり、周辺環境にもその影響が及んだ。古い土壌はより粗い河川堆積物へと変わり、林冠の喪失が流域内の水と堆積物の移動を変えたことを示唆している。気候の変化が森林を変え、森林が景観を変えたのである。

現代への教訓

この一連の経過は、現在にとって重要な教訓を含んでいる。世界が現在経験しているような高濃度の二酸化炭素――濃度は産業時代以前の約280ppmから今日の420ppm超へと上昇した――は植物の成長を促進しうるが、それは気温と水が樹木の許容範囲内にある間だけである。その限界を超えると、熱、干ばつ、昆虫、病原体、山火事が、成長を促す施肥効果を打ち消してしまう。

世界各地の多くの森林では、気温の上昇に伴い、すでに衰退の兆候が現れている。研究者らは近年の数十年間、森林が存在するすべての大陸で熱と干ばつによる樹木枯死の事例を記録してきた。これに加え、木材、作物、放牧地のための森林伐採が森林の回復力をさらに低下させている。

森林は回復したが、10万年以上を要した

5600万年前の古代森林の物語は、崩壊で終わるものではない。時間の経過とともに、温暖な気候で進んだ岩石の分解――風化として知られるプロセス――が大気中の炭素を徐々に取り除き、海洋堆積物へと貯蔵した。これにより気候は冷え、水はより利用しやすいものになった。林冠は回復し、最終的には温暖化が始まる前よりもさらに密になった。

森林が拡大するにつれ、土壌を安定させ、水循環を調節し、大気から炭素を吸収する能力も回復したとみられ、温室効果の軽減と地球の長期的な回復を支えた。

この研究は、二酸化炭素の排出がかつて森林を生理学的限界を超えて追い込み、植生から河川、そして景観全体に及ぶ変化を引き起こしたことを示している。また、回復の時間が与えられれば森林は驚くほど高い回復力を示すことも明らかになったが、必要な時間は人間の寿命よりはるかに長く、数千世代に及ぶ。

今日、人為的な炭素排出と温暖化は、PETMのときよりもはるかに速い速度で進行している。化石記録は、森林は回復できるが、それは人類が、回復に数万年を要する閾値を超えて森林を追い込まない場合に限られることを思い起こさせる。

Regan E. Dunn氏は、ラ・ブレア・タールピッツ博物館の准キュレーター、およびUSCダーンサイフ文学・芸術・科学部の地球科学客員教授である。

本記事はThe Conversationからクリエイティブ・コモンズ・ライセンスの下で転載されたものであり、もともとFortune.comに掲載されたものである。