Can We Hack Photosynthesis to Feed the World? | Steve Long | TED

翻訳: Kumi Kaku 校正: Eriko Tsukamoto

Today, nearly one in 10 is food insufficient.

現在 ほぼ10人に１人が 食糧不足の状態にあります

That number has been rising every year since 2014,

2014年以降 その数字は年々悪化しており

and it's forecast to become considerably worse

20年後 30年後には かなり深刻になる見通しです

over the next two to three decades.

This is especially true for the poorer countries of Africa and Asia,

とりわけ深刻なのが アフリカとアジアの貧しい国々で

where the rise in demand

食料需要の高まりに

is outpacing the rise in our ability to supply.

供給能力の増強が 追い付いていません

I want to tell you how the most important process

これからお話しするのは 地球上で最も重要な働きである

on the planet,

光合成についてです

boosting that process, photosynthesis,

光合成を促すことによって この問題を

could alleviate this problem.

軽減できる可能性があります

How photosynthesis works

光合成とは

is that plants remove carbon dioxide from the atmosphere,

植物が大気から 二酸化炭素を取り出し

then they use sunlight energy to convert that into our food,

それを太陽光エネルギーを使って

releasing our oxygen at the same time.

食物に変換すると同時に 酸素を放出する働きです

Photosynthesis is the most studied of all plant processes,

光合成は植物の働きの中で 最も多くの研究がなされており

and from that knowledge,

その結果から

we realize that even our most productive crops

最も生産効率の高い作物においても

are only achieving about one fifth

その潜在能力のわずか２割しか

of the potential efficiency of that process.

使われていないことが 分かっています

As the most studied of plant processes,

植物の働きの中で 最も研究された結果

we realize that the efficiency is low.

効率性の低さが分かったのです

Now, if we look at other genetic improvements of plants,

他の植物遺伝子改良では

these have typically involved one or two genes,

対象にする遺伝子は 普通１つか２つでした

for example, the shortening of the stems of rice and wheat,

例えば イネや小麦の茎を短くして

allowing more of the plant's biomass to go into the grain that we harvest,

その分を収穫物である実の部分に 回すことなどが

was at the core of the Green Revolution.

緑の革命の中心であって

That involved mutations in just a few genes.

変異を組み込む遺伝子は ほんの数個でした

But photosynthesis is a process of over 100 steps,

しかし 光合成は 100以上の段階からなるプロセスです

each of these facilitated by a different protein

促進するたんぱく質がそれぞれ異なり

and in turn coded for by many genes.

それをコードする遺伝子も多数に上ります

So where do you start?

どこから始めるべきでしょうか？

Well, you can envisage this like a car production line.

自動車の生産ラインになぞらえて 考えてみましょう

Imagine you've got a thousand workers.

従業員が1000人いるとして

Where do you place them on your line

彼らを生産ラインの どこに配置すれば

to get the most output?

生産が最大になるでしょうか？

Similarly, if you consider the amount of protein in a leaf,

同様に 葉に含まれる タンパク質の量を考えて

how do you distribute that between all these steps

それらを全段階の どこに配置すれば

to get the maximum efficiency?

効率が最大になるでしょうか？

If you could work that out,

その答えが分かれば

then maybe you could make progress.

進歩があるかもしれません

However, to do this experimentally with all these permutations

しかし 実験で全ての 組み合わせを試そうとすると

may take decades.

何十年かかるか分かりません

So instead, we built a digital twin of the process

そこで代わりに 光合成プロセスの デジタルツインを作りました

in which every one of these reactions

その中で １つ１つの反応を

was described by a differential equation

微分方程式で表し

producing a system that we could then numerically integrate and optimize

それを数値積分を用いて 最適化できるシステムを構築して

to pick out where should we be making changes.

どこを変更すべきか 見つけ出すのです

So after three years of building this system,

システムの構築から３年が経過し

we are now ready to do our numerical integration.

ようやく数値積分を行う 準備が整いました

And it failed.

ところが これが失敗でした

It failed miserably.

惨めな失敗でした

(Laughter)

（笑）

Fortunately, another scientist at our computer center

幸い コンピューターセンターにいた 別の科学者が

heard us talking about our problems

我々がその問題を話しているのを聞いて

and said, "Oh, I had exactly the same problem with my work

「ああ それなら全く同じ問題があったよ

on balancing rocket motors,

ロケットモーターのバランス作業でね

and here's how I solved it."

解決策はこうだ」と言いました

So he looked at our problem and he said,

我々の問題を見た彼は

"Oh, this is more challenging than what I'm doing."

「おや こっちの方が難しいな」と言って

And he worked with us.

作業に加わってくれました

And using his methods,

彼のやり方を使った結果

we were now able to numerically integrate our system,

システムの数値積分が可能になり

and we could optimize that,

最適化もできて

and we could start to see places

光合成を改良できそうな箇所が 見えてきました

where we might be able to improve photosynthesis.

So that's just to tell you

要するに 言いたいのは

that photosynthesis isn't rocket science.

光合成がロケット科学でない というだけで

It's harder.

もっと難しいんです

(Laughter)

（笑）

(Applause)

（拍手）

Well, of course, models can look very attractive.

もちろん モデルは とても魅力的に見えます

But when you now have to go into a muddy crop field

でも 泥だらけの畑に行って

to show that you can actually do this,

実際に示す段になると

it doesn't look quite so pretty.

そうキレイには行きません

But despite these challenges,

しかし そんな困難があっても

we were able to get together a team of experts

我々は専門家チームを

from Australia, Britain, China and the United States

オーストラリア 英国 中国 米国から招集し

to work together on this.

協力して取り組むことができました

And this is how we work.

我々のやり方はこうです

We use this digital twin to say, well,

デジタルツインを使って

what is the easiest change we might make that would have a big impact?

一番手軽に大きな成果が出せる 変更が何かを見つけ

Then we engineer that into a crop.

それを作物に組み込み

If in the greenhouse,

もし温室内で

we can see that the genetically modified plant is yielding more

遺伝子組換え作物の方が 収量が多いと分かれば

than the unmodified one,

then we have the acid test saying,

次は厳密なテストを行って

does this actually provide a higher yield on our experimental farm?

実験農場で本当に 収量が多くなるか調べます

Now we've now made three different changes to photosynthesis,

そうして 光合成に ３つの異なる変更を施したところ

each individually increasing yield by over 20 percent.

収量がそれぞれ２割以上アップしました

And I'll just tell you about --

それでは 次に―

(Applause)

（拍手）

A couple of these in a little more detail.

その中のいくつかを もう少し詳しくご説明します

In one case, the digital twin said

あるケースでは デジタルツインによって

a protein we call SBPase

SBPaseというタンパク質が

should be far more abundant in the leaf than it is.

葉にもっと豊富に含まれるべき という結果が出ました

So we put in extra copies of the genes coding for that protein.

そこで そのタンパク質の遺伝情報の 複製を追加したところ

We made more of it, we got more photosynthesis,

追加すればするほど 光合成が活発になり

we got a higher yield.

収量が上がりました

Well, this was a bit of a mystery because ...

でも これはちょっと謎でした というのも

This protein is a tiny fraction of the leaf's total protein.

このタンパク質は 葉のタンパク質全体の ほんの一部にすぎず

So why hadn’t evolution already done this?

なぜ進化の過程で増えなかったのか 不明だったのです

A colleague pointed out to us that the ancestors of our crops

すると 同僚が指摘しました この作物の先祖が進化した当時は

evolved in the carbon dioxide concentration

大気中のCO2濃度が

that is about half what it is today.

今の半分程だったと

Aha!

なるほど！

So we reran the model at this past CO2 concentration,

そこで過去のCO2濃度で モデルを再試行してみると

and we found now that the model was saying

そのモデルでは このタンパク質が

well you don't need any more of this protein.

それ以上必要ないとの 結果が出ました

So then we got curious, what about the future?

そこで 将来はどうなるのか 興味が湧きました

In 2050, we're predicting

予想では 2050年には

a considerably higher carbon dioxide concentration.

CO2濃度が今よりかなり 高くなります

When we ran it at that higher concentration,

その高濃度で試したところ

it said the benefit of increasing this protein was even greater.

このタンパク質を増やすメリットは さらに大きいと出ました

Well, we couldn't easily remove carbon dioxide

作物の周りの空気からCO2を 取り除くのは困難でしたが

from the air around our crop,

but we could add it.

加えることはできました

And when we did this,

そうしたところ

the model prediction was proved that we did indeed get

収量がさらにアップして モデル予想の正しさが証明されました

an even bigger boost in yield.

So this told us that evolution has just not had time

要は 我々が作物環境に加えた変化に

to keep pace with the changes we have made

進化が追いつく時間がなかったのです

in crop environments.

Now, another change we've made in crop environments

さて 我々が作物環境に加えた もう１つの変更は

is to grow our crops at ever-increasing densities.

作物の密度をどこまでも高めて 育てることです

This means that there's a lot of shading within the crop.

すると 作物の中に日陰が 沢山できます

So over the course of a day,

１日を通して見ると

the leaves are going in and out of shade due to clouds,

葉が日向になったり 日陰になったりするのは

due to the passage of the sun across the sky,

雲や太陽の動きのせいもありますが

but most importantly,

最も影響が大きいのは

shadows cast by other leaves.

他の葉が作る日陰です

Now, for photosynthesis,

光合成では

when the leaf goes into the shade,

葉が日陰に入ると

it's rather like you coming out of the sunshine,

ちょうど 我々が明るい戸外から

going into the shade of a room,

暗い室内に入ったときに

and it takes time for your eyes to adjust to that change.

目が順応するのに時間がかかるのと 同じことが起こります

The same is true of photosynthesis,

光合成でも順応に時間がかかるのですが

except it adjusts rather more slowly than your eyes.

そのスピードは目よりも さらにゆっくりです

Over the course of the day,

１日を通して見ると

this slow adjustment costs productivity an estimated 20 to 40 percent.

この遅さのせいで生産性が ２割から４割も損なわれるのです

So again, using our digital twin and also other information,

そこで再びデジタルツインと 他の情報も使って

we identified three proteins that we should regulate.

改変すべきタンパク質を ３つ特定しました

So we added extra copies of the genes for those proteins,

その遺伝子の複製を追加した結果

got more of them,

the leaves adapted faster to fluctuations in light.

光の変化に対する 葉の順応スピードが速くなり

And in soybean on our farm

結果 我々の大豆農場での

we got more than 20 percent increase in seed yield.

収量が２割以上もアップしました

(Applause)

（拍手）

So how do we now get from these improvements

では こうした改良を どのように種子に生かせば

to seed

which will give greater yields where it is most needed?

最もニーズの高い土地の収量を 増やせるでしょうか？

And I'll just give you one ongoing example.

現在進行中の例を１つご紹介します

We've been working with TJ Higgins,

我々の仕事仲間に T・J・ヒギンズという人がいます

a plant biotechnologist from Australia,

オーストラリア出身の 植物生物工学者で

who's been working in Nigeria really for almost 20 years,

ナイジェリアで20年近く働き

developing insect-resistant cowpea.

耐虫性のあるササゲを開発してきました

Cowpea is probably not what you think it is.

ササゲはおそらく 皆さんのイメージとは異なり

Cowpea is actually a nitrogen-fixing crop

土中にチッソを蓄える作物です

related to soybean,

親類である大豆と同じく

and it produces, like soybean, a protein-rich seed.

タンパク質豊富な豆を産出します

It is, in fact the most important vegetable protein source in West Africa,

実際 ササゲは西アフリカで 最も重要な植物タンパク源であり

and it is often referred to as the “poor man’s meat.”

「貧乏人の肉」とも呼ばれます

A problem with cowpea is that a pod boring insect

ただ ササゲにはサヤに穴を開ける 害虫の問題があり

can completely destroy a family's entire crop.

一家の作物が根こそぎ やられてしまうこともあります

So TJ's ...

そこで T・Jの

genetically modified cowpea that is insect-resistant

害虫に強い遺伝子組み換えササゲが

is very powerful,

威力を発揮します

and TJ and his colleagues work with governments in West Africa

T・Jは同僚と 西アフリカ諸国の政府と協力して

to put in place regulatory frameworks for genetically modified crops.

遺伝子組み換え作物の 規制の枠組みを策定しています

And now this insect-resistant cowpea is available to farmers in Nigeria,

現在 この耐虫性ササゲを ナイジェリアの農家が入手でき

where it's become very popular.

非常に人気となっています

This year, it was also released in Ghana.

ガーナでも今年発売されました

So what we are now doing with TJ

我々が現在 T・Jと行っているのは

is stacking our photosynthetic improvements

我々の光合成の改良を

on top of his insect resistance --

彼の耐虫性の上に重ねて組み込み

this is all royalty-free --

すべてロイヤルティフリーで

so that these farmers will have access to seed,

農家に将来 害虫に強く収量の多い作物の

which will produce a crop which is insect-resistant

種子を入手してもらうことです

and delivers a higher yield.

So I hope I've shown to you that ...

お分かりいただけたでしょうか

by boosting photosynthesis

光合成を促進することにより

we can relieve the risk of food insufficiency

最も弱い立場にある人々の 食糧不足のリスクを

for some of the most vulnerable.

和らげることができるのです

We can protect the environment

環境も守れます

by preventing the need to go onto yet more land

食料生産のための新たな土地開発を 防げるからです

to produce our food.

And the possibility that we might even be able to remove carbon dioxide

大気中のCO2さえ 除去できるかもしれません

from the atmosphere.

A 21-century Green Revolution,

これが 今切実に求められている

one we so urgently need.

21世紀の緑の革命です

Thank you.

ありがとうございました

(Applause)

(拍手)