Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי פורסם: 31 בינואר, 2019

האם השׁלכה של לִבַּת תפוח עץ מחלון הרכב נחשבת השלכת פסולת? – קהילות מִיקְרוֹבִּיוֹת בקוֹמְפּוֹסְט טבעי

תַקצִיר

האם אי פעם השלכתם ליבת תפוח או קליפת תפוז מחלון הרכב? האם זוהי פסולת? מה קורה אם היא נוחתת על המדרכה? האם זה זֵהֶה אם היא נוחתת על אדמה או בצד הכביש? ליבות תפוח, קליפות תפוז, עלים וחומרים צמחיים אחרים עשויים מתרכּוֹבוֹת פחמן מֻרְכָּבוֹת, שמפוֹרקוֹת עם הזמן לצורות פשוטות יותר של פחמן בתהליך שנקרא הֵירָקְבוּת. הירקבות היא חלק מרכזי מִמַּחְזוֹר הפחמן. ההירקבות נעשית בעיקר על-ידי קהילוֹת מיקרוֹבּיוֹת, שהן קבוצות של אורגניזמים חיים זעירים ערים בלתי נראות אשר חיוֹת בכל מקום על פני כדור הארץ. האם אתם מסוגלים לדמיין את הערים הבלתי נראות הללו, שאוכלות את ליבת התפוח שהשלכתם או את ערימת העלים שעל האדמה? באיזו מהירות צמחים מתים נרקבים? ולאן הולך הפחמן הזה?

מהי הירקבות?

היווצרוּת של קוֹמְפּוֹסְט (דְּשֹׁנֶת) על-ידי ערימה או פח של שאריות מזון או פסולת גינה, אשר מתפרקים ומייצרים אדמה, היא אחת מהצורות של הירקבות. הירקבות היא תהליך שבּו תרכובות כמו רִקְמָה צמחית, שעשויות מפחמן מורכב, מפורקות ליחידות פשוטות יותר של פחמן. היסוד פחמן (שמסומן באות C) הוא הבסיס לכל צורות החיים על פני כדור הארץ, והוא חלק מהאוקיאנוס, מהאוויר, מהסלעים ואפילו מהגוף שלנו. פחמן עובר בין צורות שונות דרך מַחְזוֹר הפחמן. באטמוספרה, פחמן קשור לחמצן, ומייצר גז שנקרא פחמן דו-חמצני (מסומן באותיות CO2).צמחים משתמשים בפחמן דו-חמצני, במים, בחומרי מזון ובשמש כדי לגדול. הפחמן משולב במבנה של צמחים בצורה של תרכובות מורכבות. בסופו של דבר, צמחים מתים ונרקבים. כחלק מתהליך ההירקבות, חלק מהפחמן משוחרר לאוויר בתור פחמן דו-חמצני, וחלק מהפחמן מאוחסן באדמה. חומרי מזון אחרים, כמו חנקן וזרחן, משוחררים גם הם מצמחים מתים, וּמְדַשְּׁנִים את האדמה (איור 1).

איור 1 - קהילות מיקרוביות חיות על עֲלֵי צמחים מתים ומרקיבוֹת את העלים.
  • איור 1 - קהילות מיקרוביות חיות על עֲלֵי צמחים מתים ומרקיבוֹת את העלים.
  • כאשר מיקרובים משתמשים בפחמן מהצמחים המתים הם משחררים חלק ממנו לאוויר בצוּרת פחמן דו-חמצני, ומאחסנים חלק ממנו באדמה. מיקרובים משחררים גם חומרי מזון אחרים כמו חנקן וזרחן, מצמחים מתים, ומדַשׁנים את האדמה. צמחים משתמשים בפחמן דו-חמצני, במים, בחומרי מזון ובאור שמש כדי לגדול. איור זה מדגים את מעגל הפחמן ואת הקשר שבין צמחים לבין קהילות מיקרוביות (שמוצגות על העלים). CO2 = פחמן דו-חמצני Nitrogen = חנקן Phosphorous = זרחן

האם אתם יודעים כיצד צמחים מתים נרקבים?

מיקרובים, שהם אורגניזמים חיים זעירים כמו חיידקים ופטריות, מְפָרְקִים רְקָמוֹת של צמחים ומשתמשים בהן בתור מזון, כלומר כמקור לאנרגיה. מיקרובים חיים בכל האזורים בכדור הארץ. כאשר סוגים שונים של מיקרובים נמצאים יחד באותו המקום, מדענים מכנים אותם קהילוֹת מיקרוֹבִּיוֹת. קהילות אלה, אף על פי שהן מורכבות ממיליוני מיקרובים יחידנים, הן כל כך קטנות שאיננו יכולים לראות אותן; הן כמו ערים בלתי נראות אשר חיות בינינו. אולם, עצם זה שהן קטנות לא אומר שאינן חשובות. קהילות מיקרוביות הן חיוּניוֹת לקיום חיים על פני כדור הארץ. אחד התפקידים של קהילות מיקרוביות הוא לְפָרֵק חיות וצמחים מתים כדי לסייע בהֲנָעַת פחמן במעגל הפחמן, ולשחרר חומרי מזון לתוך האדמה (איור 1). כאשר מיקרובים משתמשים בפחמן מהצמחים המתים, הם משחררים חלק ממנו אל האוויר בתור פחמן דו-חמצני, ומאחסנים חלק ממנו באדמה. הפחמן הזה שמשתחרר לאדמה מתגלגל בין הרבה צורות שונות. לדוגמה, חלק מהפחמן משולב בתוך תאים מיקרוביים בזמן שהם גדלים, וחלק מהפחמן מסייע ליצור חלקיקי אדמה חדשים, או מדביק יחד חלקיקי אדמה ישָׁנים.

דִּשּׁוּן באמצעות קומפוסט מאיץ את התהליך הטבעי של הירקבות על-ידי יצירת תנאים שמאפשרים לקהילות מיקרוביות לעבוד ביעילוּת רבּה יותר. אולם הירקבות אינה מתרחשת רק בקומפוסט, שֶׁכֵּן הוא גם הכרחי לסביבה הטבעית. מה קורה כאשר עלים נופלים מעצים? טוב, בחצר שלכם אתם אולי עורמים אותם וקופצים עליהם. אולם מה אם לא הייתם עושים זאת? הם לא היו פשוט נערמים יותר ויותר גבוה, שנה אחרי שנה. בסופו של דבר הם היו מפורקים על-ידי מיקרובים, בדיוק כמו החומרים שבערימת קומפוסט.

האם מדענים מודדים הירקבות?

בעוד שאיננו יכולים לראות את ההירקבות מתרחשת, אנו יכולים למדוד את ההשפעה שלה באמצעות שקילה של חומר שמתפרק, ולראות כמה מָסָה אבדה עם הזמן. הכלים שבהם מדענים משתמשים לעיתים קרובות כדי למדוד הירקבות של צמחים נקראים שׂקיות פסולת (איור 2). שקיות פסולת הן מְכָלִים שמורכבים מֵרֶשֶׁת, חומר שהוא מספיק חָדִיר כדי לאפשר למים, אוויר וחומרי מזון לעבור דרכו. שקיות פסולת ממולאות בחומר צמחי, נשקלות ומושארות בחוץ בשָּׂדֶה לפֶּרֶק זמן כלשהו, ואז נאספות ונשקלות מחדש. אפשר להשתמש במדידת כמות המסה שאבדה כדי לְחַשֵּׁב את קֶצֶב ההירקבות (כמות המסה שאבדה עם הזמן). קצב ההירקבות אומר לנו כמה מהר או לאט החומר נרקב. שקיות פסולת מאפשרות למדענים לבחון אלה גורמים משפיעים על קצבי ההירקבות במערכות אקולוגיות. הגורמים שמדענים מעוניינים לבחון כוללים את מידת הלחוּת ומידת החוּמציוּת של האדמה, סוגי הצמחים שנרקבים והַמִּגְוָן המיקרוֹבּי, שהוא הסוגים השונים והכמויות של מיקרובים שנמצאים באדמה [1, 2].

איור 2 - שקיות פסולת בשני מקומות שונים בשדה.
  • איור 2 - שקיות פסולת בשני מקומות שונים בשדה.
  • שקיות הפסולת (הריבועים הלבנים) מורכבות מניילוֹן, דבק ונייר דבק. שקיות הפסולת ממוּקמוֹת בתוך כלובי חוטים ומחוברות באמצעות יְתֵדוֹת לאדמה כדי שֶׁחיוֹת (כמו סנאים ועכברים) לא יטרידו אותן. שקיות הפסולת ממוספרות כדי לעקוב אחרי דגמים בודדים. בכל מקום יש כמה שקיות פסולת זהוֹת שמהווֹת כפילים נסיוניים. התמונה באדיבות: Alexander Chase.

האם קהילות מיקרוביות שוֹנוֹת מפרקוֹת חומר צמחי מהר יותר או לאט יותר?

דוגמה אחת שמראָה את החשיבוּת של מיקרובים בהירקבות הייתה ניסוי שהפך לתאונה – אסון צ’רנוביל. זוהי תאונה גרעינית קשה שהתרחשה בשנת 1986 בְּמָה שכיום היא אוקראינה. התאונה שחררה כמויות עצומות של חומר רדיואקטיבי מכּוּר גרעיני, והשפיעה על בני האדם ועל הסביבה. מבחינת המיקרובים, התאונה הפכה את האדמה להיות סטרילית, והרגה את הקהילות המיקרוביות שחיו בה. כמעט 30 שנים מאוחר יותר, אֲתָר התאונה צָבַר ערימות גדולות של עלים שנפלו ועצים מתים רבים; הצמחים המתים אינם נרקבים. כאשר מדענים ערכו ניסויים עם שקיות פסולת כדי לקבוע מדוע, הם גילו שתהליך ההירקבות האיטי מאוד נגרם בעיקר ממחסור במיקרובים [3].

מדענים יכולים לבצע ניסויים בשדה כאשר יש להם שאלות שהם רוצים לענות עליהן. לדוגמה: כיצד שינויי האקלים ישפיעו על קצבי ההירקבות? במחקר אחד שמטרתו לענות על השאלה הזו, חוקרים הוסיפו קהילות מיקרוביות שונות, האחת מסביבה של דשא יבש והשנייה מסביבה של דשא רטוב, לשקיות פסולת שהכילו חומר צמחי של דשא סטרילי [2] (איור 3A). שקיות הפסולת האלה היו מורכבוֹת מרֶשֶׁת עם חורים קטנים מאוד-מאוד על מנת לכלוא את המיקרובים כדי שלא יוכלו לצאת או להיכנס. שקיות הפסולת נשקלו ואז הוצבו מחוץ למדשאה ונאספו לאחר חודשים רבּים. החוקרים מצאו שבשקיות הפסולת שהכילו קהילות מיקרוביות שהגיעו מתנאים יבשים, קצב ההירקבות היה איטי יותר מאשר אלה שהכילו קהילות מיקרוביות שהגיעו מתנאים רטובים יותר, אף על פי ששקיות הפסולת הונחו באותה הסביבה במהלך הניסוי [2] (איור 3B). הדוגמאות האלה מראות כי סוגי המיקרואורגניזמים שנוכחים בקהילה משפיעים על קצב ההירקבות. החוקרים שִׁעֲרוּ שהקהילות המיקרוביות מהסביבה הַיְּבֵשָׁה עבדו לאט יותר מאחר שהמיקרובים האלה התמחוּ בהישׂרדות בתנאים קשים יותר, בעוד שמיקרובים מסביבות רטובות היו טובים יותר בהרקבת צמחים מתים, ועשו זאת בקצב מהיר יותר. ניסויים נוספים ממשיכים לבחון את הַהַשְׁעָרָה הזאת.

איור 3 - A. ניסוי שדה שנערך כדי לבחון כיצד הבדלים במגוון המיקרובי (קהילות מיקרוביות נאספו במקור מתנאי סביבה של דשא רטוב לעומת יבש) משפיעים על קצבי ההירקבות.
  • איור 3 - A. ניסוי שדה שנערך כדי לבחון כיצד הבדלים במגוון המיקרובי (קהילות מיקרוביות נאספו במקור מתנאי סביבה של דשא רטוב לעומת יבש) משפיעים על קצבי ההירקבות.
  • הקופסאות הלבנות מייצגות את שקיות הפסולת. בכל שקיות הפסולת יֶשְׁנוֹ אותו סוג של צמחים מתים. אולם כל שקית פסולת מכילה רק אחד משני הסוגים השונים של קהילות מיקרוביות (שמיוצגות על-ידי הצורות השחורות והאפורות – ”ערים בלתי נראות“). קהילה מיקרובית אחת נאספה במקור מסביבה יְבֵשָׁה (שמשית), וקהילה אחרת נאספה מסביבה רטובה (גשומה). ישנן שלוש שקיות פסולת זהוֹת לכל סוג של קהילה מיקרובית. שקיות הפסולת ממוקמות כולן יחד במיקום אחד בשדה. B. קצב ההירקבות נמדד על-ידי שקילה של שקיות פסולת לפני שממקמים אותן בשדה, ואז שקילה נוספת בזמן מאוחר יותר כדי לראות כמה מהמסה של הצמחים המתים אבדה במהלך אותו הזמן. שקיות הפסולת שמוצגות ב-A נשקלו בתחילת הניסוי, הוצבו בשדה למשך שנה ואז נאספו ונמדדו שוב בסוף. אחוז (%) המסה שאבדה הוא אחוז השינוי במשקל מההתחלה ועד סוף הניסוי [מסה התחלתית-מסה סופית 100%*]. נתונים אלה מראים שהקהילות המיקרוביות שהגיעו במקור מסביבה רטובה (עמודה כחולה) פירקו יותר מהחומר הצמחי מאשר קהילות שהגיעו במקור מסביבה יבשה (עמודה כתומה) (התמונה אומצה מֵהַפְנָיָה [2] של .Alison et al).

מדוע מדענים מעוניינים ללמוד עוד על הירקבות?

הירקבות היא חלק מתהליך הַמִּחְזוּר של הטבע. זהו לא רק סוף, אלא גם התחלה. זהו חלק ממעגל הפחמן הגלוֹבָּלי, שהוא חיוני עבור חיים על פני כדור הארץ. במיוחד עבור חומר צמחי, במערכות אקוֹלוגיוֹת טבעיות, חוקרים רוצים לדעת כיצד הירקבות משפיעה על איכות האדמה, וכיצד היא עשויה להשתנות עם שינויי האקלים. האם טמפרטורות חמות יותר יאיצו את ההירקבות, מה שישחרר כמות רבּה יותר של פחמן דו-חמצני לאטמוספרה? אולי, אולם קהילות מיקרוביות עשויות לעבוד מהר יותר באקלים חם יותר, או שהן עשויות להחליף את מה שהן אוהבות לאכול. פיסות מורכבות רבּות מתחברות יחד כדי להניע את תהליך ההירקבות, ואיננו יודעים עדיין כיצד הן מתחברות.

להירקבות ישנם תפקודים חשובים נוספים. הירקבות היא מרכיב מַפְתֵּחַ ביצירת דלקים טובים יותר מצמחים. כדי להשתמש בגידולים חקלאיים כמו תירס או פולי סויה ליצירת דלק, מדענים צריכים להבין כיצד לְפָרֵק את החומר הצמחי בצורה יעילה יותר. פתרון אפשרי אחד הוא להבין אלה מיקרובים או קהילות מיקרוביות עשויים לבצע את העבודה [4]. פירוק מתרחש גם בתוך הגוף שלנו. קהילות מיקרוביות אשר חיות בתוך המעיים שלנו מסייעות לנו לפרק את המזון שאנו אוכלים, ולעכל אותו [5]. נשאר הרבה מה ללמוד על האופן שבּו הקהילות המיקרוביות האלה משפיעות עלינו ועל הבריאות שלנו.

כיצד אתם יכולים ללמוד עוד על הירקבות?

נחשו מה? אתם יכולים להתנסוֹת בהירקבות בעצמכם! הכלים ההתחלתיים הם פשוטים: חתיכת בד ודבק לִבְנוֹת מהם שקיות פסולת, צמחים ומשקל למדוד את שינויי המשקל עם הזמן. מה השאלה שלכם? אלה גורמים אתם רוצים לבחון? בפעם הבאה שאתם משליכים משהו מחלון הרכב שלכם, חשבו על השאלה הזו: האם הוא ירקיב? אם הוא ינחת על פיסת אדמה, שעשויה להכיל מגוון מיקרובי גדול, הוא עשוי להרקיב מהר יותר מאשר אם הוא ינחת על בֶּטוֹן, היכן שהמגוון המיקרובי ככל הנראה נמוך יותר. ואם הדבר שאתם משליכים הוא משהו אשר קל יותר למיקרובים לאכול, כמו ליבת תפוח, ההירקבות עשויה להיות מהירה יותר מאשר אם תשליכו משהו שקשה יותר לפרק, כמו קליפה של תפוז. אולם כך או כך, לַדָּבָר שאתם זורקים עשוי לקחת כמה חודשים להרקיב. אתם אפילו יכולים להתחיל לחקור הירקבות על-ידי יצירת ערימת קומפוסט עם חתיכות של ירקות מטבח ושאריות דשא, ולִצְפּוֹת בהם בעודם הופכים לאדמה. קדימה, להירקבות!

מילון מונחים

הירקבוּת (Decomposition): תהליך שבו תרכובות כמו חומרים צמחיים שעשויים מתרכובות פחמן מפורקים לצורות פשוטות יותר של פחמן; נקראת גם הַרְקָבָה או רִקָּבוֹן.

מחזור הפחמן (Carbon cycle): סדרת תהליכים שבאמצעותה פחמן בסביבה משנֶּה צורה. שני מרכיבי מפתח כוללים לקיחת פחמן דו-חמצני (CO2). מהאטמוספרה על-ידי צמחים, והַחְזָרָה של פחמן (C) לאטמוספרה במהלך ההירקבות.

חומרי מזון (Nutrients): חומרים שמְסַפְּקִים את ההזנה הדרושה לגדילה ולחיים ביולוגיים.

קהילות מיקרוביות (Microbial communities): קבוצות של מיקרואורגניזמים (צורות חיים שהן בדרך כלל קטנות יותר ממה שניתן לראות), כמו בקטריות ופטריות, אשר חולקות מרחב מחיה משותף.

מָסָה (Mass): מַדָּד לכמות החומר שעצם כלשהו מכיל. מסה אינה תלויה בכוח הכבידה, בעוד שמשקל כן תלוי בכוח הכבידה. משמעות הדבר היא שעל פני כדור הארץ לעצם יש מסה ומשקל מסוימים. על פני הירח, היכן שכוח הכבידה שונה, לעצם יהיה את אותה המסה כמו על פני כדור הארץ, אולם משקל שונה.

שקית פסולת (Litterbag): מְכָל, שבדרך כלל עשוי מבד או מרֶשֶׁת, וממולא בחומר צמחי. מדענים משתמשים בשקית הפסולת כדי למדוד שינויים עם הזמן במשקל החומר הצמחי (מדידה של קצב ההירקבות).

מִגְוָן מיקרובי (Microbial diversity): מִגוון ושׁוֹנוּת בשפע ובסוגים של מיקרואורגניזמים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודה

ל-Sara Ludovise, Kaitlin Magliano ו- Crystal Cove Alliance על השותפות בתרגום אקולוגיה מיקרוביאלית לתלמידי בית-ספר ולציבור הרחב. תודה ל- Jessica Pratt על הערותיה לגרסאות קודמות של המאמר. עבודה זו נתמכה על-ידי תכנית הסיוע לסטודנטים בתחומים של צורך לאומי של משרד החינוך של ארה”ב, משרד האנרגיה של ארה”ב וקרן המחקר של ארה”ב.


מקורות

[1] Couteaux, M. M., Bottner, P., and Berg, B. 1995. Litter decomposition, climate and liter quality. Trends Ecol. Evol. 10, 63–66. doi: 10.1016/S0169-5347(00)88978-8

[2] Allison, S. D., Lu, Y., Weihe, C., Goulden, M. L., Martiny, A. C., Treseder, K. K., et al. 2013. Microbial abundance and composition influence litter decomposition response to environmental change. Ecology 94, 714–725. doi: 10.1890/12-1243.1

[3] Mousseau, T. A., Milinevsky, G., Kenney-Hunt, J., and Moller, A. P. 2014. Highly reduced mass loss rates and increased litter layer in radioactively contaminated areas. Oecologia 175, 429–437. doi: 10.1007/s00442-014-2908-8

[4] Rubin, E. M. 2008. Genomics of cellulosic biofuels. Nature 454, 841–845. doi: 10.1038/nature07190

[5] Gill, S. R., Pop, M., Deboy, R. T., Eckburg, P. B., Turnbaugh, P. J., Samuel, B. S., et al. 2006. Metagenomic analysis of the human distal gut microbiome. Science 312, 1355–1359. doi: 10.1126/science.1124234