מיקרואורגניזמים בקרקעית הים

פיטופלנקטון הם הצמחים הזעירים של האוקיינוס. אינכם יכולים לראות פיטופלנקטון יחיד ללא מיקרוסקופ, אולם הם יוצרים את הבסיס לכל המערכות האקולוגיות בעולם הימי, ותומכים בכל החיות, החל מלווייתנים קטלניים ועד לדובי קוטב. האורגניזמים האלה, שידועים כאוֹטוֹטְרוֹפִים, שורדים על ידי שימוש באנרגיה מהשמש, בתהליך שנקרא פוטוסינתזה. התהליך הזה לוקח פחמן מהאטמוספרה (בצורה של פחמן דו-חמצני, CO₂) וחומרי מזון מפני השטח של האוקיינוס, ומייצר מזון עבור הישרדות הפיטופלנקטון (איור 1). כאשר הפיטופלנקטון מתים, הם שוקעים ויכולים להיקבר בבוץ על קרקעית הים (איור 2). בנקודה הזו, הם בעצמם נהפכים למקור מזון מצוין וטעים (שאנו קוראים לו “חומר אורגני”) עבור מיקרואורגניזמים זעירים. המיקרואורגניזמים שחיים בתוך הסביבה הבוצית הזו דומים לבני אדם, במובן זה שהם צריכים לאכול חומר אורגני כדי לייצר את האנרגיה שדרושה להישרדות. סוג האורגניזם הזה ידוע בתור הֶטֶרוֹטְרוֹף. כבני אדם, אנו אוכלים חומר אורגני (פירות, ירקות), נושמים חמצן מהאוויר ומעבדים את הכול במטרה ליצור אנרגיה דרך תגובה שנקראת נשימה , שהיא הפוכה מפוטוסינתזה חלק מהמיקרואורגניזמים גם עושים את זה, אם הם חיים בקרבת המים של קרקעית הים, שהם לעיתים קרובות עשירים בחמצן; אולם מיקרואורגניזמים רבים חיים עמוק בתוך קרקעית הים שם אין חמצן. המיקרואורגניזמים האלה עדיין אוכלים חומר אורגני, אולם הם הסתגלו להשתמש בכימיקלים אחרים במהלך הנשימה, כמו למשל ניטראט (${\text{NO}}_3^{-}$) וסולפאט (${\text{SO}}_4^{2-}$). חלקם אפילו יכולים להשתמש במוצקים כמו מינרלים של ברזל (Fe(OH)₃) [1]! התהליך של פירוק חומר אורגני ושרשרת התגובות המורכבת שמתרחשת בתוך קרקעית הים ידועה בתור דיאגנזה [2].

הדיאגנזה שמתרחשת על קרקעית הים חשובה במיוחד, מאחר שכאשר המיקרואורגניזמים של קרקעית הים אוכלים, חומרי המזון שמאוחסנים במזון שלהם משוחררים חזרה אל תוך האוקיינוס (איור 2). לעיתים, כאשר מיקרואורגניזמים משתמשים במינרלים של ברזל מוצק עבור נשימה, גם ברזל יכול להיות משוחרר אל תוך מי האוקיינוס. ברזל נדרש רק בכמויות קטנות עבור פיטופלנקטון, ולכן אנו מתייחסים אליו בתור מיקרונוטריאנט, אולם הוא חיוני להישרדותם ולעיתים אספקתו מועטה! הודות לדיאגנזה, בִּמְקוֹם שכל החומר האורגני שנוחת על קרקעית הים ייקבר במשך מיליוני שנים, מרבית חומרי המזון שנוחתים שם מוחזרים אל המים כדי שייעשה בהם שימוש חוזר על ידי פיטופלנקטון חדשים, לשם התחלת המחזור מחדש. אם המיקרואורגניזמים שבקרקעית הים לא היו קיימים, דמיינו מה היה קורה לחומרי המזון שפיטופלנקטון צריכים לקחת מפני השטח של האוקיינוס. היו פחות חומרי מזון זמינים, מאחר שלא הייתה דרך למחזר אותם! זו הסיבה לכך שכל כך אכפת לנו מתהליך הדיאגנזה, מאחר שפיטופלנקטון שמתודלקים על ידי חומרי מזון של האוקיינוס חשובים במיוחד ללקיחת פחמן דו חמצני מהאטמוספרה, מה שהכרחי לסיוע במניעת התחממות מהירה של כדור הארץ כתוצאה מפליטות הפחמן שלנו.

אנו יכולים לחקור את תהליכי קרקעית הים האלה באמצעות ספינות ואיסוף צינוריות בוץ, שידועות בתור ליבּוֹת (איור 3). אנו יכולים לקחת את הבוץ הזה חזרה למעבדות שלנו, ולמדוד את ריכוזם של כימיקלים שונים גם בבוץ עצמו וגם במים שנלכדים בתוכו, שנקראים מי נקבובית. המידע הזה יכול לסייע לנו להבין מה קורה לחומר האורגני שמגיע לקרקעית הים. לדוגמה, אנו יכולים למדוד כמה חומר אורגני יש וכמה מהר הוא נאכל, ואנו יכולים להסתכל על האופן שבו ריכוזים של כימיקלים שונים שמשמשים במהלך נשימה משתנים מהפסגה לתחתית של הליבה. אולם ישנם תהליכים רבים שיכולים לשנות את הריכוז של הכימיקלים האלה, כולל כאלו שלא מערבים מיקרואורגניזמים. לכן, אף על פי שאנו יכולים למדוד את הכמויות של חומרים מסוימים, לעיתים קשה מאוד לקבוע בדיוק אלו תהליכים מתרחשים על קרקעית הים. אם אנו רוצים לדעת כיצד שינוי האקלים עשוי לשנות את קרקעית הים, אנו צריכים לדעת אלו תהליכים מתרחשים במקומות שאנו מבקרים בהם, וכמה התהליכים האלה חשובים. זו הסיבה לכך שמודלים ממוחשבים כל כך מועילים.

מהו מודל מחשב?

מודל הוא פשוט גרסת הדמיה של העולם האמיתי, כמו משחק מחשב. מודלים כוללים כל דבר החל מהדמיות של טיסה שמסייעות לְאַמֵּן טייסים, ועד לחיזוי מזג אוויר לחדשות טלוויזיה. הם יכולים להתקיים כציורים פשוטים על פיסת נייר, ועד לצורות מורכבות שנבנות באמצעות קוד מחשב. כל המודלים הם גרסאות מפושטות של העולם האמיתי. הם בנויים על בסיס מה שאנו יודעים על העולם, ולכן הם יכולים להפוך למורכבים יותר ככל שאנו מבינים עוד על תהליכים שונים שמתרחשים בחיים האמיתיים. לרוע המזל, מודלים מורכבים יותר דורשים מחשבים חזקים ויקרים יותר כדי שיבצעו את החישובים. המערך של מודלים מורכבים גם דורש יותר תצפיות מהעולם האמיתי, שאינן תמיד זמינות. לכן, כשאנו יוצרים מודלים ממוחשבים, אנו נזהרים לגבי מה שאנו בוחרים לכלול במודלים, מאחר שאנו רוצים להיות מסוגלים לקבל תוצאות במהירות, אולם שלא יהיו פשטניות מדי. לדוגמה, גרפיקה של משחק מהודר שמראה בדיוק כיצד נראה מישהו או מקום מסוים, תדרוש מהמחשב שלכם לעבוד הרבה יותר קשה מאשר אם אנשים יוצגו כדמויות קווים, והבניינים כלְבֵנִים אפורות פשוטות!

במקרה של קרקעית הים, אנו יכולים להשתמש במודל שנקרא הדמיית תגובת הרשת הביוגיאוכימית (BRNS - Biogeochemical Reaction Network Simulator).[4, 3] ל-BRNS יש יותר מ-40 תגובות כימיות שונות, והוא אפילו יכול לְדַמּוֹת דברים כמו תולעים שמתערבבות בחול [5]. אולם אנו משתמשים ב-BRNS רק עבור ליבות אינדיבידואליות, ולא עבור אזורים גדולים של האוקיינוס, מה שאומר שאנו יכולים להסתכל על מיקום אחד בפירוט רב, אולם עדיין מקבלים תוצאות במהרה עם מחשבים רגילים כמו שיש לכם בבית. באמצעות BRNS, אנו לוקחים מדידות שמדענים אוספים במהלך מסעות המחקר שלהם, ומקבלים מהן הרבה יותר מידע. כדי לעשות זאת, אנו משתמשים בערכים שאנו מכנים תנאי שפה, שאומרים למודל על איזה סוג סביבה אנו מסתכלים. לדוגמה, עבור האוקיינוס הארקטי, תנאי השפה כוללים טמפרטורות קרות וקרקעית ים שטוחה, כמו גם כמויות של תרכובות כימיות שמדדנו בליבות של מי האוקיינוס שממש מעליה. הערכים האלה הופכים מודל ריק לקרקעית ים וירטואלית שמייצגת את האוקיינוס הארקטי, אולם המודל יכול להשתנות כדי לייצג כל מקום בעולם, כל עוד המידע זמין. אנו יכולים לשנות את תנאי השפה האלה עד שליבת המשקע הווירטואלי נראית זהה לערכים שמדדנו במעבדה מהליבה האמיתית שלנו. כאשר הליבות הווירטואלית והאמיתית מתאימות, אנו קוראים לזה התאמה למודל (איור 3). אז המודל מאפשר לנו לראות כיצד תגובות שונות בקרקעית מתחברות כדי ליצור את התצפיות שלנו מהעולם האמיתי. זה שימושי, מאחר שככל שאנו מבינים יותר על מה שקורה כיום בקרקעית הים, כך נוכל ללמוד יותר על האופן שבו היא עשויה להשתנות עם הזמן, אם ההתחממות הגלובלית תמשיך לשנות את התנאים בכדור הארץ שלנו.

שאילת שאלות מעניינות

כאשר יש לנו את ההתאמה למודל שלנו, אנו יכולים לעשות מה שאנו רוצים עם קרקעית הים הווירטואלית שלנו בלי לגרום לנזק לסביבה האמיתית. אנו יכולים לשאול את מודל המחשב שלנו שאלות כמו “מה היה קורה אם כל הקרח באוקיינוס הארקטי היה נמס?”. משמעות הדבר היא שאנו יכולים להסתכל על מה היה קורה לקרקעית הים אם העולם היה שונה, וזהו צעד חשוב לקראת הבנת האופן שבו האוקיינוסים שלנו עשויים להיראות בעתיד. ממשלות צריכות את המידע הזה כשהן מקבלות החלטות שעשויות להשפיע על שינוי האקלים. באוקיינוס הארקטי, ההימסוּת של קרח ים מגדילה את האזור שבו פיטופלנקטון יכולים לגדול, ולכן המיקרואורגניזמים שבקרקעית הים שלנו עשויים לקבל יותר חומר אורגני בעתיד. אנו יכולים להשתמש במודל שלנו כדי לבחון זאת ולראות כיצד זה עשוי להשפיע על חברות של מיקרואורגניזמים בקרקעית הים, ואיזו השפעה יכולה להיות לכך על המערכת האקולוגית כולה של האוקיינוס הארקטי.

מסקנות

עולמנו משתנה מהר מאוד כתוצאה משינוי אקלים, ומדענים יכולים להשתמש במודלים כמו BRNS כדי להבין כיצד כדור הארץ שלנו עשוי להיראות בעתיד. הסתכלות על מקומות שמשתנים מהר, כמו האוקיינוס הארקטי, יכולה להיות מועילה מאוד, אולם היא גם יקרה וישנו מספר מוגבל של מדידות שאנו יכולים לבצע בגלל מגבלות הזמן! באופן מתסכל, ישנם הרבה תהליכים שאיננו יכולים למדוד ישירות, אפילו שאנו עשויים לדעת שהם מתרחשים. איננו יכולים גם לטייל קדימה בזמן ולצאת למסעות מחקר בעתיד, או להמיס קרח ים ולראות כיצד זה ישפיע על קרקעית הים. זו הסיבה לכך שמידוּל הוא כלי כל כך חזק. אולם חשוב מאוד לזכור שמידוּל מוצלח נסמך על קבוצות גדולות של מדענים מרקעים שונים, שעובדים יחד וחולקים מידע משעות רבות של מסעות מחקר ועבודת מעבדה, כדי לוודא שהמודל מייצג את העולם האמיתי בצורה הטובה ביותר!

מילון מונחים

אוֹטוֹטְרוֹפִים (Autotroph): ↑ אורגניזם שיכול ליצור את המזון של עצמו מחומרים פשוטים שנמצאים בסביבתו, כמו למשל פחמן דו-חמצני, בדרך כלל באמצעות פוטוסינתזה.

חומר אורגני (Organic Matter): ↑ חומר מבוסס צמח או חיה שנהפך למזון עבור מיקרואורגניזמים שחיים על קרקעית הים.

הֶטֶרוֹטְרוֹף Heterotroph: ↑ אורגניזם שלא יכול ליצור את המזון של עצמו, ולוקח חומרי מזון מצמחים או מחומרים של חיות.

נשימה (Respiration): ↑ תגובה כימית שמתרחשת ביצורים חיים, שיוצרת את האנרגיה שהם צריכים כדי לשרוד. כבני אדם, אנו נושמים חמצן ומשתמשים בו כדי לפרק מזון, מה שמשחרר את האנרגיה שמאוחסנת בו.

דיאגנזה (Diagenesis): ↑ סכום התגובות הכימיות והתהליכים הפיזיקליים שמשנים את המשקע כאשר הוא שוקע במים.

מי נקבובית (Pore Water): ↑ מי ים שנכלאו בתוך הבוץ של קרקעית הים. אנו יכולים לחקור אותם כדי ללמוד על הפעילויות של מיקרואורגניזמים שונים.

תנאי שפה (Boundary Condition): ↑ ערך שאנו משתמשים בו כדי להגדיר את סוג הסביבה שאנו מסתכלים עליה. זה כמו הוראות שמסייעות למודל להפיק את הליבה הווירטואלית שדומה למה שמדדנו במעבדה.

התאמה למודל (Model Fit): ↑ כאשר המודל מייצר ליבה וירטואלית שמתאימה בצורה טובה לנתונים שייצרנו במעבדה. אנו משיגים זאת על ידי כוונון מוקפד של תנאי השפה.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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

תודות

פרויקט (NE/P005942/1; ChAOS) The Changing Arctic Ocean Seafloor הוא חלק מתוכנית Changing Arctic Ocean programme, שממומנת על ידי ועדת UKRI Natural Environment Research Council (NERC).