הקדמה

החיים על פני כדור הארץ תלויים באנרגיית השמש, המאפשרת לצמחים ירוקים לייצר סוכרים וחמצן. אולם, כמות רבה מסך כל הַבִּיוֹמָסָה (החומר החי) של כדור הארץ ממוקמת בסביבוֹת תת-קרקעיוֹת עמוקות, כלומר בתוך קרום כדור הארץ הסלעית. סלע האם אינו גוש גדול של סלע מוצק; הוא מכיל סדקים, שברים ופתחים שיכולים להתמלא במים. ממחקרים עדכניים עולה כי כמה מהשברים האלה יכולים להכיל נוזלים שהם בני יותר ממיליארד שנים [1]. עובדה זו מעלה מחשבה מעניינת מאוד: אולי המיקרואורגניזמים החיים בסביבות אלה חיים למשך אותה תקופת זמן כמו המים! אם כך הדבר, אפשר לשאול כיצד אוכלוסיות מיקרואורגניזמים אלה שורדות בבתי הגידול הנ“ל.

מקורות מזון – אנרגיה למיקרואורגניזמים החיים בסביבה העמוקה והחשוכה של סלע הָאֵם

סביבות תת-קרקעיות רבּות מנותקות לחלוטין מהעולם שעל פני השטח, כלומר אנרגיה ומזון עבור מיקרואורגניזמים החיים במעמקים חייבים להגיע מהסביבה הסלעית המקיפה אותם. לכן, סביבות תת-קרקעיות עמוקות הן בדרך כלל אוֹליגוֹטְרוֹפיוֹת, כלומר חסרים בהן חומרי הֲזָנָה, ואם יש בהן חומרי הזנה כַּמּוּתָם כה מעטה שאיננו יכולים אפילו לגלותם. אולם, המיקרואורגניזמים כה זעירים שהם זקוקים רק לכמות מעטה של חומרי הזנה, כך שהם מצוידים ביכולת לשרוד בסביבות אלה.

פחמן הוא אבן הבניין של תאים, ומיקרואורגניזמים יכולים להשתמש בסוגים שונים של חומרים פחמניים כמקורות למזון ולאנרגיה. יש מיקרואורגניזמים המשתמשים בגז פחמן דו-חמצני (CO₂), כמו שעושים הצמחים, אבל מיקרואורגניזמים אחרים מעדיפים מקורות פחמן אורגניים כגון סוכרים, חומצות שומן או חומצות אָמִינוֹ, שמקורם בחומר חי. נשימה היא תהליך שבו אנרגיה כימית משתחררת לשימושו של היצור החי. למשל, בני אדם שואפים חמצן, ומשתמשים בו לשבירת הסוכר (אנרגיה כימית), דבר המאפשר לשרירים שלנו לנוע (אנרגיה ביולוגית). אולם, בסביבה התת-קרקעית העמוקה המיקרואורגניזמים צריכים להשתמש במנגנון נשימה אחר, שֶׁכֵּן אין שם חמצן. נשימה המתרחשת ללא נוכחות חמצן נקראת נשימה אַנְאֵירוֹבִּית. מנגנון נשימה אנאירובית נפוץ נקרא חִזּוּר גופרתי (סוּלְפָט).

לעיתים קרובות אפשר למצוא מימן ו-CO₂ בסביבות תת-קרקעיות עמוקות, כי הם נוצרים בקְרום (או במעטפת) כדור הארץ. ידוע כי מיקרואורגניזמים היכולים להשתמש במימן וב-CO₂ כמקור אנרגיה חיים בסביבה תת-קרקעית עמוקה. מיקרואורגניזמים אלה נקראים אוֹטוֹטְרוֹפִיים כֵימוֹלִיטוֹטְרוֹפִיים (או כֵימוֹליטוֹאוֹטוֹטְרוֹפִיים). כלומר הם משתמשים רק ב-CO₂ כמקור פחמן (אוטוטרופי) ובמולקולות אחרות שאינן מכילות פחמן לקבלת אנרגיה (כימוליטוטרופי, המילה ליטוטרופי נגזרת ממילים יווניות שפירושן ”אוֹכֵל סלע“). חקרנו מהו מקור הפחמן המועדף על המיקרואורגניזמים החיים במי התהום שאצוּרים בסלע האם – פחמן מיצורים חיים אחרים, כגון צמחים או בעלי חיים (הנקרא פחמן אורגני), או פחמן ממקורות שאינם חיים, כגון מינרלים (הנקרא פחמן אַנְאורגני). מיקרואורגניזמים ממֵי התהום העמוקים האלה הואכלו הן על-ידי פחמן אנאורגני בלבד (בצורת CO₂) הן על-ידי פחמן אנאורגני ואורגני גם יחד (בצורת מולקולה הנקראת אצטַט – מלח חומצת החומץ, איור 1). גם בדקנו את היכולת של אוכלוסיות המיקרואורגניזמים לייצר אנרגיה באמצעות חִזּוּר גופרתי.

לקיחת דגימות מסלע האם העמוק והעמדת הניסוי

למחקר זה לקחנו דגימות מי תהום מסביבת סלע האם העמוק (בעומק של 967 מטרים), על-ידי שאיבת נוזלים מנקודת הקידוח המדעי העמוקה ב-Outokumpu, הנמצאת במזרח פינלנד. לקיחת הדגימה נעשתה על-ידי שאיבת הנוזל בצינור פלסטיק, מהסביבה התת-קרקעית למעבדת השדה, שם היה לנו תא אנאירובי (ללא חמצן) נייד, כך שיכולנו לעבוד עם הדגימות בסביבה ללא חמצן. הדבר חשוב כי חמצן רעיל עבור חלק מהמיקרואורגניזמים החיים במי התהום העמוקים. חילקנו את מי התהום לבקבוקים נפרדים, כפי שמוצג באיור 1. בכל בקבוק היה טיפול מעט שונה – הוכנסו אליהם מקורות פחמן ואנרגיה שונים. בסוג זה של ניסוי כל תוכן של בקבוק נקרא מִיקְרוֹקוֹסְמוֹס, והשתמשנו בסוגי מיקרוקוסמוס אלה כאמצעי ללמוד על מיקרואורגניזמים שזקוקים למקורות פחמן ואנרגיה שונים. הגז שמעל לנוזל בכל מיקרוקוסמוס הכיל תערובת של מימן ושל CO₂. מקור פחמן אורגני הנקרא אצטַט הוּסַף לחלק מסוגי המיקרוקוסמוס, בתוספת גָּפְרָה (מלח של החומצה הגופרתית, ידוע גם כסוּלְפָט) או בלעדיה. הוכנו גם סוגי מיקרוקוסמוס שהכילו מקור פחמן אנאורגני (CO₂) וגָפְרָה. כל סוגי המיקרוקוסמוס הוּדגרוּ בטמפרטורה שֶׁשָּׂרְרָה בנקודת הקידוח (+18⁰C), למשך 4, 32 ו-68 ימים. דגימות נאספו בכל אחת מנקודת הזמן האלה, ודנ”א מֻצָּה כדי לבדוק את סוג המיקרואורגניזמים שגדלו.

מיקרואורגניזמים נחקרו על-ידי התבוננות בדנ”א שלהם

אפשר לאפיין אוכלוסיות של מיקרואורגניזמים בעזרת בדיקות מסוימות הבוחנות את מולקולות הדנ“א של המיקרואורגניזמים. כפי שאתם כבר יודעים, דנ”א הוא החומר הגנטי של התא. הוא מכיל הוראות בצוּרת גֶּנים המספקות תוכנית ליצירת היצור החי. בעזרת חקירה של גֶּנים מסוימים מדענים יכולים ללמוד על אוכלוסיות של מיקרואורגניזמים. למשל, אנו יכולים לבחון גֶּן הנקרא 16S rRNA. גֶּן זה מלמד אותנו על מידת הקִרבה בין המיקרואורגניזמים, ולכן הוא נקרא סַמָּן “פילוגנטי”. המילה “פילוגנטי” נגזרת מהמילים היווניות שמשמעותן: מקור השבט או המשפחה. במחקר זה השתמשו גם בסמנים גנטיים אחרים, כולל גֶנים המקוּדדים לחלבונים ייחודיים הנקראים אנזימים – במיוחד אנזימים שחשובים לניצול גופרית לצורך אנרגיה.

על-ידי חֵקֶר הדנ“א של מיקרואורגניזמים אלה תוך שימוש בכמה שיטות שונות, שמתוארות בהמשך, הצלחנו ללמוד שלושה דברים: כמה מיקרואורגניזמים היו בדגימות שנלקחו ממֵי התהום, איך גדלו מיקרואורגניזמים אלה במהלך הזמן בכל מיקרוקוסמוס ומהי מידת הקִרבה של מיקרואורגניזמים אלה זה לזה ולמיקרואורגניזמים אחרים המוכרים לנו.

כמה חיידקים נמצאו בדגימות מי התהום העמוקים?

בשיטה מעבדתית שנקראת ”תגובת שרשרת של פולימראז“ (PCR), חישבנו כמה עותקים של הגנים החיידקיים היו בכל מיקרוקוסמוס, על-ידי השוואת התוצאות לדגימות המכילות כמות גֶנים ידועה. מניסוי זה קיבלנו נתונים על מספרי החיידקים הקיימים בדגימות מי התהום וראינו כיצד המיקרואורגניזמים הסתדרו בתנאי הניסוי השונים שנבחנו בכל מיקרוקוסמוס.

גילינו עלייה במספר ההעתקים של הסַמָּן הפילוגנטי (הגֶן 16S rRNA) במהלך הניסוי (איור 2). מספרי ההעתקים היו בערך 500 למ”ל בתחילת הניסוי, והמספר עלה לכמה עשרות אלפים ואפילו עד למיליון למ“ל במהלך הניסוי. פירושו של דבר שתאי מיקרואורגניזמים בסוגי המיקרוקוסמוס השונים התרבו בתקופת ההדגרה. מספר ההעתקים של גן נוסף שבדקנו – הסמן לחיזור הגופרתי – גם עלה, בסוגי המיקרוקוסמוס שהכילו גָּפְרָה ואצטַט. ראינו גם עלייה במספרי החיידקים בסוגי המיקרוקוסמוס שלא הוספנו להם דבר. במקרה זה, אנו סבורים שחלק מהחיידקים המקוריים מתו במהלך הניסוי, ואחרים השתמשו בחומר של התאים המתים כמזון וכאבני בניין לתאים חדשים.

בדיקת “טביעות אצבעות” של הדנ“א של המיקרואורגניזמים בסוגי המיקרוקוסמוס השונים יכולה ללמד אותנו על מידת הקִרבה ביניהם

קוד הדנ”א של הגן 16S rRNA משתנה מעט ממין מיקרואורגניזמים אחד לאחר, ולכן, אפשר להפריד זה מזה מִקְטְעֵי דנ“א ממיקרואורגניזמים שונים, בשיטה הנקראת ג’ל אלקטרופורזה (איור 1). גְּדִילֵי דנ”א, שמִטְעָנָם תמיד שלילי, נעים בג’ל לכיוון הקוטב החיובי שבתחתית הג’ל. ההבדלים הקטנים ברצפי הדנ“א בין המיקרואורגניזמים השונים יגרמו לגְדילים לנוע בג’ל במהירויות מעט שונות כך שהם יופרדו זה מזה, ליצירת פסים שונים על הג’ל. כל פס מייצג מין מסוים של חיידק שקיים במיקרוקוסמוס. אפשר לראות את ”טביעת האצבעות“ הזו באור אולטרה סגול.

אוכלוסיות של מיקרואורגניזמים משתנות ללא הרף

השתמשנו בשיטת ”טביעת אצבע של הדנ“א” כדי ללמוד איך אוכלוסיות המיקרואורגניזמים שגדלו בסוגי המיקרוקוסמוס השונים השתנו עם הזמן. שמנו לב שמספר הפסים בטביעת האצבעות של כל מיקרוקוסמוס ירד במשך תקופת ההדגרה. פירושו של דבר, שמספר הסוגים השונים של חיידקים ירד במהלך הניסוי. לפי דגם הדנ“א של אוכלוסיות המיקרואורגניזמים, חילקנו את דגימות המיקרוקוסמוס לשתי קבוצות: קבוצה אחת כללה את דגימת מִקְטָע הנוזל הפנימי ואת המיקרוקוסמוסים שהודגרו ל-4 ימים ול-32 ימים, והשנייה כללה את המיקרוקוסמוסים אחרי 68 ימי הדגרה. פירושו של דבר, שלזמן ההדגרה הייתה השפעה משמעותית יותר על אוכלוסיית החיידקים מאשר לתנאים השונים שהיו בכל אחד מסוגי המיקרוקוסמוס.

יש הרבה מיקרואורגניזמים שונים בסלע האם!

אנו יכולים ”לקרוא“ את הקוד של הדנ”א של חיידק בשיטה הנקראת רִיצוּף. בהשוואת הקודים של הדנ“א, אנו יכולים לראות עד כמה החיידקים מִדְגִימוֹת מי התהום העמוקים קרובים זה לזה, ולמיקרואורגניזמים אחרים שהמדענים כבר מכירים. השתמשנו בשיטה זו כדי להבין אלה סוגי מיקרואורגניזמים גדלו בסוגי המיקרוקוסמוס השונים, ועד כמה אוכלוסיות המיקרואורגניזמים האלה היו שונות.

אוכלוסיות החיידקים במיקרוקוסמוסים שאליהם הוספו מקורות פחמן ואנרגיה היו מגוונות בשתי נקודות הזמן הראשונות, בהשוואה לאוכלוסיית המיקרואורגניזמים במי התהום הטבעיים ולמיקרוקוסמוס בניסוי שלא קיבל תוספות כלל (איור 3). אולם, בנקודת הזמן האחרונה, אוכלוסיית החיידקים המגוונת ביותר נמצאה במיקרוקוסמוס שלא קיבל כלל חומרי הזנה. מינֵי המיקרואורגניזמים הנפוצים ביותר שזוהו בסוגי המיקרוקוסמוס השונים במהלך 4 השבועות הראשונים היו מינים מסוימים של מיקרואורגניזמים המשתמשים במימן לקבלת אנרגיה. השינוי המשמעותי ביותר באוכלוסיות החיידקים במחקר זה נצפה אחרי 68 ימים. לאחר 68 ימי הדגרה המיקראורגניזמים אשר משתמשים במימן נעלמו, והמין הנפוץ ביותר שנצפה היה מיקרואורגניזם אחר שאינו משתמש במימן. ייתכן שהדבר קרה היות שהמיקרואורגניזמים המשתמשים במימן התחילו למות, ומיקרואורגניזמים מתים אלה שימשו מזון למיקרואורגניזמים שניזונים בדרך כלל מחומר אורגני נרקב, כגון החומר התאי של מיקרואורגניזמים מתים. הרבה מהחיידקים שזיהינו היו קרובים מאוד למיקרואורגניזמים שנמצאו בסביבות תת-קרקעיות אחרות ובמי תהום אחרים.

מֵימָן שמקורו בסלע – ”חטיף" עבור המיקרואורגניזמים שחיים בעומק

בניסויים שלנו ראינו שהוֹסָפַת מימן הייתה הגורם החשוב ביותר בעיצוב אוכלוסיות המיקרואורגניזמים. חיידקים המשתמשים במימן (נקראים Dethiobacter) היו העיקריים בסוגי המיקרוקוסמוס השונים. ממחקר קודם שביצענו עולה כי למיקרואורגניזמים אלה תפקיד חשוב ביצירת אוכלוסיית המיקרואורגניזמים בסלע האם העמוק [3]. יצורים אלה נמצאו גם במחקר אחר המתאֵר אוכלוסיות מיקרואורגניזמים שהועשרו במי תהום אשר עברו סֶרְפֶּנְטִינִיזַצְיָה [4]. סרפנטיניזציה היא תגובה בין הסלע למים, שבעקבותיה המינרלים שבסלע מייצרים כמות משמעותית של מימן. אם כך, תגובות אלה יכולות לספֵּק מקור אנרגיה, וחומרים גולמיים התומכים באוכלוסיות מיקרואורגניזמים כימוליטוטרופיות. למעשה, לא ראינו שתגובת סרפנטיניזציה התרחשה בסלע האם ב-Outokumpu, אבל קיימים סלעים בסלע האם המעידים על כך שסרפנטיניזציה התרחשה בעבר, כלומר ייתכן שבעקבותיה נותרו תנאי סביבה המתאימים למיקרואורגניזמים אלה המשתמשים במימן.

מה למדנו על מיקרואורגניזמים שחיים במי תהום עמוקים?

הסקנו כי פחמן אורגני ומימן מועילים למיקרואורגניזמים שחיים בסביבות תת-קרקעיות עמוקות. אבל, אף שנהוג לחשוב שסביבות אלה יציבות מאוד, כנראה חלים בהן שינויים מעגליים, כלומר קבוצות שונות של מיקרואורגניזמים הן העיקריות שָׁם בזמנים שונים, וכך הן מספְּקות חומרים זו לזו. כאשר יש התקפת נגיפים או כשנגמר המזון, סוג אחד של מיקרואורגניזם מתחיל למות, וקבוצות אחרות של מיקרואורגניזמים שורדות ומשגשגות.

מילון מונחים

סביבה תת-קרקעית עמוקה (Deep subsurface): ↑ חלק מכדור הארץ שמשׂתרע מכמה עשרות מטרים ועד לקילומטרים אחדים בעומק קרום כדור הארץ.

אוֹטוֹטְרוֹפִיים (Autotrophic): ↑ מיקרואורגניזמים המשתמשים ב-CO₂ כמקור לפחמן.

כֵימוֹלִיטוֹאוֹטוֹטְרוֹפִיים (Chemolithoautotrophic): ↑ ייצורים שהאנרגיה המטבולית שלהם מתקבלת מחמצוּן של חומרים אנאורגניים מחוזרים, ומקור הפחמן שלהם לְשֵׁם ביוסינתזה הוא CO₂

מִיקְרוֹקוֹסמוֹס (Microcosm): ↑ מערכת אקולוגית מלאכותית המשמשת לחֵקֶר ולסימולציה של בתי גידול טבעיים בתנאי סביבה מעבדתיים מבוקרים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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