הכימיה של החיים

כל היצורים החיים שאנו מכירים כיום בנויים מבִּיוֹ-מולקולות (חלבונים, פחמימות, חומצות גרעין ופוֹספוֹליפידים) שמורכבות מקבוצות של אלמנטים כימיים חשובים. בהיווצרות של ביו-מולקולות, חלק מהאלמנטים הכימיים נדרשים בכמויות גדולות; הם ידועים כמַקְרוֹ-אלמנטים. המקרוֹ-אלמנטים הם פחמן (C), מימן (H), חמצן (O), חנקן (N), זרחן (P) וגופרית (S), שלעיתים מקצרים ל-CHONPS. ששת האלמנטים האלה הם המרכיבים העיקריים של התאים שלנו, ומייצרים 95% מהבִּיוֹמָסָה הכוללת (כל החומר שמוכל ביצורים חיים) על כדור הארץ. כל האלמנטים שנמצאים באופן טבעי על כדור הארץ הם עתיקים מאוד; הם בערך באותו הגיל כמו כדור הארץ עצמו (4.5 מיליון שנים). האם אתם יכולים לדמיין את זה? אותם אטומי ה-CHONPS שהיו חלק ממולקולות שונות של הרבה יצורים חיים על כדור הארץ שוב ושוב, דרך תהליך ביולוגי של מִחְזוּר. משמעות הדבר היא שכל האטומים שמרכיבים את הגוף שלנו הם אותם אטומים שיכלו להיות חלק מהדינוזאורים לפני מיליוני שנים! זה מדהים!

אטומים של מקרו-אלמנטים יכולים לחבור יחד וליצור מולקולות שונות. חמצן יכול להצטרף למימן וליצור מים (H₂O) או שהוא יכול להצטרך לפחמן וליצור פחמן דו-חמצני (CO₂). על כדור הארץ, כמויות גדולות של מקרו-מולקולות נמצאות באטמוספרה כגזים. אולי שמעתם על פחמן דו-חמצני, מולקולת חמצן (O₂) ומולקולת חנקן (N₂), לדוגמה. אלה דוגמאות למולקולות גזיות שמכילות מקרו-אלמנטים. בניגוד לכך, אלמנטים כמו למשל חנקן, יכולים ליצור מולקולות שונות באוויר, במים ובאדמה. אולם מקרו-מולקולות אחרות, כמו למשל זרחן, לא קיימות כגזים, אך אנו מוצאים אותן באדמה ובמים (איור 1).

כיצד אלמנט יכול לנוע במערכת האקולוגית?

התנועה של מקרו-אלמנטים (CHONPS) בתוך האדמה, המים והאטמוספרה תלויה מאוד בפעילות של אורגניזמים מיקרוסקופיים: המיקרובים. “מיקרוב” מתייחס ליצור חי קטן שאי אפשר לראות בעין בלתי מזוינת, והמונח הזה משמש לתיאור של כמה צורות חיים שונות מאוד (חיידקים, פטריות, ארכאונים, וירוסים ופרוֹטיסטים).

חיידקים אחראיים למִחזור וּלְהַתְמָרָה של אלמנטים על כדור הארץ, והם מבצעים את המטלה הזו הודות לכוחות-העל שמקוּדדים בגֶּנִים שלהם. גנים הם ההוראות ליצירת המולקולות שאנו צריכים לתהליכים שונים, כולל מִחזור של מקרו-אלמנטים. לדוגמה, דרך תהליך שנקרא קיבוע ביולוגי של חנקן (איור 1), חיידקים יכולים להשתמש בחנקן בצורה גזית (N₂) כדי לייצר חלבונים, שהם מולקולות אורגניות מוצקות עשירות בפחמן ובחנקן. זה יוצא דופן: חיידקים הם האורגניזמים החיים היחידים שיכולים להמיר, דרך תגובות כימיות שנשלטות על-ידי הגנים, חנקן גזי לחלבונים שמסייעים להם לגדול ולשמר את חייהם! בני אדם אינם יכולים להשתמש בחנקן גזי באופן שבו חיידקים משתמשים בו, אולם הודות לחיידקים האלה אנו יכולים גם לקבל חלבונים (ולכן חנקן) אל הגוף שלנו. לכן, האלמנטים הכימיים יכולים לעבור מהימצאותם באטמוספרה למצב מומס במים שנמצאים באדמה, או מהימצאותם בצורת גז להימצאותם בתוך אורגניזם חי (1 ,2 איורים). כל ההתמרות האלה מתרחשות הודות לפעילות חיידקית.

חלק מהתהליכים שמשמשים למחזור ולהתמרה של מקרו-אלמנטים שיוצרים ביו-מולקולות, מוצגים באיור 2. כל חץ מורה על תהליך שנשלט על-ידי מינים שונים של חיידקים באדמה, וכל תיבה מייצגת מאגר של חומרי מזון עבור חיידקי אדמה ומיקרובים אחרים באדמה.

כדי להבין את איור 2, חשבו על עלים שנופלים מעצים ביער. העלים האלה נצברים באדמה ויוצרים שכבה של חומר אורגני (שילוב של ביו-מולקולות). החומר האורגני מורכב מסוגים שונים של פסולת מצמחים ומחיות, ומכיל מולקולות גדולות מאוד עם CHONPS בתוכן. המולקולות הגדולות האלה קשות לשימוש עבור צמחים, מאחר שהן כל כך גדולות. לכן, מיקרובים באדמה מפרקים את המולקולות האורגניות לפיסות קטנות. התהליך של פירוק מולקולות ביולוגיות מְכֻנֶּה דֶּה-פוֹלימריזציה, והוא מוביל לקבוצה של מולקולות קטנות שניתנות להמסה במים, כמו למשל גלוקוז (איור 2). התרכובות המומסות האלה חשובות מאוד למיקרובים באדמה שצורכים אותן, מאחר שהן מהוות את מקור הפחמן של מיקרובים.

כיצד חיידקים מתמירים אלמנטים שנמצאים רק באדמה ובמים?

לזרחן אין צורה גזית יציבה. לכן, איננו יכולים למצוא אותו באטמוספרה; במקום זאת, אנו יכולים למצוא זרחן בסלעים בקליפה של כדור הארץ. זרחן הכרחי לכל היצורים החיים מאחר שהוא נמצא בביו-מולקולות רבות, כולל דנ“א. זרחן משמש גם כדשן בייצור מזון. אולם... כיצד אורגניזמים חיים מקבלים זרחן אם הם לא אוכלים סלעים? חיידקים אחראיים קודם כל למחזור של זרחן בטבע, והם שולטים על מאגר הזרחן הזמין (בצורה של פוספט; PO43-) דרך מגוון של תהליכי התמרה של זרחן (הגברת המסיסות של זרחן, דה-פולימריזציה של חומרים ביולוגיים, מינרליזציה של זרחן, והטמעה של זרחן; איור 2). לאחר מכן, צמחים מקבלים זרחן מהאדמה, אוכלי עשב מקבלים אותו כשהם אוכלים צמחים, ואוכלי בשר מקבלים אותו כשהם אוכלים אוכלי עשב. באופן הזה חיות יכולות להשתמש בזרחן שבמקור נמצא בסלעים כדי לבנות את הגוף שלהן.

אנו מכירים 200 סוגים שונים של מולקולות שמכילות זרחן, וכל אחת מהמולקולות האלה יכולה לשמש כמזון לקבוצת חיידקים אחרת. האם כל החיידקים יכולים להשתמש בכל המולקולות השונות שמכילות זרחן? כדי לענות על השאלה הזו ערכנו ניסוי. בודדנו 1,163 סוגי חיידקים מהאדמה ומהמשקעים של מערכת אקולוגית עם מעט זרחן זמין. הערכנו את החיידקים האלה עבור יכולתם להשתמש בזרחן שנמצא בשש מולקולות שונות שמכילות זרחן (איור 3). כדי להיות מסוגלים להשתמש ולבצע קיבוע (אימוֹביליזציה) של זרחן שנמצא בכל אחת מהמולקולות האלה, חיידקים צריכים גנים שונים כדי לבצע את התהליכים השונים (איור 2).

כדי להבין את הניסוי הזה, דמיינו חיידק אדמה רעב לזרחן בכל צלחת פטרי באיור 3A. כל צלחות הפטרי מכילות את חומרי המזון האחרים שחיידקים צריכים כדי לגדול, אולם הזרחן סופק כמולקולה שונה בכל מקרה. משמעות הדבר היא שכדי להצליח לגדול בצלחת פטרי מסוימת, החיידקים צריכים להיות בעלי הגנים המתאימים שמסייעים להם להשתמש במקור הזרחן המסוים הזה שהוסף לצלחת. אם תסתכלו על איור 3B אתם תראו שתי צלחות פטרי עם מקורות זרחן שונים. אותם החיידקים הוצבו בשתי צלחות הפטרי. חלק מהחיידקים יכלו לגדול בשתי צלחות הפטרי, אולם בחלק מהמקרים חיידקים יכלו לגדול רק בצלחת אחת, מה שאומר לנו שסוג מסוים של חיידקים לא היה מסוגל להשתמש בשתי צורות הזרחן. בחנו כל אחד מ-1,163 החיידקים המבודדים באמצעות שש מולקולות שונות שמכילות זרחן.

מה למדנו מהחיידקים הרעבים לזרחן האלה?

סלעים שמכילים זרחן אינם מפולגים באופן זהה בין מערכות אקולוגיות. לכן, במערכות אקולוגיות מוגבלות מאוד בזרחן, כמו המערכת האקולוגית שממנה החיידקים האלה בודדו, חיידקים יכולים לפרק זרחן ולהשתמש בצורות שונות שלו כדי לתרום למִחזור הזרחן הכללי במערכת האקולוגית. במערכות האקולוגיות המוגבלות בזרחן האלה, נמצא שחיידקי אדמה משתמשים באסטרטגיות שונות רבות לשימוש בזרחן. זה אדיר: ככל שפחות זרחן זמין לחיידקים, כך הם רוכשים יותר כוחות כדי להשיג אותו.

כפי שאנו יכולים לראות, לחיידקים יש הרבה כוחות-על כשזה נוגע למחזור של אלמנטים כימיים. החיידקים האלה יכולים לאפשר את קיומם של צמחים וחיות. תהליכי המחזור האלה פועלים במשך מיליארדי שנים, והם היוו חלק משמעותי באבולוציה של יצורים חיים על פני כדור הארץ.

תרומת הכותבים

YT-T הגתה את המחקר. כל המחברים תרמו לכל היבטי ההכנה והכתיבה של המאמר. כל המחברים אישרו את הגרסה הסופית.

מילון מונחים

ביו-מולקולה (Biomolecule): ↑ מולקולות שבונות את כל היצורים החיים כולל חלבונים, פחמימות, חומצות גרעין ופוספוליפידים.

חלבונים (Proteins): ↑ אבני הבניין של כל תא ביצורים חיים. חלבונים הם קריטיים לקיום תגובות כימיות של חילוף חומרים, והם גם מספקים לתאים את המבנה שלהם.

מקרו-אלמנט (Macroelement): ↑ אלמנט כימי שדרוש בכמויות גדולות לקיומם של תהליכים פיזיולוגיים נורמליים באורגניזמים חיים.

גן (Gene): ↑ פיסת דנ”א שמקודדת את ההוראות ליצירה של חלבון.

קיבוע ביולוגי של חנקן (Biological nitrogen fixation): ↑ תהליך שבו גז חנקן (N₂) משולב בביומסה של אורגניזמים חיים ומומר לחנקן אורגני.

דה-פולימריזציה (Depolymerization): ↑ תהליך של המרת מולקולה גדולה (פולימר) למולקולות קטנות יותר (מונומר) או תערובת של מולקולות קטנות.

מינרליזציה (Mineralization): ↑ תהליך ביולוגי שבו מולקולות אורגניות מומרות למולקולות אנאורגניות.

אימוביליזציה (Immobilization): ↑ תהליך שמתבצע על-ידי מיקרואורגניזמים וצמחים שבו הם משלבים מולקולות אנאורגניות לתוך הביומסה שלהם, וממירים אותן למולקולות אורגניות.

תודות

המחברים רוצים להודות לתמיכה של המענקים (IA206219) PAPIIT-DGAPA-UNAM ו- (PE207418) UNAM-DGAPAPAPIME, ולהודות לפרננדה הרננדס על סיועהּ עם האילוסטרציה הדיגיטלית.