Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי כדור הארץ ומשאביו פורסם: 10 ביוני, 2022

הפחתה, שימוש חוזר ומִחְזוּר באוקיינוס הארקטי באמצעות כוחם של מיקרובים

תַקצִיר

האם ידעתם כי מיקרובים, שהם קטנים מכדי להיראות בעין אנושית, עולים בהרבה במספרם ובמשקלם הכולל על כל החיות? מיקרובים שחיים באוקיינוס הארקטי מבצעים תפקידים מפתיעים במִחְזוּר מזון. למרות הטמפרטורות הקרות, מים ארקטיים הם עשירים בחומרי מזון, מה שמאפשר לסוג של מיקרוב שנקרא אצה חד-תאית לגדול בכמויות עצומות. רק מיקרובים שהסתגלו לקור יכולים לשרוד במים שמגיעים לעיתים לטמפרטורות שהן מתחת לנקודת הקיפאון! אצות מיקרוסקופיות משתמשות בפחמן דו-חמצני (CO2) ובאנרגיית השמש כדי לגדול, מה שמסייע להפחית את כמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה. חיות מיקרוסקופיות שנקראות זואופלנקטון אוכלות מיקרובים קטנים יותר. כל המיקרובים מפרישים פסולת ובסופו של דבר מתים. אולם התוצרים האלה אינם מבוזבזים. מיקרובים אחרים שנקראים חיידקים ופטריות הם ממחזרים מומחים, והם מפרקים את האורגניזמים המתים לצורות בסיסיות יותר של אנרגיה כימית שנעשה בה שימוש חוזר על ידי אצות חד-תאיות ומיקרובים אחרים.

מדוע מיקרובים כל כך חשובים?

מיקרובים הם אורגניזמים מיקרוסקופיים שנוצרו מתא בודד. האם ידעתם שליטר אחד של מי ים מכיל מילארדי מיקרובים [1]? בהתאם לגודלם של האוקיינוסים שלנו, משמעות הדבר היא שישנם פי 100 מיליארד מיקרובים באוקיינוסים מאשר שישנם כוכבים ביקום המוכר! ישנם אלפי סוגי מיקרובים שחוקרים עדיין מגלים. חלקם אוכלי בשר, חלק אוכלי עשב וחלקם אוכלי כול כמו פטריות, חיידקים, זואופלנקטון ופיטופלנקטון. מיקרובים מהווים את בסיס שרשרת המזון, ותומכים בכל האורגניזמים הגדולים יותר פשוט בשל מספרם. מיקרובים ימיים מהווים עד ל-70% ממסת היצורים החיים בכל האוקיינוסים! [2]

מיקרובים לא רק תומכים בכל החיים כפי שאנו מכירים אותם, אלא שהם גם ממלאים תפקיד חשוב בסיפוק מחצית מהחמצן שאנו נושמים ובוויסות האקלים של כדור הארץ. חלק מהמיקרובים קולטים פחמן דו-חמצני באטמוספרה, גז שיכול לכלוא חום באטמוספרה שלנו ולתרום להתחממות הגלובלית. הודות למיקרובים, משקעי האוקיינוס העמוק מכילים כמעט מחצית מכמות הפחמן דו-חמצני באטמוספרה. פחמן דו חמצני שכלוא בעומק האוקיינוס לא יכול לתרום להתחממות הגלובלית, ולכן קליטת פחמן דו חמצני על ידי האוקיינוסים טובה לכדור הארץ. קליטת הפחמן הדו חמצני אינה זהה ברחבי כל האוקיינוסים. האוקיינוס הארקטי נוטה לקלוט כמויות גדולות במיוחד של הגז הזה. חרף החשיבות של האוקיינוס הארקטי עבור ויסות הפחמן הדו חמצניבסביבתנו, אנו יודעים מעט מאוד על האוקיינוס הזה.

מדוע אנו יודעים כל כך מעט על החיים באוקיינוס הארקטי?

למידה על האוקיינוס הארקטי ועל האורגניזמים שחיים שם היא קשה מאוד מאחר שהאוקיינוס הזה אינו נגיש ברובו. במשך רוב השנה קרח עבה מונע מספינות מלהיכנס, ומזג האוויר קשה מדי לביצוע הניסויים שלנו. בשל כך, אנו רואים רק תמונות בודדות של התהליך שמתרחש באוקיינוס הארקטי, בעיקר בחודשי הקיץ. התנאים באוקיינוס הארקטי הם עוינים, עם חורפים ארוכים וקפואים, וקיצים קרים. טמפרטורות האוויר הממוצעות בחורף יכולות להגיע ל34- מעלות צלזיוס, ולעלות עד ל-10 מעלות צלזיוס בקיץ, אף על פי שטמפרטורת האוקיינוס נשארת יציבה בסביבות -1.5 עד 3- מעלות. הרבה מהמים כלואים בתור קרח. כתלות בכמה צפונית אתם נמצאים, יכולה להיות תקופה של עד חצי שנה של חושך מוחלט במהלך החורף, או 24 שעות של אור יום במהלך הקיץ.

הרבה מיקרובים חיים ב- או מחוברים אל- האזור שמתחת לקרח הים. הקרח שנוצר על האוקיינוס הארקטי אינו מוצק כפי שאתם עשויים לחשוב (איור 1). הרבה נתיבי מים קטנים חודרים את הקרח. הנתיבים האלה נושאים מים מאוד מלוחים, והם נקראים brines. הרבה מיקרובים, כולל אצות, פטריות וחיידקים, חיים ואוכלים באזורי ה-brines.

איור 1 - שרשרת מזון טיפוסית באוקיינוס הארקט.י
  • איור 1 - שרשרת מזון טיפוסית באוקיינוס הארקט
  • החיצים והקווים מראים קשרים בין חיות, מיקרובים ובין המזון/ חומרי מזון שהם צורכים. הלולאה המיקרובית (__) מתחילה עם יצרנים ראשוניים שמייצרים חומר אורגני. הפחתת הפחמן (▶—) מראה פסולת מזון או חומר שהופרש ושוקע לקרקעית האוקיינוס. חלקיקי אקזופולימר שקופים (TEP) מסייעים עם הפחתת הפחמן ומהווים מקור מזון למיקרובים, מה שממחזר אנרגיה אל תוך הלולאה המיקרובית. צרכנים ראשוניים כמו זואופלנקטון ניזונים ממיקרובים, בתורם נאכלים על ידי חיות גדולות יותר ומעבירים את האנרגיה לטורפי-העל (▶—) הערה: האורגניזמים לא בסקאלה האמיתית.

כאשר מדענים מקבלים אפשרות נדירה להגיע לאוקיינוס הארקטי על ספינות מחקר שוברות-קרח גדולות, הם צריכים להכין את עצמם ביסודיות עבור התנאים העוינים (איור 2). נדרשים בגדים עבים, והמדענים והצוות צריכים להגן על עצמם מאור השמש הקשה על ידי הרכבת משקפי שמש מתאימים ושימוש בקרם הגנה. אפילו עם כל אמצעי הזהירות, המדענים עדיין צריכים לעשות הפסקות מעבודה על הקרח או על הסיפון.

איור 2 - כיצד אנו חוקרים מיקרובים באוקיינוס הארקטי על ספינת James Clark Ross.
  • איור 2 - כיצד אנו חוקרים מיקרובים באוקיינוס הארקטי על ספינת James Clark Ross.
  • (למעלה) Birthe Zäncker מוצא אלו סוגי פטריות חיים על חלקיקי אקזופולימר שקופים (TEP) וכיצד הם תורמים להנעת פחמן אל תוך מעמקי האוקיינוס. (למטה) Elliott Price משתמש במבחני מעבדה מיוחדים במטרה לזהות איזה זואופלנקטונים אכלו ואלו חומרי מזון הם קיבלו (התמונות באדיבות E. Price, J. Hopkins, R. Jeffries, L. Norman, B. Zäncker, ו-D. Conway).

אם כן, מה המשמעות של התנאים הקשים האלה על מיקרובים שצריכים לחיות באוקיינוס הארקטי כל השנה? מיקרובים רכשו כמה אסטרטגיות הישרדות כדי לשרוד את הקור, כמו למשל ליצור מולקולות שנוגדות קפיאה במטרה למנוע היווצרות של קרח בתוכם, מה שאחרת יכול לגרום להם להתפוצץ. תאי אצות מכילים שומנים שמסייעים להם לצוף על פני השטח כדי לכלוא את אור השמש החלש במהלך עונת החורף. מיקרובים אחרים נכנסים למצב של היברנציה (תרדמת), באופן דומה לדובים. בסתיו ובקיץ, מיקרובים גדלים ומתרבים לכמויות גדולות מאוד במהירות רבה.

כיצד מיקרובים ארקטיים מפחיתים, ממחזרים ומחליטים כמה פחמן דו חמצני מהאטמוספרה יגיע למשקעים, כמה קילומטרים מתחת לפני השטח של האוקיינוס?

אצות חד-תאיות נקראות יצרנים ראשוניים מאחר שהן יכולות לחיות ישירות מאור השמש ללא סיוע של חיות או צמחים אחרים. דרך תהליך של פוטוסינתזה, האצות האלה יכולות ליצור סוכרים ותרכובות אחרות מפחמן דו חמצני, באמצעות מים ואור שמש. כל האורגניזמים האחרים תלויים באצות האלה כמקור מזון. זואופלנקטון הם צרכנים ראשוניים, מה שאומר שהם אוכלים ישירות את האצות, היצרנים הראשוניים (במקום לאכול חיות אחרות), והם גדלים בהמוניהם. לוויתנים, אריות ים ודגים אוכלים זואופלנקטון, ולבסוף, טורפי-על כמו למשל דובי קוטב ניזונים מהדגים ומאריות הים.

איור 1 מראה סיכום של שרשרת מזון ארקטית טיפוסית.

אולם לא כל המזון נאכל, ושאריות המזון הופכות לפסולת. נוסף על כך ממש כמונו, למיקרובים יש צואה. כל הפסולת הזו לא יכולה פשוט להישטף באסלה. מיקרובים מסייעים עם היפטרות מפסולת, במיוחד בקיץ כאשר הגדילה בשיאה. מיקרובים מתמחים, כמו למשל חלק מהחיידקים ומהפטריות, יכולים לפרק שאריות מזון לחלקיקים קטנים שמכילים חומרי מזון חיוניים. החלקיקים האלה יכולים להיאכל על ידי מיקרובים אחרים, כמו למשל אצות, כך שכל התהליך יכול להתחיל מחדש, ולכן חומרי המזון נמצאים בשימוש חוזר ומפחיתים את הפסולת ששוקעת לקרקעית האוקיינוס.

מה לגבי הפחמן הדו חמצני שמיוצר על ידי מיליוני מיקרובים כתוצר פסולת? הוא ממוחזר על ידי אצות כשהן גדלות ומבצעות פוטוסינתזה. הרווח או ההפסד הכולל של פחמן דו חמצני במערכת האקולוגית תלוי באיזון שבין יצירתו כתוצר פסולת לבין שימושו בתהליך של פוטוסינתזה.

האם ידעתם שפטריות לא רק גדלות ביערות, היכן שאתם יכולים לראותן גדלות כפטריות על ענפי עצים עתיקים, אלא שהן גדלות גם בשפע באוקיינוס? ממש כמו ביער, פטריות ימיות מסייעות לפרק אורגניזמים מתים ואת תוצרי הפסולת מיצורים חיים. באוקיינוס, צורות של פטריות נעות מִתָּאִים פשוטים ועגולים ועד לתאים עם משושים קטנים שנקראים הייפות (hyphae; איור 1), שמסייעות לפטריות להתחבר לאורגניזמים ולחלקיקים אחרים.

אולם מחזור הפסולת לא עובד באופן מושלם. הימסוּת קרח הים גורמת למים להיות קרים ופחות מלוחים. זה מייצר מים דחוסים מאוד ששוקעים לקרקעית האוקיינוס, ולוקחים איתם חלקיקים ואורגניזמים שמושהים במים הקרים לפני שלמיקרובים בפני השטח יש זמן למחזר אותם. כשהם מגיעים לקרקעית עמוד המים, החלקיקים והאורגניזמים האלה נעשים כלואים במשקעים, והם נתקעים שם במשך מיליוני שנים. זה נקרא הפחתת פחמן (איור 1). הפחתת פחמן מועילה מאחר שהפחמן נשמר מחוץ לאטמוספרה, ולא כולא את החום סביב לכדור הארץ.

נוסף על מיקרובים ימיים, חוקרים מצאו שחלקיקים דמויי-ג’לי שנקראים חלקיקי אקזופולימר שקופים (TEP) גם ממלאים תפקיד חשוב מאוד בהפחתת פחמן. ה-TEP דביקים מאוד ויכולים לכלוא תאים וחלקיקים אחרים בפני השטח שלהם. הגושים האלה יכולים להיעשות כבדים ולשקוע די מהר למטה אל מעמקי האוקיינוס, מה שמביא מולקולות שמכילות פחמן אל מעמקי האוקיינוס, ותורם לאטמוספרה.

כיצד אנו עוקבים אחרי המִּחְזוּר של פסולת מיקרובית באוקיינוס הארקטי?

אנו צריכים להבין כיצד מִחְזוּר של פחמן בשכבת פני השטח של האוקיינוס פועל במטרה לחזות כיצד שינויי האקלים ישפיעו על התהליך הזה בעתיד. שינוי האקלים מתאר את התחממות כדור הארץ. במהלך המאה האחרונה, כדור הארץ התחמם בממוצע ב-0.87 מעלות [3] כתוצאה מעליית פחמן דו חמצני מפעילוּת אנושית. זה עשוי שלא להיראות הרבה, אולם יש לכך השלכות משמעותיות על החיים, במיוחד באוקיינוס הארקטי שם טמפרטורות חמות יותר גורמות לקרחונים להימס מהר יותר. כשמרבית הקרחונים ייעלמו, האוקיינוס הארקטי יאבד את מקור הקור שלו, מים טריים מהקרח, ובסופו של דבר האוקיינוס הארקטי יעשה חם ומלוח יותר. אנו יודעים שהימסוּת קרחונים תהיה בעלת השפעה שלילית על כלבי ים ועל דובי קוטב שתלויים בקרח הים כדי לצוד ולגדל צאצאים. באותו הזמן, פחות קרח משמעותו שיותר אור יכול לעבור דרך המים, מה שמאפשר לסוגי אצות חדשים לגדול, לעשות פוטוסינתזה ולהפחית את גדילתם של סוגי אצות חדשים במים חמים יותר עשויה לאזן את אובדן אצות קרח הים.

המידע שאנו אוספים על מיקרובים דרך הניסויים שלנו יאפשר לנו לזהות מה מיקרובים אוכלים ואיזו כמות של חומרי מזון מועברת מאצות ועד לאריות ים. כמות חומרי המזון שחיות גדולות יותר מסוגלות להשיג תקבע כמה טוב הן מסוגלות להסתגל לשינויים באוקיינוס הארקטי.

סיכום

לסיכום, מיקרובים הכרחיים למערכת האקולוגית הארקטית. הם מבצעים תפקודי מפתח כולל סיפוק מזון לאורגניזמים אחרים ומִחְזוּר חומרי מזון לשימוש מחודש על ידי מיקרובים אחרים. המיקרובים מזינים חיות ארקטיות גדולות יותר, מה שמאפשר לחיות לשרוד את התנאים הקשים. מיקרובים מפחיתים ריכוזי פחמן באטמוספרה דרך הפחתת פחמן. זה מסייע להפחית את ההתחממות של כדור הארץ. עדיין איננו יודעים מספיק על מיהם בדיוק המיקרובים האלה, מה הם עושים, או כיצד שינויי אקלים ישפיעו עליהם. העבודה שלנו היא להבין כמה טוב מיקרובים ארקטיים יכולים להסתגל לשינויי אקלים, ואם מיקרובים עתידיים, כבסיס של שרשרת המזון, יספקו יותר או פחות מזון לטורפים, כמו למשל דגים, לוויתנים ודובי קוטב.

מילון מונחים

מיקרובים (Microbes): מגוון אורגניזמים חד-תאיים כולל אצות, חיידקים, וירוסים ופטריות. אצות יכולות להשתמש בפוטוסינתזה כדי ליצור חומרי מזון מורכבים כמו סוכרים מאור השמש ופחמן דו-חמצני (CO2). מיקרובים אוכלי בשר מסייעים למחזר חומרי מזון.

זואופלנקטון (Zooplankton): חיות מיקרוסקופיות שאוכלות מיקרובים. זואופלנקטון הם צרכנים ראשיים.

אצה (Algae): אצות הן צמחים שחיים במים. הן יכולות לנוע מאורגניזמים חד-תאיים (ראו מיקרובים) ועד לצמחים ענקיים שגובהם כמה מטרים. ממש כמו בצמחים על היבשה, הם זקוקים לאור שמש כדי לשרוד.

יצרן ראשי (Primary Producer): יצרנים ראשיים יכולים להשתמש ישירות באנרגיה של השמש או של כימיקלים, ולהשתמש באנרגיה הזו כדי ליצור אבני בניין של תאים כמו למשל סוכרים וחומרי מזון אחרים.

פוטוסינתזה (Photosynthesis): צמחים יכולים להשתמש באנרגיה מאור השמש. בעזרת סיוע של אור השמש הם לוקחים מים, פחמן דו-חמצני ומינרלים ומייצרים חמצן וסוכרים שנדרשים לגדילת התא. התהליך הזה נקרא פוטוסינתזה.

צרכן ראשי (Primary Consumer): צרכן ראשי שאוכל יצרנים ראשיים.

הפחתת פחמן (Carbon Drawdown): התהליך שבו פחמן יורד למטה אל קרקעית האוקיינוס כאשר מזון או חיות שוקעות (מה שנקרא שלג ימי), ומסיר את הפחמן מפני השטח של האוקיינוס.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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


מקורות

[1] Whitman, W. B., Coleman, D. C. and Wiebe, W. J. 1998. Prokaryotes: The unseen majority. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 95: 6578–83.

[2] Bar-On, Y. N., Phillips, R., and Milo, R. 2018. The biomass distribution on earth. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 115:6506–11. doi: 10.1073/pnas.1711842115

[3] IPCC. 2018. “Summary for policymakers,” in Global Warming of 1.5°C. An IPCC Special Report on the Impacts of Global Warming of 1.5°C Above Pre-industrial Levels and Related Global Greenhouse Gas Emission Pathways, in the Context of Strengthening the Global Response to the Threat of Climate Change, Sustainable Development, and Efforts to Eradicate Poverty, eds V. Masson-Delmotte, P. Zhai, H. O. Pörtner, D. Roberts, J. Skea, P. R. Shukla, et al. (Geneva: World Meteorological Organization). p. 32.