פני השטח של האוקיינוס

ביום רגוע על יד הים, אם תסתכלו על המים מרחוק אתם עשויים להבחין בפני שטח זכוכיתיים ונוצצים. לעיתים זה נראה כאילו שישנה שכבת שמן על פני המים. הכתמים האלה עשויים להיראות כהים או בהירים יותר בהשוואה למים שסביבם. כשהים לא גלי מאוד, כאשר השמש זורחת וכאשר אין הרבה רוח, פני השטח של הים עשויים להיראות כמו מראָה מחזירה חלקה.

האוקיינוס מכיל אזורים שונים, ולשכבת פני השטח יש מאפיינים מיוחדים שמבחינים אותה מהמים שנמצאים כמה סנטימטרים מתחתיה. אולם האוקיינוס מחזיק נפח מסיבי של מים, מפני השטח ולמטה עד למצולות. מדוע ששכבת פני שטח דקה שכזו תהיה מעניינת, אם היא נוכחת רק בחלק קטן מהנפח של האוקיינוס כולו? זו הסיבה לכך שהשכבה הדקה הזו חשובה: האוקיינוס מכסה כמעט 70% מפני השטח של כדור הארץ. משמעות הדבר היא ש-70% מפני השטח של כדור הארץ הם פני השטח של האוקיינוס [1]. פני השטח של האוקיינוס נמצאים במיקום חשוב, היות שהם מחברים בין שתי מערכות: המים והאוויר. מאחר שהם באמצע, פני השטח של הים מתווכים את כל החילופים בין האוקיינוס לבין האטמוספרה. אנו חושבים ששכבת פני השטח של הים גם יכולה להיות חשובה מאוד לאקלים של העולם. כדי להבין מדוע, בואו ניקח צעד אחורה ונתבונן על מחזור החיים באוקיינוס.

מיקרו-חיים באוקיינוס: מעגל הפחמן

פיטופלנקטון וחיידקים הם מיקרואורגניזמים ימיים קטנים שתומכים בכל החיים באוקיינוס. באמצעות אור שמש ופחמן דו-חמצני (CO₂) בלבד, פיטופלנקטון יכולים לייצר סוכרים. התהליך הזה נקרא פוטוסינתזה. סוכרים מכילים אטומי פחמן ומימן, ולכן הם נקראים פחמימות. פחמימות הן אבני הבניין של כל היצורים החיים. פיטופלנקטון גם יכולים להפיק חמצן (איור 1). כ-70% מהחמצן שאנו נושמים מגיע מהיצורים הזעירים, דמויי הצמח האלה באוקיינוס. חיידקים צורכים ומתמירים פחמימות וחמצן שמיוצרים על ידי פיטופלנקטון. בתהליך הזה, חיידקים מחזירים פחמן דו-חמצני חזרה למים, לפני השטח של הים, ולבסוף לאטמוספרה.

ממיקרובים זעירים ללווייתנים גדולים, כל צורות החיים הימיות נשענות על המחזור הזה, שידוע כמחזור ביוגיאוכימי של פחמן. בתנאים מושלמים, הייצור והצריכה של חמצן ושל פחמן דו-חמצני מאוזנים. פיטופלנקטון וחיידקים מייצרים ומתמירים תרכובות כימיות “טובות” שנוצרות עם פחמן, שנקראות חומר אורגני. החומר האורגני הזה מצטבר בריכוזים גבוהים בפני השטח של הים, שם הוא משמש כמזון לחיידקים אחרים. חיידקים יכולים לחיות ולשגשג בפני השטח של הים, שבהם יש ריכוזים גבוהים של חומר אורגני. ככל שיש יותר חומר אורגני, כך החיידקים פעילים יותר. כתוצאה מכך, יותר חמצן נצרך ויותר פחמן דו-חמצני משוחרר אל ממשק האוויר-ים [2].

פלסטיק בפני השטח של הים

לרוע המזל, ישנם גם חומרים “רעים” על פני השטח של הים. מרביתם מגיעים מזיהום מידי אדם, ואחד השכיחים ביותר הוא פלסטיק. פלסטיקים ממלאים תפקיד בסיסי בחיי היומיום שלנו. אולם הרבה מהפלסטיקים החד-פעמיים שמשמשים אותנו, כמו למשל שקיות פלסטיק, כוסות וידיות של מזון וקשי פלסטיק, מגיעים אל הים, אליו הם לא שייכים. פלסטיקים כבר צפו באוקיינוס לפני כמעט 50 שנים [3]. הפלסטיקים שנמצאים על פני השטח של הים הם בדרך כלל חלקיקים קטנים (פחות מחמישה מילימטרים) וקלים שנקראים מיקרו-פלסטיקים, שיכולים לצוף בסביבה הימית הזו במשך זמן רב. מרבית המיקרו-פלסטיקים האלה מגיעים מההתפרקות של אובייקטים גדולים יותר דרך פעולת השמש, הגלים ואפילו כרסום על ידי חיות ימיות. סיבי מיקרו-פלסטיקים מגיעים לאוקיינוס דרך המים שמושלכים על ידי מכונות כביסה ביתיות כאשר הן מכבסות בגדים סינתטיים. חלק מהפלסטיקים יכולים בטעות להיות מושלכים או להיאבד בים, כמו למשל רשתות דיג. אולם יותר מ-80% מהפלסטיק באוקיינוס מגיע מהיבשה: נהרות, משקי בית ופסולת שלא מנוהלת כראוי.

בואו נדמיין מה קורה בפני השטח של הים: יש לנו הרבה חומר אורגני והרבה חיידקים שמתמירים אותו לפחמן דו-חמצני. אז מגיע פלסטיק. מאחר שחיידקים לא יכולים לשחות אלא נסחפים על ידי הזרמים, כל חלקיק שהוא מספיק גדול להיקשרות החיידקים מספק מקום מחיה עבורם. ככל שיש יותר מקומות להיקשר אליהם, כך יותר חיידקים יחיו באותה הסביבה. המשמעות של יותר חיידקים היא שיותר חמצן יהיה בשימוש, ויותר פחמן דו-חמצני ייווצר (איור2.)

חיידקים מייצרים יותר חומר אורגני וצורכים יותר חמצן בנוכחות של פלסטיק

מורכב לחקור את פני השטח של הים. לכן, כדי לחקור את תגובת החיידקים למיקרו-פלסטיקים, יצרנו גרסה פשוטה של הים במעבדה שלנו. ייצרנו את מי הים שלנו ואז הוספנו להם “מרק” של חומר אורגני וחיידקים. לאחר מכן, חקרנו את החיידקים בנוכחות פלסטיק ובהיעדרו [4]. השתמשנו בשני מכלים קטנים, שכל אחד מהם מכיל 4.5 ליטרים של מי ים מלאכותיים. מְכָל אחד, שנקרא “ביקורת”, לא הכיל מיקרו-פלסטיקים. הוספנו כ-1,300 חלקיקי מיקרו-פלסטיק לכל ליטר למכל השני, שנקרא “טיפול” (איור 3). אספנו דגימות מפני השטח של המים, ומהמים שמתחת לפני השטח במהלך 24 שעות. בכל דגימה מדדנו חמצן, חומר אורגני ואת מספר החיידקים. השווינו את המדידות בין הביקורת לטיפול.

ראינו שהיה יותר חומר אורגני בדגימות שהגיעו מהמכל שהכיל מיקרו-פלסטיקים, וההבדל הזה היה אפילו גדול יותר בדגימות שנלקחו מפני השטח של המים. כאשר חומר אורגני מצטבר בפני השטח של המים, הוא יכול להפריע לזרימת החמצן למים שמתחת. ראינו את זה בניסוי שלנו: ככל שיותר חומר אורגני היה נוכח, כך ריכוז החמצן מתחת לפני השטח של המים היה נמוך יותר (איור 4). אם כן, אנו יכולים להסיק שכאשר מיקרו-פלסטיקים נמצאים, חיידקים מייצרים יותר חומר אורגני. בניסוי שלנו, החיידקים התמירו את החומר האורגני שהוספנו למכל וייצרו תרכובות אורגניות חדשות. התהליך הזה צורך חמצן.

מספר החיידקים לא השתנה במהלך הניסוי. זו הייתה הפתעה. אולם יש לנו הסבר: יכולנו למדוד רק את החיידקים הצפים. ייתכן שהיו מיליארדי חיידקים שהיו תקועים בחלקיקי המיקרו-פלסטיקים שלא יכולנו לספור. החיידקים שמחוברים לחלקיקים ככל הנראה סייעו להקטין את ריכוז החמצן.

הניסוי שלנו הוכיח רעיון חשוב. כאשר חיידקים מוצאים מיקרו-פלסטיקים, הם מייצרים יותר חומר אורגני וצורכים יותר חמצן. מדוע חיידקים מייצרים יותר חומר אורגני בנוכחות של חלקיקי פלסטיק? חיידקים אוהבים להיקשר לחלקיקים. כשהם מוצאים חלקיקי פלסטיק, הם מייצרים ומתמירים חומר אורגני שמסייע להם להידבק לחלקיקים.

פלסטיקים באוקיינוס עלולים לתרום לשינוי האקלים

נוכחותם של מיקרו-פלסטיקים בפני השטח של הים היא בעיה רצינית שיכולה להתערב בתהליכים ביולוגיים יסודיים. התהליכים האלה שולטים על זרימתם של גזים חשובים כמו חמצן, בין פני השטח של הים לבין האטמוספרה. באמצעות חמצן, חיידקים מתמירים חומר אורגני במי הים, וכחלק מהתהליך הם גם מייצרים פחמן דו-חמצני. כאשר ישנו פלסטיק רב, חיידקים צורכים יותר חמצן. זו בעיה מאחר שפחות חמצן יהיה זמין לצורות חיים אחרות. האוקיינוס הוא הריאה הכחולה של כדור הארץ: אם נפחית את יכולתו לייצר חמצן, נשנה את האופן שבו הריאה הזו פועלת. זו בעיה מאחר שכאשר ישנו הרבה חומר אורגני על פני השטח של האוקיינוס, זרימת החמצן מהאוקיינוס לאטמוספרה עשויה להאט. זרימת פחמן דו-חמצני מהאטמוספרה אל תוך האוקיינוס עלולה להאט גם היא. זו אפילו בעיה גדולה יותר, מאחר שהאוקיינוסים שלנו הם אחד ממקורות השקיעה העיקריים של פחמן דו-חמצני, מה שאומר שהם סופגים הרבה פחמן דו-חמצני שבני אדם פולטים לאטמוספרה בשריפת דלקי מאובנים, וכאשר הוא נמצא בעודף הוא גורם לאפקט החממה ולהתחממות גלובלית. אם האוקיינוס לוקח פחות פחמן דו-חמצני, כדור הארץ עלול להתמודד עם שינויים בלתי נתפסים לאקלים שלו. כמות הפלסטיק באוקיינוסים שלנו היא עצומה, והיא ממשיכה לעלות. לכן, אנו צריכים לחשוב על התוצאות של הגדלת כמויות הפלסטיקים בנהרות ובאוקיינוסים שלנו. חשוב לכולם לחבור למשפחות, לחברים, למדענים ולחברה שלנו כדי למצוא פתרונות לבעיה הגלובלית הזו.

מילון מונחים

פיטופלנקטון (Phytoplankton): ↑ אצות ימיות מיקרוסקופיות שמהוות מזון למגוון רחב של יצורים ימיים, כולל לוויתנים, שרימפס, חלזונות ומדוזות.

פוטוסינתזה (Photosynthesis): ↑ תהליך שמשמש צמחים, וגם צמחים ימיים ואורגניזמים אחרים, כדי להמיר אנרגיית אור שמש לאנרגיה כימית שמייצרת אוכל לשם שרידתו של האורגניזם. פוטוסינתזה דורשת פחמן דו-חמצני (CO₂), מים ואור כדי להתרחש. דרך אנרגיית האור, התהליך של פוטוסינתזה ממיר פחמן דו-חמצני ומים בפחמימות וחמצן.

פחמימות (Carbohydrates): ↑ מולקולות ביולוגיות שמכילות אטומי פחמן (C), מימן (H) וחמצן (O). המונח יכול להיות נרדף לסכרידים, קבוצה שמכילה סוכרים, עמילן וצלולוז.

מחזור ביוגיאוכימי (Biogeochemical Cycle): ↑ נתיב שחומר כימי, כמו למשל פחמן, נע דרכו. המחזורים האלה כוללים שלבים שבהם החומר נוכח ביצורים חיים, ושלבים אחרים שבהם הוא נוכח בדברים לא חיים. מחזור הפחמן הוא מחזור ביוכימי חשוב במיוחד.

חומר אורגני (Organic Matter): ↑ תרכובות מבוססות פחמן שנמצאות בסביבות טבעיות. חומר אורגני מגיע מצמחים ומחיות, ומתוצרי הפסולת שלהם.

מיקרו-פלסטיקים (Microplastics): ↑ פיסות קטנות של פלסטיק באורך של פחות מחמישה מילימטרים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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

תודות

תודה ענקית לטרסה גלגני עבור תרומתה האומנותית החשובה לאיורים. העבודה המקורית התאפשרה הודות לתוכנית Horizon 2020 Research and Innovation Program של האיחוד האירופי תחת מענק Marie Sklodowska-Curie Grant Agreement No. 702747 POSEIDOMM to LG. אנו רוצים להודות לאנה, לקלרה, לסטפן ולקרינה עבור תובנותיהם והצעותיהם המועילות. החוש הביקורתי וסקרנותם לנושא סייעו מאוד לתהליך הסקירה.