Frontiers for Young Minds

Frontiers for Young Minds
תפריט
רעיון מרכזי כדור הארץ ומשאביו פורסם: 29 בספטמבר, 2022

עד כמה נדירים יסודות נדירים בקרב יצורים חיים?

תַקצִיר

יסודות נדירים הם קבוצה של יסודות כימיים מתכתיים שחולקים תכונות מסוימות, ושחרף שמם אינם נדירים כל כך בקרום כדור הארץ. עד לאחרונה, לא ידענו על אף יסוד נדיר שהיה הכרחי לאורגניזם חי. כעת, אנו יודעים שישנם חיידקים מסוימים שמשתמשים ביסודות נדירים לביצוע פעולות שמאפשרות להם לצרוך אלכוהול. בני אדם מתעניינים ביסודות נדירים גם הם מאחר שיסודות אלה הם בעלי ערך ליישומים טכנולוגיים רבים. במאמר זה נסביר על ההשתתפות הידועה היחידה של יסודות נדירים באורגניזמים חיים, ומדוע מחקר עתידי על יסודות נדירים הוא חשוב.

כמה נדירים הם היסודות הנדירים?

כל החומרים לרבּות חומרים שמרכיבים את האורגניזמים החיים, מורכבים מאטומים. אטומים הם חלקיקים זעירים, כל כך קטנים שאי אפשר לראותם אפילו עם המיקרוסקופים החזקים ביותר. אטומים מורכבים מחלקיקים אחרים, זעירים עוד יותר, שנקראים ניטרונים, פרוטונים ואלקטרונים. כאשר לאטומים יש את אותה כמות הפרוטונים, הם נחשבים חלק מאותה מחלקה של חומרים, ונקראים יסודות כימיים. חלק מהיסודות הכימיים שאולי שמעתם עליהם כוללים חמצן, פחמן וברזל. כימאים ארגנו את כל היסודות בהתאם למאפייניהם בטבלה המחזורית של היסודות (https://www.rsc.org/periodic-table).

יסודות נדירים כוללים קבוצה שנקראת לָנתנידים, וכן את היסודות סקנדיום ואיטריום. אלו הן מתכות רכות שכולן דומות בצבען, ומחלידות כשהן נחשפות לאוויר. יסודות נדירים נוצרים תחת לחצים וטמפרטורות עצומים בתוך סוּפרנוֹבה, ומשם הם נזרקים החוצה אל שאר היקום לרבּות אל כדור הארץ. היסוד הנדיר פרומתיום מיוצר בכדור הארץ שלנו, בכורים גרעיניים שבני אדם בנו. חלק מ-17 היסודות הנדירים הם נדירים מאוד על פני כדור הארץ, אולם מרביתם שכיחים יחסית (איור 1). יסודות נדירים נמצאים בקליפת כדור הארץ, אך גם בשכבות העמוקות יותר של כדור הארץ ובנהרות, אגמים וימים. יסודות נדירים הם בעלי ערך רב לבני האדם, מאחר שיש להם שימושים חשובים רבים: הם משמשים בעיקר במכשור רפואי ובטכנולוגיה, וכן ליצירת חלק מסוגי המנורות, הסוללות, הצבעים, המגנטים החזקים, הלייזרים וכן הלאה (איור 1).

איור 1 - היסודות הנדירים השכיחים ביותר הם לנתנום, צריום, פרסאודימיום ונאודימיום.
  • איור 1 - היסודות הנדירים השכיחים ביותר הם לנתנום, צריום, פרסאודימיום ונאודימיום.
  • ליסודות נדירים יש שימושים חשובים רבים בתעשייה, שחלקם מוצגים כאן: מגנטים חזקים, רכיבי מטוסים, מכשירי לייזר, מכשירי X-RAY ועדשות לטלסקופים.

יסודות נדירים מתקבלים לרוב דרך חציבת מחצבי מינרלים. כשאנו ממשיכים להשתמש ביסודות נדירים, אנו מפחיתים את אספקתם בכדור הארץ. האסטרטגיה הטובה ביותר שלנו לעתיד עשויה להיות מִחזוּר של יסודות נדירים כך שנוכל להשתמש בהם שוב. נוסף על כך מִחזוּר מועיל מאחר שיסודות נדירים עלולים להיעשות מזהמים מסוכנים של הסביבה.

יסודות נדירים באורגניזמים חיים

יסודות כימיים רבים הכרחיים לחיים בריאים של כל האורגניזמים החיים. היסודות שנמצאים בכמויות הגדולות ביותר באורגניזמים חיים, ומרכיבים כ-99% מהמסה החיה שלהם, הם חמצן, פחמן, מימן, חנקן, גופרית וזרחן. עד לאחרונה, לא אותרו יסודות נדירים באף אורגניזם חי, אולם כעת אנו יודעים שיסודות נדירים חשובים לחיידקים מסוימים שצורכים אלכוהול שנקרא מֶתָנוֹל (איור 2) [2, 1]. זו הייתה תגלית נפלאה מאחר שקודם לכן מדענים רבים חשבו שאף אחד מהאורגניזמים החיים לא היה זקוק ליסודות נדירים.

איור 2 - חיידקים מתילוטרופים זקוקים ליסודות נדירים או לסידן (Ca++) כדי להשתמש במתנול בתור מזון.
  • איור 2 - חיידקים מתילוטרופים זקוקים ליסודות נדירים או לסידן (Ca++) כדי להשתמש במתנול בתור מזון.
  • משמאל, ניתן לראות שחיידקים לא יכולים להשתמש במתנול כמזון עד שיסודות נדירים או סידן (Ca++) נמצאים. בנוכחות של יסודות נדירים או של סידן, ריכוז המתנול יורד במהלך הזמן כשהחיידקים משתמשים בו, בעוד שמספר תאי החיידקים גדל מאחר שמתנול מספק להם אנרגיה להתחלקות.

התברר שסוגים רבים של חיידקים שצורכים מתנול זקוקים ליסודות נדירים, אך בכמויות קטנות מאוד. לדוגמה, מרבית החיידקים צורכי המתנול יכולים להשתמש במתנול כדי לשרוד ולהתרבות בנוכחות של כ-0.004 גרם לליטר של היסוד הנדיר צריום – כמות זעירה ביותר. עד כה, אין ראיות ניסיוניות לכך שיסודות נדירים חשובים לאורגניזמים כמו צמחים וחיות. אולם קבוצת מחקר אחת מצאה דבר מעניין – גֶּנִים עבור חלבונים שככל הנראה קשורים ליסודות נדירים בכמה אורגניזמים שונים לרבּות בני אדם [3]. מחקר עתידי עשוי לסייע לקבוע אם יסודות נדירים משמשים גם אורגניזמים שאינם חיידקים.

כיצד יסודות נדירים מסייעים לחיידקים “לאכול” אלכוהול?

במשך זמן ארוך היה ידוע שכמה סוגי חיידקים, שנקראים חיידקים מטילוטרופיים, יכולים להשתמש באלכוהולים אתנול או מתנול בתור מזון. זה יוצא דופן, מאחר שסוגי האלכוהול האלה רעילים מאוד לאורגניזמים אחרים לרבּות בני אדם! מחקר רב-שנים על חיידקים מתילוטרופים הראה שחלקם זקוקים ליסוד סידן כדי לצרוך מתנול. תגליות נוספות הצביעו על כך שלפחות חלק מהחיידקים יכולים לצרוך מתנול ואתנול באמצעות יסודות נדירים במקום סידן [5, 4]. נוסף על כך חלק מהחיידקים המתילוטרופים נמצאו כאוכלים חומר אחר, שנקרא מֶתָאן – בתחילה חיידקים אלו ממירים מתאן למתנול, ואז צורכים אותו. מתאן הוא אחד הגזים שתורמים לאפקט החממה, לכן חיידקים שצורכים אותו חיוניים לשמירה על תנאי טמפרטורה תקינים בכדור הארץ, כלומר הם קריטיים לחיים בכוכבנו.

החיידקים אוכלי המתנול חיים בהרבה מקומות שונים לרבּות בשורשים של סוגי צמחים שונים ובעלים שלהם [7, 6], ככל הנראה מאחר שצמחים אלה מייצרים מתנול ומשחררים אותו לסביבה. באופן מעניין, חלק מהצמחים משחררים לא רק מתנול, אלא גם הרבה מולקולות אחרות שהן בעלות ערך לחיידקים. אם כן, צמחים הם כמו סופרמרקט עבור מיקרואורגניזמים! (איור 3).

איור 3 - חיידקים חיים על צמחים כך שיוכלו להשתמש בחומרים שנמצאים על פני השטח של העלים.
  • איור 3 - חיידקים חיים על צמחים כך שיוכלו להשתמש בחומרים שנמצאים על פני השטח של העלים.
  • חלק מהצמחים מייצרים מתנול, שחיידקים מתילוטרופים שחיים על עליהם יכולים לאכול בנוכחות יסודות נדירים או סידן. עלי צמחים יכולים גם לייצר חומרים אחרים שימושיים לגדילת חיידקים, כמו למשל סוכרים וחומצות אמינו.

אילו תגליות צופן העתיד?

יסודות נדירים הם יסודות מתכתיים שניתן למצוא בסביבות מגוונות. הם שימושיים בתעשיות שונות ובחיי היומיום. חשיבותם באורגניזמים חיים לא הייתה ידועה עד לאחרונה, כשהבינו שחיידקים רבים זקוקים ליסודות נדירים עבור צריכת אלכוהול, מתנול ומתאן. כיום, כמה קבוצות מחקר ברחבי העולם חוקרות נושאים מגוונים שקשורים ביסודות נדירים, כך שצפויות תגליות חדשות רבות. בחלוף הזמן, אנו צוברים ידע נוסף על האופן שבו חיידקים משתמשים ביסודות נדירים, ועשויים אפילו למצוא אורגניזמים אחרים שמשתמשים ביסודות אלה. הידע הזה יכול לסייע לנו בחציבת יסודות נדירים באופן ידידותי לסביבה, או בניקוי מקומות שהזדהמו על ידי יסודות נדירים.

מילון מונחים

יסודות כימיים (Chemical Elements): חומרים טהורים שמורכבים מאטומים עם אותו מספר פרוטונים.

יסודות נדירים (Rare-Earth Elements): יסודות מתכתיים שכוללים את הלנתנידים ואת היסודות סקנדיום ואיטריום.

לנתנידים (Lanthanides): יסודות מתכתיים רכים שמקובצים בטבלה המחזורית בין המספרים האטומיים 57 (לנתנום) ו-71 (לוטציום).

מתנול (Methanol): האלכוהול הפשוט ביותר. מסונתז באופן טבעי על ידי צמחים.

חיידקים מטילוטרופים (Methylotrophic Bacteria): מיקרואורגניזמים חיידקיים שצורכים חומרים אורגניים עם אטום אחד של פחמן, לדוגמה מתנול או מתאן.

מתאן (Methane): היסוד העיקרי בגז טבעי, ואחד הגזים שתורמים לאפקט החממה.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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

תודות

אנו מודים לצ’יארה פואנטס על הסיוע בהכנת איור 1.


מקורות

[1] Fitriyanto, N. A., Fushimi, M., Matsunaga, M., Pertiwiningrum, A., Iwama, T., and Kawai, K. 2011. Molecular structure and gene analysis of Ce3+-induced methanol dehydrogenase of Bradyrhizobium sp. MAFF211645. J. Biosci. Bioeng. 111:613–7. doi: 10.1016/j.jbiosc.2011.01.015

[2] Hibi, Y., Asai, K., Arafuka, H., Hamajima, M., Iwama, T., and Kawai, K. 2011. Molecular structure of La3+-induced methanol dehydrogenase-like protein in Methylobacterium radiotolerans. J. Biosci. Bioeng. 111:547–9. doi: 10.1016/j.jbiosc.2010.12.017

[3] De Simone, G., Polticelli, F., Aime, S., and Ascenzi, P. 2018. Lanthanides-based catalysis in eukaryotes. IUBMB Life 70:1067–75. doi: 10.1002/iub.1933

[4] Huang, J., Yu, Z., Groom, J., Cheng, J. F., Tarver, A., Yoshikuni, Y., et al. 2019. Rare earth element alcohol dehydrogenases widely occur among globally distributed, numerically abundant and environmentally important microbes. ISME J. 13:2005–17. doi: 10.1038/s41396-019-0414-z

[5] Good, N. M., Vu, H. N., Suriano, C. J., Subuyuj, G. A., Skovran, E., and Martinez-Gomez, N. C. 2016. Pyrroloquinoline quinone ethanol dehydrogenase in Methylobacterium extorquens AM1 extends lanthanide-dependent metabolism to multicarbon substrates. J. Bacteriol. 198:3109–18. doi: 10.1128/JB.00478-16

[6] Bustillos-Cristales, M. R., Corona-Gutierrez, I., Castañeda-Lucio, M., Águila-Zempoaltécatl, C., Seynos-García, E., Hernández-Lucas, I., et al. 2017. Culturable facultative methylotrophic bacteria from the cactus Neobuxbaumia macrocephala possess the locus xoxF and consume methanol in the presence of Ce3+ and Ca2+. Microbes Environ. 32:244–51. doi: 10.1264/jsme2.ME17070

[7] Fedorov, D. N., Doronina, N. V., and Trotsenko, Y. A. 2011. Phytosymbiosis of aerobic methylobacteria: new facts and views. Microbiology 80:443–54. doi: 10.1134/S0026261711040047