Frontiers for Young Minds

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

חיים בתוך מי ים קפואים ומתחתיהם

תַקצִיר

מי ים קופאים בטמפרטורה של מתחת ל-(2-) מעלות צלזיוס, ולכן בחלק מסוים מהשנה קרח מכסה אזורים נרחבים באוקיינוסים הצפוניים. ראשית, גבישי קרח צפים על פני השטח; לאחר מכן, נוצרת שכבת קרח שיוצרת נוף קפוא על פני השטח של האוקיינוס. הקרח הצף הזה נע עם הרוח ועם הזרמים, ויכול ליצור פיסות גדולות של שברי קרח, או לחשוף מים פתוחים, כששכבות הקרח הצפות מתרחקות זו מזו. כשמי הים קופאים, כיסי מי מלח נכלאים ברשת של תעלות זעירות וכיסים ברחבי הקרח. הרשת הזו היא מקום מחיה עבור אורגניזמים מיקרוסקופיים של קרח כמו חיידקים, אצות, חיות זעירות, תולעים קטנות וסרטנאים. אצות קרח גדלות הכי טוב בחלק הפנימי של הקרח, שבו חיות יכולות לאכול אותן. קרח ים הוא אתר חשוב לייצור מזון עבור אורגניזמים רבים באוקיינוסים ובימים הצפוניים. כאשר הקרח נמס הוא יכול לתמוך בחיים על פני קרקעית הים, בעומק של אלפי מטרים מתחת לפני הים.

כיצד נוצר קרח ים?

מים מתוקים מאגם, מנהר או מהברז קופאים ב-0 מעלות צלזיוס. אם נוסף מלח למים, נקודת הקפיאה יורדת. משמעות הדבר היא שמי ים, שהם בדרך כלל בעלי מליחות (תכולת מלח) של 35-30 גרם של מלח לכל ליטר של מים, לא מתחילים לקפוא עד לסביבות (2-) מעלות צלזיוס.

באזורי הקוטב במהלך הסתיו (אוגוסט/ספטמבר באזור הארקטי, מרץ/אפריל באנטרקטיקה), טמפרטורות האוויר צונחות מהר ומקררות את פני השטח של המים מתחת לנקודת הקיפאון. שכבות פני השטח של האוקיינוסים, עד לכמה מאות מטרים מתחת לפני השטח, מתערבבות כל הזמן על ידי תנועת הרוח והמים. כשהקפיאה מתחילה, גבישים זעירים של קרח מופיעים בכל מקום בשכבת המים של פני השטח, וצפים לפני השטח. זוהי תחילתו של מה שמכונה קרח צף: המחוזות הקפואים אשר ליבּוּ את דמיונם של חוקרים והרפתקנים במשך מאות שנים [1].

כאשר יותר ויותר גבישי קרח מצטברים על פני השטח של המים, הם יוצרים שכבה שמידת סמיכותהּ היא כשל דייסה דקה. “קרח דייסה” נע על ידי הרוח ויוצר אזורים ענקיים של משטחי גבישים של קרח, שיכולים לכסות קילומטרים רבועים רבים (איור 1). על פני השטח, הקרח נמצא במגע עם האוויר הקר, והגבישים קופאים יחד ויוצרים שכבת קרח קשיחה יותר. כשקור מחלחל דרך הקרח, הקרח גדל בעיקר מהתחתית, ומקפיא את מי הים שנמצאים במגע עם החלק התחתון של שכבת הקרח. בתוך כמה שבועות, הקרח יכול להגיע לעובי של יותר ממטר.

איור 1 - כשקרח מתחיל להיווצר, אזורים נרחבים של מה שמְכֻנֶּה “קרח שומני” יוצרים אזורים חלקלקים על פני השטח של האוקיינוס.
  • איור 1 - כשקרח מתחיל להיווצר, אזורים נרחבים של מה שמְכֻנֶּה “קרח שומני” יוצרים אזורים חלקלקים על פני השטח של האוקיינוס.

מי האוקיינוס נעים כל הזמן, וקרח נשבר לפיסות גדולות שנקראות שכבות קרח צף, שצפות על פני השטח של האוקיינוס. שכבות אלה עשויות להיות ברוחב של כמה מטרים ועד יותר מ-100 מטרים. שכבות קרח צף רבּות יכולות לקפוא יחד וליצור שכבות רציפות ברוחב של עד כמה קילומטרים. אלה, בתורן, עשויות להישבר שוב לשכבות קטנות יותר כשהקרח נע עם הזרמים, עם הגאוּת ועם הרוח. כאשר שכבות הקרח נצמדות זו לזו מכוחם של הרוח והזרמים, הן יכולות להיערם אחת על גבי השנייה וליצור ערימות ענקיות של קרח, שנקראות “רכסי קרח” (איור 2B). כמו כן הרוח יכולה להרחיק שכבות של קרח זו מזו, ולחשוף מרחבים גדולים של מים שנקראים “leads”. הקרח שזז כל הזמן יוצר נוף קפוא שמשתנה מיום ליום, ואפילו משעה לשעה (איורים 2A,B).

איור 2 - הקרח הצף באוקיינוסים הארקטי והאנטרקטי הוא סביבה משתנה שיכולה להיות עוינת לחיים.
  • איור 2 - הקרח הצף באוקיינוסים הארקטי והאנטרקטי הוא סביבה משתנה שיכולה להיות עוינת לחיים.
  • (A) נופי קרח קרים שנישאו על ידי הרוח, יוצרים את פני השטח שנראים נטולי חיים. (B) פיסות גדולות של קרח נדחפו לאוויר ויצרו רכסים, כאשר שכבות של קרח צף התנגשו זו בזו.

בתוך קרח הים

גבישים גדלים של קרח ומים טהורים לא מכילים מלחים או תרכובות אחרות שבדרך כלל מומסים במי הים. לכן, כאשר גבישי הקרח קופאים יחד ויוצרים קרח קשיח יותר, כל החומרים המומסים במי הים מוּצאים החוצה, מה שיוצר נוזל מלוח מאוד שנקרא מי מלח. מי המלח האלה אוספים רשת של תעלות קטנות מאוד, שנקראות תעלות מי מלח, וחורים שנקראים נקבוביות בתוך הקרח הגדל. ההשוואה הטובה ביותר היא לגבינה שוויצרית או ספוג, שבהם החלקים המוצקים הם קרח, והחורים מלאים בתמיסת מי מלח.

כשקרח נעשה קר יותר, גודלן של תעלות הקרח והגבשושיות קטן, ומליחות מי המלח בתוכן גדלה. הקרח בתחתית שכבת הקרח הצף יימצא בנקודת הקפיאה של מי הים [בסביבות (2-) מעלות צלזיוס], והקרח בחלק העליון של שכבת הקרח הצף יהיה קרוב לטמפרטורת האוויר. מאחר שטמפרטורות האוויר במהלך חורפים בקוטב יכולות להגיע עד ל-(30-) מעלות צלזיוס, יהיה שיפוע טמפרטורות בין החלק העליון של הקרח ליד האוויר, לבין החלק התחתון של הקרח. בשל השיפוע הזה, הקרח הקר יותר בחלק העליון של שכבת הקרח הצף יכיל יותר תעלות מי מלח וגבשושיות קטנות שמלאות במי מלח עם מליחות גבוהה יותר, מאשר אלה שנמצאות בקרח נמוך יותר.

קיום חיים בקרח

בסתיו, כשגבישי הקרח צפים למעלה דרך המים, הם תופסים חלקיקים בינם לבין עצמם, ואוספים אותם לצורה של “דייסת קרח” שנוצרת על פני השטח של האוקיינוס. דברים קטנים שצפים על פני המים כמו מיקרו-פלסטיקים או משקעים, וכן יצורים מיקרוסקופיים חיים דוגמת חיידקים, מיקרו-אצות, זחלים וסרטנאים קטנים, יכולים להיתפס על ידי גבישי הקרח. למעשה, כל מה שנדבק לגבישי הקרח ולא מסוגל לשחות הלאה, יכול לנוע מהמים הפתוחים אל הקרח.

אורגניזמים שמסוגלים לחיות בקרח נדרשים לשרוד בטמפרטורות של קפיאה, ולהתמודד עם מליחויות מי מלח שמשתנות כל הזמן. הם גם צריכים להיות מספיק קטנים כדי שלא להיתקע ולקפוא בתוך תעלות קטנות של מי מלח. זו אינה בעיה בטמפרטורות חמות יותר מ-10 מעלות צלזיוס, אולם בטמפרטורות קרח קרות יותר, בסביבות (20-) מעלות צלזיוס, המרווחים שבין גבישי הקרח כל כך קטנים שיש מקום רק לחיידקים הקטנים ביותר [2].

בחלק התחתון של שכבות הקרח הצף שקרוב למי הים, הקרח עשוי להיות דחוס במיקרואורגניזמים. ריבוי החיים שבו צובע לפעמים את הקרח בצבע צהוב או בצבע קפה עשיר (איורים 3A,B). היצורים השכיחים ביותר בחלק התחתון של קרח הים הם אצות זעירות. ישנם גם חיידקים רבים שחיים בליחה שמיוצרת על ידי אצות קרח ושאריות של אורגניזמים מתים. קבוצת אצות הקרח שמכֻנה דיאטוֹמים היא השכיחה ביותר (איור 3C). דיאטומים גדלות בתוך קליפות קשיחות שנראות כמו קופסאות מקושטות בתבניות שבנויות מסיליקט, שהוא כמו זכוכית קשיחה.

איור 3 - (A) צְבָרִִִים עשירים של יצורים חיים מכתימים את החלק התחתון של שכבות קרח צף בצבע חום.
  • איור 3 - (A) צְבָרִִִים עשירים של יצורים חיים מכתימים את החלק התחתון של שכבות קרח צף בצבע חום.
  • (B) דגימה של קרח ים חום שנלקחה באמצעות מחורר קרח בקוטר של 10 סנטימטרים. (C) תמונת מיקרוסקופ של דיאטומים של קרח ים, מוגדלת פי 1,000 (התמונות צולמות על ידי J. Stefels).

אצות, כמו צמחים, משתמשות בפוטוסינתזה כדי לתפוס אנרגיית שמש ולגדול. בתחתית של שכבת קרח צף די חשוך, במיוחד אם היא מכוסה בשכבת שלג. לכן, האצות שגדלות בקרח הים טובות בגדילה בתנאים של מעט אור. כדי לעשות זאת, עליהן להכיל כמות גדולה יותר של פיגמנט כימי, כך שיוכלו לכלוא את האור שמתניע את תהליך הפוטוסינתזה. הכמות הגדולה של הפיגמנטים כולאי האור האלה היא שיוצרת את צבעו של הקרח.

כדי לשרוד את הטמפרטורות הנמוכות ואת המליחויות הגדולות של מי המלח, האצות צריכות לכוונן את הסביבה הפנימית שלהן כך שתוכל לאזן את השינויים בסביבה החיצונית, על ידי הגדלה של חלק מהכימיקלים שבתוך התאים שלהן או הפחתתם. חלק מהכימיקלים האלה שולטים בלחץ שבתוך תאי האצה, כך שהן לא מתכווצות או מתפוצצות מההבדלים במליחויות. כימיקלים אחרים יכולים להתנהג כ“סוכני אנטי-קפיאה”. הרבה מהאצות ומהחיידקים שמשגשגים בקרח מכסים את החלק החיצוני של התאים בכיסויים דמויי-ג’ל, אשר מגינים על התאים מנזק שיכול לנבוע מגבישי הקרח, ומהשינויים הקיצוניים ביותר בטמפרטורה ובמליחות.

אצות קרח ים – יכולות להוות מזון עבור אורגניזמים רבים

המספרים הגדולים של אצות ושל חיידקים בקרח יוצרים קרקע עשירה של הזנה עבור אורגניזמים אחרים שאוכלים אותם. סרטנאים שטרגליים הם יצורים קטנים דמויי שרימפ שניתן למצוא בכמויות גדולות בשכבות הנמוכות, ה“חמות” יותר של הקרח, שם הם אוכלים אצות קרח וחיידקים. בחלקים הקרים יותר של הקרח, שבהם תעלות מי המלח קטנות יותר, יכולות לחיות במספרים גדולים חיות עם גוף גמיש יותר כמו למשל תולעים שטוחות שנקראות תולעי ריסים, תולעים עגולות שנקראות נמטודות, ואורגניזמים פשוטים שנקראים ריסניות. חיות אלה יכולות להתכווץ במים במליחות גבוהה ולהתנפח במים במליחות נמוכה יותר, מה שמסייע להן לנוע דרך מערכת של תעלות מי מלח.

השכבות הנמוכות יותר של קרח צף הן בדרך כלל המקום שבו ניתן למצוא את מרבית היצורים החיים (איור 3A). עקב כך נמשכים אורגניזמים גדולים יותר לחלק התחתון של הקרח, שם הם יכולים לאכול אורגניזמים שגדלים בין גבישים גדולים של קרח, שנתלים מתחתית הקרח כמו מִרְעֶה הפוך בצבע חום בהיר שזוהר מהשמש שלמעלה. אורגניזמים כאלה הם רבים ומגוונים דוגמת חשופיות ים, סרטנאים גדולים יותר כמו למשל קריל, ואפילו דגים. הקרח הוא מקור מזון חשוב מאוד עבור החיות הגדולות יותר האלה, במיוחד בחורף, שבו יש מעט מזון במים החשוכים שלמטה. החיות הקטנות שאוכלות אצות מתחת לקרח הים מהוות, בתורן, מזון עבור חיות גדולות עוד יותר כמו אריות ים, פינגווינים וציפורים ימיות אחרות. לכן, גדילת אצות קרח ים משמעותית לקיום הרבה מהחיים במים המכוסים בקרח.

אצות קרח ים יכולות לכסות לגמרי את החלקים התחתונים של שכבות הקרח הצף באביב ובראשית הקיץ (איור 3). חלק מהמינים יוצרים רצועות או גושים שנתלים מהחלק התחתון של הקרח. במוקדם או במאוחר, אספקת המזון העשירה הזו נופלת מקרח הים ושוקעת אל תוך המים, אם היא לא נאכלת, ויכולה להגיע לקרקעית הים, בעומק של אלפי מטרים מתחת לפני השטח של האוקיינוס. שם היא מהווה מזון לחיות גדולות וניידות כמו מלפפוני ים וכוכבי ים [3].

מערכות אקולוגיות של קרח ים הן פגיעות

אף על פי שקרח הים הוא מרחב מחיה חשוב עבור אורגניזמים בחורף, אורך חייו קצר. באביב ובראשית הקיץ, כשטמפרטורות האוויר והמים עולות, הקרח מתחיל להימס, כל האורגניזמים שחיים בתוכו משתחררים חזרה אל המים, שם הם נשארים עד שמתחיל המחזור הבא של קפיאה בסתיו. אף על פי שקרח הים בא והולך, האזורים העצומים שמכוסים על ידי קרח ים בסתיו ובחורף (בגודל של 15 מיליון קילומטרים רבועים באוקיינוס הארקטי, ו-22 מיליון קילומטרים רבועים באוקיינוס האנטרקטי), יוצרים את אחת הקהילות האקולוגיות הגדולות ביותר על פני כדור הארץ. האזור שמכוסה על ידי קרח ים בכדור הארץ הוא בעל שטח גדול מהשטח של סוונוֹת או אדמות יבול. באוקיינוס הארקטי ובאוקיינוס האנטרקטי, אנו כבר רואים שהאקלים המשתנה משנה מאוד את התזמון שבו קרח ים נוצר ונמס, כמו גם את טבעו של אותו קרח. זיהוי חשיבותם של החיים שמשגשגים בתוך הקרח ועל גביו הוא קריטי להבנתנו את המשמעות של שינויי האקלים עבור מערכות אקולוגיות שקשורות לקרח הים.

מילון מונחים

מליחות (Salinity): תכולת המלח של מים – למים ללא מלח יש מליחות של 0, למי ים שמכילים 35 גרם של מלח בכל ליטר של מים יש מליחות של 35, ולמי מלח יש מליחות של 200.

קרח צף (Pack Ice): קרח שנע על ידי זרמי האוקיינוס והרוח.

שכבת קרח צף (Ice Floe): אזור רציף של קרח ים. גודלו עשוי להיות בין כמה מטרים רבועים לכמה קילומטרים רבועים.

מי מלח (Brine): תמיסה עם ריכוז גבוה של מלח.

דיאטוֹמים (Diatoms): אצות חד-תאיות שכיחות במי ים ובמים מתוקים. הן מאופיינות על ידי כך שהן עטופות בכיסוי חיצוני קשיח שעשוי מסיליקט (דמוי זכוכית).

הצהרת ניגוד אינטרסים

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


מקורות

[1] Glessmer, M. 2019. How does ice form in the sea? Front Young Minds 7:79. doi: 10.3389/frym.2019.00079

[2] Thomas, D. N., and Dieckmann, G. S. 2002. Antarctic sea ice–a habitat for extremophiles. Science. 295:641–4. doi: 10.1126/science.1063391

[3] Boetius, A., Albrecht, S., Bakker, K., Bienhold, C., Felden, J., and Fernández-Méndez, M., et al. 2013. Export of algal biomass from the melting Arctic sea ice. Science. 339:1430–2. doi: 10.1126/science.1231346