אדמות צחיחוֹת – המערכת האקולוגית הגדולה ביותר בכדור הארץ

אדמות צחיחות מאופיינות במעט גשמים, ולכן אינן מצמיחות צמחייה עשירה, אך הן מכסות טווח נרחב של מערכות אקולוגיות שונות, מהמקום היבש ביותר בכדור הארץ – מדבר אָטָקָמָה החם בצ'ילה, ועד ליערות העליים של איקליפטוסים באוסטרליה, היכן שחיות הקוֹאָלוֹת (איור 1.1). מערכות אקולוגיות של אזורים צחיחים מכילות מספרים עצומים של אורגניזמים, שרבּים מהם הם צמחים וחיות שחיים באזורים צחיחים בלבד, והתרגלו לתנאים הקשים המאפיינים אזורים אלה.

אזורים צחיחים הם המערכת האקולוגית היבשתית הגדולה ביותר, מהווים כמעט מחצית (45%) מפני השטח של אדמת כדור הארץ, ומשמשים כביתם של יותר מ-40% מאוכלוסיית בני האדם. אם כן, תוכלו להבין מדוע אזורים אלה חשובים להפליא בחֵקֶר כדור הארץ.

יצורים חיים וחומרים נטולי-חיים בסביבה, כמו צמחים ומים, קשורים קשר הדוק על ידי מחזוריות בטבע. החומרים הבלתי-חיים האלה נקראים גורמים אַבִּיּוֹטִים. מים חיוניים לכל התהליכים שקשורים לחיים, מגדילת צמחים ועד להתפתחות חֲבָרוֹת של מיקרואורגניזמים של אדמה. לכן, מים הם הגורם האביוטי החשוב ביותר למערכת אקולוגית. את זמינותם של מים במערכת אקולוגית אנו מודדים באמצעות מדד שנקרא צחיחוּת – קשר מתמטי בין כמות המשקעים (גשם, ערפל, או שלג) ואידוי של מים. ככל שישנם פחות מים זמינים, כך המקום צחיח יותר (איור 1.1).

באזורים הצחיחים, שבהם מים לא תמיד זמינים, המחזוריות הטבעית בין יצורים חיים לחומרים שאינם חיים מושפעים מאוד. כאשר אין מים מגשם והלחות פוחתת, הדבר משפיע על מחזורי פחמן (C) וחנקן (N) ומפחית את השכיחות של היסודות האלה באדמה, דבר המשפיע על צמחים, חיות ומיקרואורגניזמים. מצב דברים זה גורם לאזורים צחיחים להיות פגיעים מאוד ביחס לשינויי האקלים המתמשכים.

חיידקים באדמה ומתאן

כדור הארץ מוקף שכבה גזית שנקראת אטמוספרה, אשר מגינה עלינו מפני קרינת השמש ומסייעת לשמור על הטמפרטורה הכוללת של כדור הארץ. הרכיבים היסודיים של האטמוספרה הם חנקן (78% – N) וחמצן (21% – O), אך לצידם ישנם גזים רבּים אחרים באטמוספרה. חלק מהגזים האטמוספריים, כמו למשל פחמן דו-חמצני (CO₂) ואדי מים, הם גזי חממה, שנקראים כך מאחר שהם לוכדים את חום השמש, ופועלים כמו הזכוכית בחממה. גזי החממה מאפשרים לקרני השמש להגיע אל פני השטח של כדור הארץ, אך מוֹנעים מהחום לעזוב את האטמוספרה. כליאת החום תורמת להתחממות הגלובלית.

גז החממה השכיח ביותר באטמוספרה, אשר מיוצר על ידי בני אדם, הוא פחמן דו-חמצני, המשוחרר משׂרפת דלקי מאובנים. הגז השני בחשיבותו שתורם להתחממות הגלובלית הוא מֵתָאן (CH₄) – מולקולה פשוטה שנוצרת על ידי אטום אחד של פחמן (C) וארבעה אטומים של מימן (H). אפקט החימום של מולקולה אחת של מתאן שקוּל ל-25 מולקולות של פחמן דו-חמצני, מה שהופך את המתאן לגז חממה חזק ביותר. מתאן מיוצר על ידי מֵתָאנוֹגֶנִים – קבוצה של מיקרואורגניזמים שאינם זקוקים לחמצן כדי לשרוד, ולכן יכולים לחיות בסביבות נטולות חמצן כמו שדות אורז, משקעים באגמים ואדמות לחות. מתאנוגנים חיים גם במערכות עיכול של חיות, כמו למשל קיבות של בקר ואפילו של בני אדם, ואחראיים לגיהוקים ולנפיחוֹת של חיות. בעת פירוק חומר אורגני כמו עלים או חתיכות עצים, מתאנוגנים פולטים מתאן. נוסף על חקלאות, פעילויות אנושיות אחרות כמו תעשיות שמן וגז, משחררות אף הן כמויות גדולות של מתאן לאטמוספרה [1] (איור 2).

המתאן שמשוחרר לאטמוספרה משפיע מאוד על שינויי אקלים, וישנהּ רק קבוצת מיקרואורגניזמים אחת שיכולה לצרוך אותו, המֵתָאנוֹטְרוֹפִים. קבוצה זו מסוגלת להשתמש במתאן כמקור הפחמן והאנרגיה שלה, היות שמיקרואורגניזמים מסוג זה אוכלים מתאן (איור 2)! באזורים צחיחים, ייצור המתאן נמוך בשל דלילות המים (זכרו כי בדרך כלל מתאנוגנים חיים באדמות מוצפות ובסביבות נטולות חמצן אחרות). אך כתוצאה מההיקף הנרחב של אזורים צחיחים והעלייה הגלובלית בכמות המתאן באטמוספרה, מערכות אקולוגיות של אזורים צחיחים עשויות לעורר עניין אם גם מתאנוטרופים מצויים שם בשכיחות גדולה.

מציאת מתאנוטרופים וחקירתם

במחקר שלנו, ביקשנו לבדוק את שכיחותם של מתאנוטרופים באדמות באזורים צחיחים ברחבי העולם, ואם הם רגישים לתנאי אקלים ולתכונות האדמה, כמו מרבית המיקרואורגזנימים שחיים באדמה. ראשית, בחרנו 80 אתרים באזורים צחיחים בכל רחבי העולם (איור 1.1). בכל אתר אספנו מידע על האקלים, כדוגמת הטמפרטורה השנתית הממוצעת, המשקעים השנתיים והצחיחות. לקחנו גם דגימות אדמה וניתחנו את תכונותיהן, דוגמת כמות החומר האורגני (פחמן אורגני), חומציוּת ותכולת חול (איור 1.2). הימצאות של חומר אורגני רב באדמה מצביע על כך שהאדמה פורייה, כלומר מכילה חומרי מזון שצמחים, חיות אדמה ומיקרואורגניזמים זקוקים להם כדי לגדול. חומציוּת (pH) היא אחד הגורמים החשובים ביותר בוויסות גדילה של חיידקים באדמה, וניתוחהּ מלמד אותנו עד כמה האדמה חומצית. לדוגמה, כאשר אדמות חומציוֹת מאוד, ברמת חומץ, רק חיידקים מסוימים שעמידים לחומציוּת יכולים לחיות בהן. בהיבט תכולת החול, גרגירים באדמה קרובים מאוד זה לזה, אך גם משאירים מרווחים המאפשרים כניסה של אוויר ומים. כמות החול וסוג החלקיק הגדול ביותר באדמה, מלמדת אותנו על גודל המרווחים באדמה. תכולת חול גדולה משמעהּ שישנם מרווחים גדולים, כך שהאוויר יכול להיכנס לאדמות בקלות, אך גם מים וחומרי מזון יכולים לדלוף החוצה בקלות.

כדי לחקור מתאנוטרופים בדגימות האדמה שלנו, אנו זקוקים לחומר הגנטי (דנ''א) של החיידקים האלה [2]. ראשית, אנו מקבלים את כל הדנ''א שנמצא בדגימות האדמה שלנו, בתהליך שנקרא הפקת דנ''א (איור 1.3), המבוצע במעבדה באמצעות אנזימים חזקים אשר פותחים תאים מבלי להזיק למידע הגנטי. לאחר מכן אנו מנתחים את הדנ''א שמֻצָּה בחיפוש אחר מקטע מסוים שנמצא רק במתאנוטרופים. פיסת הדנ''א הזו היא גֶּן שנקרא pmoA. גן זה מכיל את ההוראות ליצירת החלבון שמאפשר למתאנוטרופים ''לאכול'' מתאן אטמוספרי. הריכוז של גן pmoA בכל דגימת אדמה מעיד על כמה מתאנוטרופים חיו באותה דגימה (איור 1.4). ישנם כמה מינים קרובים של מתאנוטרופים שלכולם מידע דנ''א דומה, אך בין הדנ''א של מינים שונים ישנם הבדלים גנטיים זעירים, המאפשרים לנו להשתמש בדנ''א כדי לזהות מתאנוטרופים שונים, בדומה לטביעת אצבע (איור 1.5).

מחקרי הדנ''א שלנו מסייעים לנו לקבל מידע על השכיחות (מספר החיידקים הכולל מסוג מסוים); העושר (מספר סוגי החיידקים השונים שנמצאים בסביבה) ומבנה החברה (הסוגים השונים של חיידקים והשכיחות מכל סוג) של מתאנוטרופים מכל דגימת אדמה (איור 3). לאחר מכן, אנו משתמשים בשיטות מתמטיות כדי להבין אֵילוּ תנאי אדמה או אקלים הם החשובים ביותר עבור מתאנוטרופים (איור 1.6).

היכן המתאנוטרופים חיים

לא היינו בטוחים אם נמצא מתאנוטרופים באזורים צחיחים, מאחר שמיקרואורגניזמים אלה זקוקים למתאן כדי לחיות, ואזורים צחיחים אינם המערכת האקולוגית הטיפוסית ליצירת מתאן. לכן, העובדה שמצאנו מתאנוטרופים בכל הדגימות מהאזורים הצחיחים שדגמנו, הייתה תגלית יוצאת דופן! כעת אנו יכולים לומר שמתאנוטרופים נמצאים באופן נרחב באזורים צחיחים ברחבי העולם. להפתעתנו, מצאנו באזורים צחיחים אפילו מתאנוטרופים מסוימים שבדרך כלל מצויים במקומות לחים, כמו בדנמרק, בסקוטלנד, או בניו-זילנד.

מצאנו גם שבאזורים צחיחים הטמפרטורה השנתית הממוצעת והצחיחות אינם המשתנים העיקריים שמשפיעים על השכיחות והעושר של מתאנוטרופים. שכיחות ועושר עשויים מושפעים על ידי גורמים אחרים, כמו למשל משקעים. אולם, תנאי אקלים כמו טמפרטורה שנתית ממוצעת; גשמים; צחיחות ותכונות אדמה, כמו למשל חומר אורגני; חומציוּת ותכולת חול, השפיעו על מבנה החברה של מתאנוטרופים. לדוגמה, טמפרטורות גבוהות יותר הגדילו את השכיחות של מתאנוטרופים מסוימים שעמידים לחום. במילים אחרות, באזורים צחיחים שבהם טמפרטורות גבוהות יותר, חברות המתאנוטרופים עשויות להכיל יותר מתאנוטרופים שעמידים לחום. תנאי אקלים יכולים אף הם להשפיע על תכונות של האדמה, לדוגמה על ידי תעדוף של פירוק סלעים, אשר מגדיל את תכולת החול, או על ידי שינוי החומציות של האדמה ושינוי של החומר האורגני. תכונות אדמה אלה משפיעות על כמות האוויר שיכול להיכנס לאדמה, אשר נמצא כמשתנה חשוב מאוד עבור מבנה החברה אצל מתאנוטרופים.

מה למדנו ממתאנוטרופים באזורים צחיחים?

כפי שגילינו, מתאנוטרופים נמצאים בשפע ומפולגים באופן נרחב באזורים צחיחים ברחבי העולם. הן משתני אקלים והן משתני אדמה משפיעים על חברות של מתאנוטרופים. יתרה מזו, מצאנו כי מבנה חברה של חיידקים אוכלי מתאן תלוי מאוד בתנאי אקלים, כמו למשל המשקעים והטמפרטורה, ומאפייני אדמה כמו תכולת החומר האורגני באדמה.

מאחר שמצאנו כי אקלים משפיע על מתאנוטרופים, אנו מצפים ששינויי אקלים מתמשכים יְשַׁנּוּ חברות של מתאנוטרופים בשנים הבאות, מה שישפיע על צריכת המתאן האטמוספרי. עד עתה ידענו כי מתאנוטרופים חיו במקומות קרים ולחים, אשר ללא ספק יושפעו על ידי שינויי אקלים. הכמות הגדולה של אדמה שאזורים צחיחים מכסים, והמתאנוטרופים הרבּים שהם מכילים, עשויים להפוך את האזורים האלה חשובים במיוחד עבור פרוק מתאן אטמוספירי בעתיד. במילים אחרות, חיידקים אוכלי-מתאן באזורים צחיחים יכולים לסייע לנו להפחית גזי חממה! כדי להתמודד עם ההתחממות העתידית הצפויה של כדור הארץ שלנו, חשוב שנשמור על האזורים הצחיחים כעת, ונמשיך בחקירת הנפלאות החבויות בהם.

מילון מונחים

אביוטי (Abiotic): ↑ גורמים חסרי חיים בסביבה, למשל, טמפרטורה, מים ואור.

צחיחות (Aridity): ↑ קשר מתמטי בין כמות המשקעים (גשם, ערפל, או שלג) והאידוי של מים, אשר מתאר את מידת המחסור במים במערכת אקולוגית.

שכיחות (Abundance): ↑ מספר הפרטים מסוג מסוים שנמצאים בסביבה.

מתאנוגנים (Methanogens): ↑ קבוצה של מיקרואורגניזמים שלא זקוקים לחמצן כדי לשרוד, ולכן יכולים לחיות בסביבות נטולות חמצן. הם מייצרים מתאן בזמן פירוק חומר אורגני, כמו למשל עלים וחתיכות עץ.

מתאנוטרופים (Methanotrophs): ↑ קבוצה של מיקרואורגניזמים אוכלי-מתאן שמסוגלים להשתמש במתאן כמקור לפחמן ולאנרגיה.

הפקת דנ''א (DNA Extraction): ↑ הליך מעבדתי שבו פותחים תאים במטרה לשחרר חומר גנטי (דנ''א) שהם מכילים בתוכם, בלי להזיק לדנ''א.

עושר (Richness): ↑ מספר המינים (סוגים שונים) של אורגניזמים שנמצאים בסביבה.

מבנה חברה (Community Structure): ↑ שילוב של העושר והשכיחות בקהילה.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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