מדוע אכפת לנו מהשפעות של מגוון ביולוגי על מחזוֹרי נוטריינטים?

כל היצורים החיים על פני כדור הארץ זקוקים לנוטריינטים מסוימים. במערכות אקולוגיות טבעיות, חומרי המזון האלה, ובעיקר חנקן וזרחן, נצרכים על ידי צמחים מהאדמה. לאחר מכן, צמחים עשויים להיאכל על ידי בני אדם או בעלי חיים. חומרי המזון מוחזרים לאדמה דרך הַפְרָשׁוֹת של בעלי חיים וכן כאשר צמחים ובעלי חיים מתים, ואז הם נצרכים שוב על ידי צמחים חדשים. מאחר שהדברים חוזרים על עצמם שוב ושוב, אנו מכנים זאת מחזוֹר חומרי מזון.

במערכות אקולוגיות שונות ותחת תנאים סביבתיים שונים, המחזוֹר של חומרי מזון עשוי לפעול בקצבים שונים, וכן, נוטריינטים יכולים להיות ממוחזרים על ידי חלקים שונים של המערכת באופן מלא או חלקי, מה שיכול להפר את איזון המערכת. לדוגמה, לעיתים ישנם יותר חומרי מזון זמינים ממה שנדרש, מאחר שחקלאים מוסיפים יותר מדי דשנים לאדמה, או בהתרחש יום חם מהממוצע בחורף, כאשר אורגניזמים זעירים באדמה ממחזרים ומשחררים חומרי מזון מחומר מת שאינו נדרש על ידי צמחים במהלך השלב הבלתי פעיל שלהם. אם ישנם חומרי מזון עוֹדְפִים באדמה, הם עשויים להישטף אל מי תהום או אל אגמים ונחלים. משם, הם זורמים לנהרות גדולים יותר ובסופו של דבר לים. אם גופי המים האלה מקבלים כמות רבה מדי של חומרי מזון, עשויה להתרחש גדילה מהירה של אצות, אשר מזיקה למערכות אקולוגיות של מים מתוקים. במקרה זה, ''יותר מדי ממשהו טוב'' עלול להוות בעיה גדולה. זו הסיבה לכך שחקירת מחזורים של חומרי מזון במערכות אקולוגיות תחת תנאים שונים אינה רק דרך טובה ללמוד על האופן שבו מערכות אקולוגיות פועלות, אלא גם מסייעת לנו עם שיקולים מעשיים, כמו למשל כיצד להגן על אספקת המים הנקיים שלנו.

אנו יודעים שמגוון ביולוגי – עושר המינים במערכת אקולוגית, ממלא תפקיד ברבּים מתפקודיה, ובד בבד יודעים כי מגוון ביולוגי פוחת בקנה מידה גלובלי. לדוגמה, חלק ממִינֵי הדבורים והפרחים הנדירים נכחדים, ולכן מערכות אקולוגיות רבות פחות מגוונות היום ממה שהיו בעבר. זו אחת הסיבות לכך שאנו מתעניינים באופן שבו מחזורי חומרי מזון מגיבים לשינויים במגוון ביולוגי.

אֵילוּ השפעות יש למגוון ביולוגי על חנקן באדמה?

קשר בין מגוון ביולוגי לבין חנקן (כחַנְקָה – נִיטְרָט – אחת הצורות של חנקן שנצרכת על ידי צמחים) באדמה, בֻּסַּס במידה רבה בניסויים שחוקרים את ההשפעות של מגוון ביולוגי על מערכות אקולוגיות [1]. במסגרת ניסויים אלה, מגוון ביולוגי של צמחים נחקר באמצעות יצירת מערכות קטנות ומבוקרות של מערכות אקולוגיות (לעיתים קרובות אדמות דשא, שבהן הכי קל לבצע זאת) עם מספר ידוע של מינים שגדלים תחת אותם תנאים סביבתיים, כמו למשל באותו השדה. על ידי חלוקת השדה לחלקות ניסוי וזריעת תערובת שונה של זרעים בכל חלקת ניסוי כזו. החלקות הקטנות האלה נבדקות באופן שוטף. את התוצאות מֵחֲלָקוֹת הניסוי עם מגוון גדול יותר או קטן יותר של מיני צמחים, אפשר להשוות זו לזו באופן די יעיל, מאחר שההבדל היחיד בין החלקות אמור להיות מספר המינים שגדלים בהן.

בניסויים אלה באדמות דשא, אנו מוצאים כי ככל שמספר מִינֵי הצמחים גדול יותר, כך ריכוז החנקה באדמה קטן יותר – דבר אשר קל למדי להסביר. אם צמחים צורכים יותר חנקה, המשמעות היא שנותרות פחות ''שאריות'' באדמה. במערכות אקולוגיות שעשירות בחומרי מזון במידה סבירה, משמעות נוספת היא שפחות חנקה נשטפת לתוך מי תהום, מה שמגן על איכותם כמו גם על מערכות אקולוגיות של מים מתוקים.

כדי להבין את התוצאות האלה, עלינו לשקלל את אחת ההשפעות החשובות של מגוון ביולוגי על מערכות אקולוגיות שאינן מְדֻשָּׁנוֹת, שהיא עלייה בגדילת צמחים. כאשר יש מגוון ביולוגי גדול יותר של צמחים, בדרך כלל יש יותר בִּיוֹמָסָה צמחית, לדוגמה יותר חציר שמיוצר במִרְעִים. במצב זה נדרש יותר חנקן ליצירת כמות הביומסה הגדולה יותר הזו. דרך אחרת להסתכל על כך היא שהביומסה הגדולה יותר יכולה להיווצר רק אם הצמחים יכולים לגשת ליותר חנקן (ולכל חומרי המזון הנדרשים האחרים). זה המקום שבו השלמה (קוֹמְפְּלֶמֶנְטָרִיּוּת) נכנסת לתמונה.

מינים שונים פועלים יחד כדי לאפשר גישה לחומרי מזון

השלמה (קוֹמפלמנטריוּת) מתארת את המנגנון שבאמצעותו חלקים שונים של מערכת אקולוגית, כמו מינים שונים, משתמשים במגוון משאבים חיוניים שכמוּתם מוגבלת, ממיקומים שונים או בזמנים שונים. השימוש במשאב מסוים על ידי אחד המינים ''משלים'' את השימוש של מינים אחרים. באופן זה, חברת הצמחים משתמשת במשאבים הזמינים בצורה יעילה יותר. בדוגמה שלנו, המשאב שנמצא בשימוש הוא חנקן שזמין באדמה בצורת חנקה. צמחים צורכים חומרי מזון מהאדמה באמצעות השורשים שלהם. אך לא כל השורשים זהים – לחלק מהצמחים יש שורשים חזקים וארוכים שיכולים לחדור לחלקים עמוקים יותר באדמה, אולם לא מסתעפים הרבה בדרכם לשם. לאחרים יש שורשים שמגיעים רק לחלקים הרדודים יותר של האדמה. אם תשלבו אפילו רק את שני הסוגים האלה, תוכלו לראות כי מין אחד של צמחים שואב מים וחומרי מזון החוצה מהאדמה הרדודה, והמין האחר שואב את אותם המשאבים החוצה מהאדמה העמוקה (איור 1). שני סוגי מערכות השורשים משלימים זה את זה, והמשמעות היא שחומרי המזון שלא היו בשימוש במערכת שמכילה רק מין אחד, משמשים כעת ליצירת ביומסה צמחית נוספת, המהווה מזון למיקרואורגניזמים ולבעלי חיים. שני סוגי הצמחים האלה משתמשים במה שאנו מכנים נִישׁוֹת מרחביות.

באופן דומה, לא כל הצמחים מתפתחים וגדלים באותו הזמן. אם מין אחד מתפתח מוקדם באביב, והמין האחר רק מתחיל לגדול בקיץ, אז שני המינים האלה לא יזדקקו למרבית חומרי המזון שלהם באותו הזמן. שני מִינֵי הצמחים משתמשים בנישות זמניוֹת שונות, והם גם ייגשו לחומרי מזון ולמשאבים אחרים באופן שלם יותר יחד, לעומת האופן שהיו עושים זאת לבד. אם כן, כאשר לא רק שני מיני צמחים אלא הרבה צמחים גדלים יחד תוך שימוש בנישות מרחביות וזמניות שונות, החנקן באדמה מנוצל באופן יעיל יותר, ולכן פחות ממנו נשאר באדמה במדידות שלנו.

זרחן באדמה ומגוון ביולוגי של צמחים

מתקבל על הדעת להניח כי ההשפעה של מגוון ביולוגי שזה עתה תיארנו עבור חנקן באדמה, זהה עבור זרחן באדמה. שניהם יסודות נוטריינטים חיוניים, ושניהם עשויים להגביל ייצור ביומסה. אולם, ואולי במפתיע תחילה, אין זה ממצא שאנו מוצאים בניסויים של מגוון ביולוגי, שבהם אנו שולטים בעושר המינים של מערכת אקולוגית בודדת במטרה לחקור השפעות של מגוון ביולוגי על מערכת זו. לעיתים קרובות, ריכוזים של זַרְחָה (פוֹסְפָט) שזמינה בקלות – הצורה הכימית של זרחן שנצרכת על ידי צמחים – הם כל כך נמוכים באדמה של מערכות שחקרנו, כך שפשוט לא יכולות להיות ''שאריות'', כפי שלעיתים קורה עם חנקן. אם כן, האם למגוון ביולוגי של צמחים יש בכלל השפעה על מחזוֹר זרחן?

התשובה הקצרה היא כן, ככל הנראה. אנו יודעים שיש יותר זרחן בביומסה של צמחים במערכות מגוונות יותר, וההשפעה הזו, בדומה לחנקן, נגרמת על ידי כמות גדולה יותר של ביומסה אשר מגיעה מצריכה רבה יותר של זרחן על ידי צמחים [2]. השאלה היא כיצד מערכות אקולוגיות מגוונות יותר יכולות לצרוך יותר זרחה, אף על פי שאיננו יכולים למדוד את התוצאות של כך באדמה.

כדי לגשת לזרחה באדמה, הן הצמחים הן המיקרואורגניזמים משתמשים באנזימים (חומרים שמעודדים תגובות כימיות מסוימות) כדי להפריד זרחה ממולקולות כימיות מורכבות יותר ברקבובית האדמה, שהיא החלק האורגני של האדמה המוכּר כקוֹמְפּוֹסְט. ביכולתנו למדוד את המהירות והתפקוד של פוֹספטאז, האנזים שאחראי על הנגשׁת הזרחה באופן זה, המאפשר לנו להעריך כמה זרחה משוחררת מהאדמה לשימוש של צמחים או מיקרואורגניזמים. במערכות אקולוגיות שבהן מגוון ביולוגי צמחי גדול יותר, נמצא יותר פעילות פוספטאז באדמה (איור 1) [3]. זה מצביע על כך כי בעוד שאיננו יכולים למדוד צריכה גדולה יותר של זרחן מאדמות עם מגוון ביולוגי צמחי גדול יותר באופן שבאפשרותנו להבחין בכך עבור חנקן, ניתן לראות שישנהּ גישה יעילה יותר לזרחן באדמות דרך פעילות פוספטאז רבּה יותר. זוהי דרך אחת שבה מגוון ביולוגי של צמחים יכול להשפיע על מחזוֹר זרחן דרך מערכת אקולוגית.

חשיבוּת מגוון ביולוגי לתפקודה של מערכת אקולוגית

ההנחה הרווחת היא שעם המשך שינויי האקלים הגלובליים, יותר מינים יכחדו ממערכות אקולוגיות והמגוון הביולוגי יוסיף לִפְחֹת. עקב כך, סביר להניח שמחזוֹר של חנקן ושל זרחן ייעשה פחות יעיל, כלומר, שמערכות אקולוגיות תהיינה פחות מסוגלות לשמור ולמחזר חנקן וזרחן ביחס ליכולתן כיום. זהו שינוי גדול עבור מערכת אקולוגית, ועלול להיות אחד הגורמים שיובילו לירידה ביצרנוּת של מערכת אקולוגית. ירידה במגוון אקולוגי עלולה גם להוביל לכך שחומרי מזון יאבדו מהמערכת, כמו למשל חנקה שנשטפת החוצה אל מי תהום. חנקה עודפת המגיעה למי שתייה היא מזהם, ועשויה לגרום גם להשפעות שליליות על מערכות אקולוגיות ימיות שהיא מועברת אליהן, כמו למשל בגדילה עודפת של אצות. מצד שני, במצב דברים זה חומרי המזון אינם נגישים לצמחים, למיקרואורגניזמים, או לבעלי חיים במערכת האקולוגית המקורית, מה שככל הנראה מותיר אותה דלילה יותר בחומרי מזון, ופחות מסוגלת לקיים את האורגניזמים שחיים בה.

מילון מונחים

מגוון ביולוגי (Biodiversity): ↑ כמות המינים במערכת אקולוגית.

ביומסה (Biomass): ↑ כמות הַמָּסָה הכוללת שמצויה ברכיבים של מערכת אקולוגית, כמו צמחים ובעלי חיים. ביומסה של צמחים, לדוגמה, יכולה להיות מוגדרת ככל החומר החי שמוּכָל בשורשי צמחים, בנבטים, בעלים, בפרחים ובפירות. למשל באקלים ממוזג, ביומסה אינה קבועה אלא בדרך כלל גדלה מהאביב עד לקיץ המאוחר, ופוחתת בסתיו.

אנזים (Enzyme): ↑ מולקולות קטנות שמאיצות תגובה (בִּיוֹ-)כימית בתוך תאים או מחוץ להם.

פוספטאז (Phosphatase): ↑ האנזים שאחראי להנגשׁתו של זרחן על ידי פירוקו ממולקולות כימיות מורכבות.

יצרנוּת של מערכת אקולוגית (Ecosystem Productivity): ↑ כמות החומר האורגני, כמו למשל ביומסה של צמחים, שמיוצרת על ידי מערכת אקולוגית בזמן נתון. דוגמה לכך היא כמות החיטה או החציר הנקצרים במשך שנה אחת משׂדה.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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