הקדמה

מתחת לפני השטח של כדור הארץ קיים מגוון עצום של מיקרואורגניזמים, לרבּוֹת מינים רבים של חיידקים ופטריות. אורגניזמים אלה שונים בצורתם ובגודלם, ומרביתם דקים פחות מעוביהּ של שׂערה אנושית. איננו יכולים לראות מיקרואורגניזמים של אדמה באמצעות עינינו, אך הם ממלאים תפקיד בסיסי בחיינו: מזינים את הצמחים שאנו מגדלים עבור מזון. במילים אחרות, מיקרואורגניזמים של אדמה חיוניים לקיום חיינו על כדור הארץ. מיקרואורגניזמים אלה פיתחו מגוון דרכים לסייע לצמחים לגדול, כמו למשל שבירת סלעים; מִחזוּר חומר מת ויצירת קשרי שיתוף פעולה עם צמחים. נבחן כיצד אורגניזמים זעירים אלה מבצעים את מגוון המטלות הללו.

טַעַם זעיר לסלעים

צמחים אינם יכולים לחיות ישירות על סלעים מאחר שחומרי המזון שבסלעים אינם זמינים עבורם. חומרי המזון שצמחים זקוקים להם מצויים באדמה, וכוללים יסודות כמו ברזל ואשלגן, או מולקולות קטנות כמו זַרְחָה או חַנְקָה. חומרי המזון האלה הם אבני הבניין הדרושות לגדילת צמחים, ממש כשם שהמזון שאנו אוכלים משמש כדלק לגוף.

בתחילת האבוֹלוּציה שלהם, צמחים התקיימו רק בתור אצות שׁחיות באוקיינוסים. לפני 420 מיליון שנים לפחות, הצמחים החלו להתיישב על היבשה [1]. באותו הזמן, היבשה נוצרה מפעילוּת געשית, כלומר הייתה בעיקר סלעית, ולא נמצאו אדמות שיכלו לסייע לצמחים לגדול. למרבה המזל, מיקרואורגניזמים כבר נמצאו ביבשה, והיו בעלי יכולת לקבל חומרי מזון מסלעים, דרך תהליך שנקרא בְּלָיַת סלעים. המיקרואורגניזמים הפכו את חומרי המזון שקודם לכן היו כלואים בסלעים, זמינים עבור הצמחים היבשתיים החדשים, מה שאִפשר לצמחים אלה לשגשג על היבשה וסייע להם ליצור אדמות עבור דורות עתידיים של צמחים!

מיקרואורגניזמים מבצעים בליית סלעים באמצעות ייצור חלבונים וחומצות מסוימים שמסוגלים להשפיע על השכבות הראשונות של סלעים באמצעות תגובות כימיות. תגובות אלה גורמות לשחרורם של רכיבי סלעים זעירים שאותם מיקרואורגניזמים וצמחים יכולים לצרוך (איור 1). לדוגמה, החיידק Bacillus subtilis יכול לשחרר מסלעים את היסוד המתכתי מַנְגָּן בצורה שֶׁקַּל לצמחים לצרוך [2]. הפטרייה Talaromyces flavus היא דוגמה נוספת. פטריה זו משתמשת בחומצה כדי לשנות סלעים וּלְזַקֵּק מגנזיום וברזל. לפטריות יש מבנים ארוכים וצינוריים שנקראים קוּרִים, שבהם הן משתמשות לגדילה וספיגת חומרי מזון. Talaromyces flavus משתמשת בלחץ מקצוות הקורים שלה כדי לשבור סלעים ולהגיע למינרלים מעניינים [3]. פטרייה זו גְּדֵלָה בחרכים קטנים, ואז דוחפת אותם ומרחיבה אותם. הן פטריות הן חיידקים מייצרים גם מולקולות קטנות שיכולות לקשור ברזל ומסייעות בתהליך בליית סלעים. סוגים רבים של מיקרואורגניזמים יכולים לשנות סלעים. מינים חלוצים אלה היו חיוניים להיווצרות אדמות, ובסופו של דבר ליצירת מערכות אקולוגיות מבוססות-אדמה מורכבות.

מיקרואורגניזמים שומרי אדמות

במאה ה-18, הכימאי הצרפתי אנטואן לָבוּאַזיֶה ניסח את חוק שימור הַמָּסָה כך: 'שום דבר לא נאבד, שום דבר לא נוצר, הכול מותמר'. עיקרון זה תָּקֵף גם לאורגניזמים חיים, ומומחש על ידי מיקרואורגניזמים שנקראים סַפְּרוֹבִּיוֹנְטִים (מהמילים היווניות sapros: מרקיבים, ו-biôn: חיים). ספרוביונטים יכולים למחזר יסודות על ידי פירוק חומר מת כמו פסולת צמחים, ואז לצרוך את חומרי המזון שנוצרים [4]. תהליך זה מאפשר להם לקבל חומרי מזון כמו סוכרים, שהם לא יכלו למצוא בדרך אחרת. צמחים הם מפעלי סוכר יעילים שמְתַפְקְדִים על אנרגיה סוֹלָרִית. הם משלבים מולקולות של פחמן דו-חמצני, באמצעות אור כמקור אנרגיה, בתהליך שנקרא פוטוסינתזה. כאשר צמחים מתים, הסוכרים שהם מייצרים יכולים להיות שוב בשימוש על ידי אורגניזמים אחרים. במהלך הזמן, יותר ויותר חומר צִמְחִי מת מצטבר על האדמה וממוחזר על ידי ספרוביונטים ליצירת אדמות.

ספרוביונטים כוללים מגוון עצום של מינֵי פטריות וחיידקים, ויכולים לחיות בטווח רחב של מקומות. באדמות חקלאיות, ספרוביונטים חיוניים להתמרת קוֹמְפּוֹסְט לצורות של חומרי מזון שצמחי יבול יכולים להשתמש בהם (איור 2). ללא ספרוביונטים מיקרוביאליים, קומפוסט לא היה דרך מועילה להזין צמחים, מאחר שצמחים אינם יכולים לאסוף חומרי מזון ישירות מחומר מת. בהיעדרם של ספרוביונטים, יבולים לא היו גדלים באופן יעיל, ופחות מזון היה מיוצר.

כאשר מתרחשים אירועי מזג אוויר קיצוניים, כמו למשל תקופות בצורת שנגרמות על ידי שינויי אקלים, ספרוביונטים באדמה עשויים להיות מושפעים מכך, ומידת היעילוּת שלהם במחזוּר חומר מת עלולה להיפגע. אולם, אם אוכלוסיית הספרוביונטים מספיק מגוונת, חלק מהמינים לא יושפעו על ידי מזג האוויר הקיצוני באותה המידה כמו אחרים, וימשיכו לפרק חומר מת. אם כן, חשוב לאדמות לְשַׁמֵּר את האוכלוסייה המגוונת של ספרוביונטים, כך שחומר תמיד יוכל להיות מפורק כדי להזין אורגניזמים אחרים ולשמור על זרימה של חומרי מזון דרך המערכות האקולוגיות. תהליך זה תומך ביבולים שאנו זקוקים להם כדי לחיות.

שילובי שורשים חבויים

אזורי האדמה שמצויים סמוך לשורשי צמחים הם נקודות חמות למגוון מיקרוביאלי. חלק ממינֵי החיידקים והפטריות מוצאים מקלט בתוך שורשי הצמחים, ומקבלים גישה לסוכרים שמיוצרים בתהליך הפוטוסינתזה, בתמורה לאספקת חומרי מזון ושירותים אחרים לצמח. תופעה זו מכונה סִימְבְּיוֹזָה: קשר שבו שני האורגניזמים מרוויחים, בעיקר באמצעות החלפת חומרי מזון (איור 3).

קִטְנִיּוֹת הן קבוצת צמחים שכוללת יבולים כמו פולי סויה, בוטנים ואפונה. קטניות יכולות ליצור קשר סימביוטי עם חיידקים מסוג Rhizobia. הקטניות מייצרות איבר חדש על פני השטח של שורשיהן, שבו חיידקים יכולים לחיות, המכונה קִשְׁרִית. בתוך קשריות, חיידקי Rhizobia מתרבּים, ומוגנים מלחצים סביבתיים. החיידקים גם מקבלים חלק מהסוכרים של הצמח, שבהם הם משתמשים לגדילה וּלְהֲמָרַת חנקן מהאוויר לאָמוֹנְיָה, דרך תהליכים כימיים [5]. אמוניה היא מקור לחנקן שצמחים יכולים להשתמש בו. חנקן חשוב לאורגניזמים חיים מאחר שהוא רכיב חיוני במולקולות ביולוגיות רבות, כמו למשל דנ"א וחלבונים. אם כן, צמחים מרוויחים מהחנקן שמסופק על ידי החיידקים המצויים בקשריות שורשי הצמחים. אם מינֵי Rhizobia מצויים באדמה ומתרחשת היווצרות של קשריות, חקלאים אינם צריכים להזין את האדמה בכל כך הרבה תוספי חנקן כדֶשֶׁן, כפי שנהוג.

סימביוזה אחרת הנפוצה במערכות אקולוגיות מתקיימת בין שורשי צמחים לפטריות. המבנים שנוצרים מסוג הסימביוזה הזה נקראים מִיקוֹרִיזָה (מהמילים ביוונית mýkēs: פטרייה, ו-rhiza: שורשים). בסוג הסימביוזה הזה משתתפים יותר מ-80% מצמחי האדמה [6]. מיקוריזות הן מרתקות במגוון שלהן ובמורכבותן, ודברים חדשים על אודותיהן מתגלים בקביעוּת. באופן עקרוני, חומרי מזון מהאדמה מועברים לשורשי צמחים דרך קוּרי הפטריות. בהשוואה לשורשי צמחים, הקורים יכולים להתפרס על פני נפח אדמה גדול יותר, ולהגיע לאזורים רחוקים יותר באדמה, מה שמגדיל את כמות חומרי המזון שזמינים עבור צמחים. ללא מיקוריזה, צמחים לא היו מסוגלים לאסוף אותה כמות של חומרי מזון מהאדמה, ולא היו גדלים טוב באותה המידה. בתמורה, צמחים חולקים את הסוכרים שלהם עם הפטריות הסימביונטיות. חלק מפטריות המיקוריזה יכולות אף לגרום לבליה של סלעים, כפי שתואר קודם לכן, כדי לְסַפֵּק חומרי מזון כמו זרחן לצמחים המארחים שלהן. בשדות יבול, מיקוריזציה חיונית להגדלת כמות המזון שניתן לייצר ללא שימוש בדשן מלאכותי.

סיכום

נוכחנו כי מיקרואורגניזמים של אדמה חיוניים להזנת צמחים במגוון דרכים. אף על פי שחוקרים למדו רבּוֹת על הַקשרים המועילים החשובים בין צמחים למיקרואורגניזמים, שאלות רבות נותרו ללא תשובה, כמו למשל 'האם חיידקים ופטריות הם תמיד מזיני הצמחים העיקריים באדמה?'; 'אֵילוּ סוגי מיקרואורגניזמים הכי טובים עבור קידום גדילת צמחים ושמירה על בריאותם?'; ו-'כיצד שינויי האקלים ישפיעו על מיקרואורגניזמים של אדמה?'. קשרים בין צמחים למיקרואורגניזמים חיוניים ליצירת סוגי האדמות שיכולים לתחזק את החקלאות שלנו. נוסף על כך חֲבָרוֹת מיקרוביאליות צריכות להיות מגוונות כדי להתמודד עם שינויים באדמה, כמו למשל אלו הנגרמים על ידי שינויי אקלים. חשוב שמדענים יבינו טוב יותר את המֻּרכּבוּת של הזנת צמחים על ידי מיקרואורגניזמים, כדי שנוכל להתמודד עם אתגרים חקלאיים.

מילון מונחים

מיקרואורגניזמים (Microbes): ↑ אורגניזמים זעירים כמו למשל חיידקים או פטריות. חלק מהמיקרואורגניזמים עלולים לגרום למחלות בצמחים, אולם סוגים אחרים מועילים.

בליית סלעים (Rock weathering): ↑ הפירוק המכני והכימי של סלעים.

קורים (Hyphae): ↑ מבנים ארוכים, מסתעפים ודמויי צינוריות בפטריות, המשמשים אותן לגדילה ולמציאת חומרי מזון.

ספרוביונטים (Saprobionts): ↑ כל אורגניזם, במיוחד פטרייה או חיידק, אשר חי על חומר מת וניזון ממנו.

פוטוסינתזה (Photosynthesis): ↑ התהליך שבו צמחים משתמשים באור שמש כדי לייצר סוכרים מפחמן דו-חמצני.

נקודה חמה (Biodiversity hotspot): ↑ אזור אקולוגי בכדור הארץ שמכיל מגוון ביולוגי בעל חשיבות גבוהה, אשר פעילוּת אנושית מאיימת על קיומו. בשל הערך האקולוגי הייחודי שלו, אזור כזה מצריך הגנה מיוחדת.

סימביוזה (Symbiosis): ↑ קשר הדוק ביו שני אורגניזמים מסוגים שונים, אשר תורם לשני האורגניזמים.

קשרית (Nodule): ↑ התנפחות בשורש של צמח ממשפחת הקטניות, אשר מכילה חיידקים שמסוגלים לאסוף חנקן מהאוויר ולתת אותו לצמחים.

מיקוריזה (Mycorrhizae): ↑ קשר בין פטרייה לצמח שבו הפטרייה חיה בתוך שורשי הצמח או על צידם החיצוני, תוך יצירת שיתוף סימביוטי בין הצמח לפטרייה.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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