מהם מיקרואורגניזמים הנישאים באוויר?

מיקרואורגניזמים הם יצורים חיים זעירים שגודלם נע בין כ-100 ננומטר (נ"מ) לכמה מילימטרים (מ"מ). הם כל כך קטנים, עד שבדרך כלל לא ניתן לראות אותם ללא מיקרוסקופ. רוב היצורים החיים על פני כדור הארץ הם מיקרואורגניזמים, והם נמצאים בכל מקום – מהאזורים העמוקים ביותר של האוקיינוסים ועד להרים הגבוהים ביותר, ואפילו באטמוספירה. לעיתים קרובות, על המיקרואורגניזמים להתמודד עם תנאי מחייה ייחודיים, ולפעמים אף קיצוניים, כמו טמפרטורות גבוהות או נמוכות מאוד, קרינה אוּלְטְרָה-סגולה מהשמש, לחץ גבוה בעומק האוקיינוס, מליחות גבוהה בביצות מלח, חומציות במים מזוהמים ומחסור באור במערות. האטמוספרה היא אחת מסביבות המחייה הקיצוניות ביותר של המיקרואורגניזמים, ולכן סקרנותם של המדענים הובילה לפיתוח תחום מחקר שנקרא אֵירוֹבִּיוֹלוֹגיה. המחקרים האֵירוֹבִּיוֹלוֹגיים המוקדמים ביותר מעל פני שטח האוקיינוס מתוארכים לתחילת המאה ה-19, כשכריסטיאן גוטפריד אֶרֶנְבֶּרְג, מחלוצי המִיקְרוֹסְקוֹפְּיָה, בחן מי גשמים שנאספו על ה-HMS בִּיגֶל, ספינת המחקר המפורסמת, כשהפליגה באוקיינוס האטלנטי. ארנברג זיהה במים כמה עשרות אורגניזמים חד-תאיים הנקראים פְּרוֹטִיסְטִים [1].

האוויר שאנחנו נושמים מכיל חנקן, חמצן, פחמן דו חמצני, כמויות קטנות מאוד של גזים אחרים ואֵירוֹסוֹלִים. אירוסולים הם כל סוג של חלקיק באוויר, לרבות חלקיקי אבק ואֵירוֹסוֹלִים ביולוגיים, שהם אורגניזמים חיים או אורגניזמים מתים ושרידיהם. אֵירוֹסוֹלִים ביולוגיים משתחררים לאוויר כל הזמן ומורכבים בעיקר מווירוסים, חיידקים, פטריות, חזזיות ופרוטיסטים, אך גם מאבקנים ומזרעים קטנים (איור 1). בכל יום, מאות טריליוני חיידקים עוברים בין האוויר לבין הים [2] – עובדה שממחישה את חשיבותו של התהליך הזה. ברגע שהמיקרואורגניזמים הללו נמצאים באוויר, הם חוברים לאבק ולחלקיקים אחרים, ונטמעים בתוך טיפות המים בעננים, בערפל, בגשם ובשלג. תנאים אלו מאפשרים לחיידקים רבים הנישאים באוויר להישאר בחיים במהלך מסעם [3], שכן הם חוצים מרחקים גדולים ושוקעים באזורים שאחרת לא היו יכולים להגיע אליהם. תוכלו לחשוב על כך כמו על טיסה מיבשת אחת לאחרת.

מדבריות מייצרות כמויות גדולות במיוחד של אבק, הנושא חיידקים רבים לאוויר. כך קורה במדבר סהרה (צפון אפריקה), מדבר ערב (המזרח התיכון), מדבריות גובי וטקלמקאן (סין), מדבר מוהאבי (דרום מערב ארצות הברית), ומדבר אטקמה (דרום אמריקה). גם רֶסֶס של גלים בימים או באגמים, פעילויות תעשייתיות, שריפות בשטחים פתוחים והתפרצויות געשיות יכולים לגרום לנשיאת חיידקים לאטמוספירה (איור 2). מבין אלה, השריפות בשטחים הפתוחים הן המפתיעות ביותר. טמפרטורת האוויר ליד ליבת האש יכולה להגיע לטמפרטורה גבוהה בהרבה מ-1,000 מעלות צלזיוס. ולמרות זאת, באירוסולים שנאספו במהלך שריפות בשדה קוצים נמצאו כ- 100,000 תאים מיקרוביאליים (של אורגניזמים) במטר מעוקב אחד של אוויר (זהו נפחה של קופסה שלכל פאותיה אורך של מטר אחד). כמות המיקרואורגניזמים הנישאים באוויר במהלך שריפות גבוהה בערך פי 10 מכמות האירוסולים הרגילים, כגון חלקיקי אבק.

כיצד אנחנו חוקרים מיקרואורגניזמים הנישאים באוויר?

מדענים החוקרים את האטמוספירה, הסביבה והאוקיינוסים משתמשים בטכניקות רבות כדי לאסוף ולחקור חיידקים הנישאים באוויר. לכל טכניקה יש יתרונות, מגבלות ושימושים ספציפיים משלה. לדוגמה, מדענים יכולים לסנן אוויר באמצעות משאבות, וכך לאסוף ולרכז חיידקים הנישאים באוויר על מסננים. הם יכולים גם לגדל תרבית של האורגניזמים; כדי לעשות זאת, הם חושפים לאוויר צלחת פטרי עם מצע גידול, למשך פרק זמן מוגדר, ואז מדגירים את המיקרואורגניזמים ש"נתפסו" בה. כמו כן, המדענים פיתחו שיטה בשם חסימה מיקרוביאלית; לשם כך הם משתמשים במכשיר שמקרר ומעבה את דגימת האוויר, ומאלץ את החיידקים להצטבר על משטח איסוף (איור 3A–C). לאחר מכן מבצעים במעבדה ניתוח של נתוני המיקרואורגניזמים שנאספו בכל אחת מהטכניקות הללו; מדענים יכולים להשתמש במכשירים כמו מיקרוסקופים כדי לספור תאים (ואפילו לזהות חלק מהם), הם יכולים לחקור את הצמיחה ואת חילוף החומרים של המיקרואורגניזמים באמצעות מגוון שיטות, ולהשתמש בטכניקות מוֹלֶקוּלָרִיוֹת מורכבות כדי לחקור את מגוון החיידקים הנישאים באוויר, בהתבסס על הדנ"א שלהם (איור 3D–F).

אילו גורמים סביבתיים משפיעים על המיקרואורגניזמים הנישאים באוויר?

מספר המיקרואורגניזמים הנישאים באוויר יכול להשתנות מאוד. בדרך כלל, יש באטמוספירה בין 100 ל-100,000 תאים בכל מטר מעוקב של אוויר [2]. מגוון המיקרואורגניזמים הנישאים באוויר מושפע מגורמים סביבתיים רבים, בשילוב עם פעילות תעשייתית. אלו כוללים את טמפרטורת האוויר, הלחות, מהירות הרוח, כיוון הרוח, דפוסי הגשם, הזמן שעבר מאז שהמיקרואורגניזמים התרוממו, הזמן בשנה, השעה ביום והגובה. המגוון תלוי גם במקור האירוסול, שכן מקורם של המיקרואורגניזמים הנישאים באוויר הוא ביבשה או במים, והם יכולים להיווצר מפעילויות אנושיות כמו חקלאות או תעשייה. שימו לב שגורמים דומים משפיעים גם על המגוון והיכולת של מיקרואורגניזמים אחרים להתקיים – גם אלו שאינם מועברים באוויר, כמו המיקרואורגניזמים הנמצאים בבריכות חומציות ובשפכי נהר, או בבריכות גאוּת ושפל, שמתייבשות לעתים קרובות. לכן, כשאנחנו חוקרים את הגורמים המשפיעים על המיקרואורגניזמים הנישאים באוויר, אנחנו יכולים ללמוד הרבה על הדרך שבה חיידקים מתמודדים עם תנאים סביבתיים קשים.

כיצד המיקרואורגניזמים הנישאים באוויר שורדים באטמוספירה?

לאינטראקציות של חיידקים הנישאים באוויר עם האטמוספירה יכולות להיות השלכות ניכרות על הסביבה, האקלים ובריאות האדם. לדוגמה, חיידקים הנישאים באוויר ממלאים תפקיד חשוב בהמרה של גזים אטמוספריים כך שניתן לעשות בהם שימוש ביולוגי – מה שיכול להשפיע על איכות האוויר ועל האקלים. המיקרואורגניזמים הנישאים באוויר יכולים לשמש גם בתור משטחים שטיפות גשם יכולות להצטבר סביבם בתוך עננים, וכך הם יכולים לסייע בהיווצרות עננים ודפוסי משקעים [5]. חלק מהמיקרואורגניזמים הנישאים באוויר התפתחו כך שהם יכולים להתמודד עם תנאים אטמוספריים קשים, למשל באמצעות יצירת נְבָגים, או בייצור חומרים המגינים עליהם מקרינה או מהתייבשות. לחלק מהנבגים הללו יש גם צורה אווירודינמית, המאפשרת את נשיאתם באוויר למרחקים ארוכים מאוד. מיקרואורגניזמים הנישאים באוויר שורדים טוב יותר גם כשהם "מוצאים מקלט" בתוך חלקיקי אבק, ברסס של מי ים או אגמים, או בעננים. שם התנאים טובים יותר, כיוון שהלחות גבוהה יותר וקרינת ה-UV המזיקה נמוכה יותר [3].

מה קורה כשהמיקרואורגניזמים הנישאים באוויר נוחתים?

כשהמיקרואורגניזמים הנישאים באוויר מגיעים בחזרה לפני כדור הארץ, הם יכולים להשפיע על המגוון ועל התפקוד של מערכות אקולוגיות ימיות ויבשתיות כאחד. המהירות שבה המיקרואורגניזמים המרחפים הללו נופלים בחזרה לכדור הארץ, הנקראת מהירות השקיעה, תלויה בעיקר בגודלם, בצורתם, בטמפרטורת האוויר, בלחות ובזרימת האוויר. בדרך כלל, מהירות השקיעה של וירוסים היא כמה מילימטרים בשנייה, בעוד שמהירותם של תאים גדולים יותר, כמו אצות, היא בסדר גודל של כמה סנטימטרים בשנייה. גודל התא של המיקרואורגניזם קובע כמה רחוק הוא יכול לרחף וכמה זמן הוא נשאר באטמוספרה. חזרתם של מיקרואורגניזמים לפני כדור הארץ (ליבשה או לים) משמעה שמיקרואורגניזמים חדשים, ולפעמים אף מזיקים, יכולים להגיע למערכת אקולוגית חדשה ולשנות אותה. למיקרואורגניזמים הנישאים באוויר יכולות להיות גם השפעות חיוביות כשהם מַפְרים את האוקיינוס בחומרי הזנה המאפשרים לפִיטוֹפְּלַנְקְטוֹן לצמוח. הפיטופלנקטון נמצאים בבסיס מארג המזון הימי, ולכן הם משפיעים על השפע ועל המגוון של כל שאר האורגניזמים באוקיינוס, החל מחלזונות וצדפות ועד לדגים ולווייתנים. מיקרואורגניזמים הנישאים באוויר עלולים גם לעודד פריחה מזיקה של אצות באגמים, בנהרות ובים. פריחות אלו עלולות להיות מסוכנות לבריאותם של בעלי חיים ושל בני אדם. לדוגמה, ישנם סוגים של כחוליות (חיידקים המסוגלים לייצר חמצן באמצעות פוטוסינתזה, בדיוק כמו צמחים) הנישאות באוויר, שעלולים לשחרר לאוויר ולמים רעלים שגורמים לנזקים בריאותיים חמורים, כולל נזק לכבד, לכליות, לעצבים ולמוח, וכן לתגובה אלרגית.

העתיד של מחקר האירוסולים הביולוגיים

ככל שהאקלים של כדור הארץ ישתנה ואזורים נוספים יהפכו יבשים ומדבריים, עומסי האבק באטמוספירה יגדלו, ויתרחשו סערות תכופות וממושכות יותר. מגמה זו תגביר את תנועת האירוסולים הביולוגיים למרחקים ארוכים דרך האוויר. מסיבות אלו, חשוב מאוד להבין את השינוע האווירי של המיקרואורגניזמים, ואת היחסים המורכבים שקיימים בין האטמוספירה, היבשה והים – לא רק כפי שהם כעת, אלא גם מה עשוי להיות אופיים של היחסים הללו בעשורים הקרובים. אולי יום אחד אתם תעמדו בראש פרויקט גדול למחקר אירוסולים ביולוגיים, ותגלו תגליות מרגשות.

תודות

עבודה זו זכתה לתמיכתם של מענקים שניתנו על ידי הקרן הלאומית למדע (ישראל) (#821/22) ל-BH ול-ER, ומענק NSF-OCE (#0850467) ל-AP.

מילון מונחים

אֵירוֹבִּיוֹלוֹגיה (Aerobiology): ↑ חקר החלקיקים הביולוגיים הנישאים באוויר. הוא כולל ייצור, פיזור והובלה של מיקרואורגניזמים וחומרי מזון הנישאים באוויר, וכן את השפעתם על הסביבה ועל בריאות האדם.

פְּרוֹטִיסְטִים (Protists): ↑ קבוצה מגוונת של מיקרואורגניזמים בעלי גרעין תא, שמסוגלים לגרום למחלות בבני אדם ובבעלי חיים נוספים, בעוד שמיקרואורגניזמים אחרים יוצרים קשרים מועילים עם אורגניזמים אחרים.

אֵירוֹסוֹלִים ביולוגיים (Bioaerosols): ↑ חלקיקים זעירים מושהים באוויר, ממקור ביולוגי. הם כוללים חיידקים, וירוסים, פטריות, פְּרוֹטוֹזוֹאָה ואצות. ניתן למצוא חלקיקים ביולוגיים שכאלה כמעט בכל מקום על פני כדור הארץ.

טכניקות מוֹלֶקוּלָרִיוֹת (Molecular Techniques): ↑ שיטות מעבדה המשמשות לניתוח ולתפעול מולקולות, בכלל זה דנ"א, רנ"א וחלבונים. לטכניקות מולקולריות יש מגוון רחב של יישומים, והם משמשים בין השאר למחקר של מגוון האצות ובעלי החיים בסביבות שונות.

נְבָגים (Spores): ↑ תאים שיכולים לעמוד בתנאים קשים מאוד בזכות ההגנה שמתקבלת מעיבוי דופנות התאים שלהם. נבגים יכולים לנבוט מאוחר יותר ולהתפתח לפרטים חדשים כשהתנאים משתפרים.

חומרי הזנה (Nutrients): ↑ חומרים שאורגניזמים צריכים כדי לחיות, לגדול ולתפקד כראוי. חלקיקי אירוסול מכילים מגוון של חומרים מזינים כגון חנקן, זרחן ויסודות קורט (יסודות המצויים בחומר מסוים בכמות קטנה).

פִיטוֹפְּלַנְקְטוֹן (Phytoplankton): ↑ אורגניזמים מיקרוסקופיים שחיים במקורות מים, כמו אוקיינוסים, אגמים ונהרות, ויכולים לבצע פוטוסינתזה כמו צמחים. הם נמצאים בבסיסם של מארגי מזון ימיים.

מארג המזון (Food Web): ↑ שרשרת המזון הימית היא מערכת האכלה היררכית שבה פיטופלנקטון נאכל בידי צרכנים ראשוניים כגון זואופלנקטון, שבתורם נאכלים בידי אורגניזמים גדולים יותר, כגון דגים קטנים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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

הצהרת כלי בינה מלאכותית

טקסט חלופי הנלווה לאיורים במאמר זה נוצר על ידי פרונטירז בסיוע כלי בינה מלאכותית, ונעשו מאמצים על מנת להבטיח את דיוקו, כולל בדיקה על ידי כותבי המאמר כאשר הדבר התאפשר. אם ברצונכם לדווח על בעיה, אנו צרו איתנו קשר.