חיידקים המפיקים אנרגיה מברזל מפוררים סלעים לאדמה – ומשחררים חומרי הזנה לשימוש שאר עולם החי. על לא דבר
מעטים הם החומרים שאנו מקבלים כמובנים מאליהם כמו הקרקע שאנו דורכים עליה. זהו חומר כה נפוץ ושגרתי, שמפתיע לגלות כמה מעט אנו יודעים על הדרך בה הוא נוצר. המצע הרך והגרגרי המכסה כמעט כל פיסה פנויה על פני היבשה הוא תוצר של מגוון תהליכים מורכבים, שתיאוריהם משלבים תחומי מדע שונים כגיאולוגיה, כימיה, ביולוגיה ומדע האקלים. המפגש בין שיטות המחקר ודרכי החשיבה השונות המאפיינות כל אחד מהתחומים האלה אחראי במידת-מה לפערים בהבנה, אך הקושי הגדול מכולם נובע מאופיו הנינוח של הטבע: בדומה לתהליכים גיאולוגיים אחרים, תהליך היווצרות הקרקע נמשך המון זמן.
רוב החומר המרכיב את הקרקע מקורו בסלעים שהתבלו והתפוררו בעקבות פגעי מזג האוויר, התחתרות שורשי צמחים בתוך הסלעים ופעילות כימית של מיקרואורגניזמים, ביניהם חיידקים. בניסיון ללמוד יותר על חלקם של החיידקים בפירוק סלעים וביצירה של קרקעות, ערכה קבוצת חוקרים מארצות הברית ומבריטניה ניסוי שנמשך שנתיים וחצי, והתפרסם לפני מספר חודשים במגזין PNAS. החוקרים בדקו אם ישנם חיידקים שמסוגלים "לאכול" סלעים כדי להפיק מהם אנרגיה ואם כן – כיצד התהליך משפיע על הרכב הסלע ועל עמידותו בפני פגעי הסביבה. תוצאות המחקר מפתיעות, והן מלמדות כי לחיידקים יש תפקיד מרכזי הרבה יותר משהיה ידוע עד כה בעיצוב פני השטח של כדור הארץ.
רוב החומר המרכיב את הקרקע מקורו בסלעים שהתבלו והתפוררו בעקבות פגעי מזג האוויר, התחתרות שורשי צמחים בתוך הסלעים ופעילות כימית של מיקרואורגניזמים. בליית סלעים בקניון האם טיין בויאטנם | Shutterstock, MyImages - Micha
האם חיידקים מסוגלים לחמצן סלעים?
אנו, ומרבית היצורים החיים, מפיקים אנרגיה על ידי "לקיחת" אלקטרונים מתוך מולקולות אורגניות, למשל סוכר, שאנחנו מפרקים, ומסירתם למולקולת חמצן. אך קיימים גם חיידקים המסוגלים להפיק את האלקטרונים הנחוצים להם מתוך קשרים כימיים בין יסודות מתכתיים במינרלים. כאשר אטום "מוסר" (מאבד) אלקטרון, הוא רוכש מטען חשמלי חיובי, שגדל ככל שהאטום מוסיף למסור עוד אלקטרונים. אטום בעל מטען חיובי ייטה לאזן את המטען שלו על ידי היקשרות לאטום בעל מטען שלילי באותו גודל. מסירת האלקטרון נקראת בשפה הכימית חיזור, ולקיחת האלקטרון נקראת חמצון.
אחד היסודות המתכתיים שחיידקים מרבים לנצלם להפקת אנרגיה הוא ברזל, שמסוגל למסור אלקטרון בקלות יחסית הודות למבנה ענן האלקטרונים של האטומים שלו. ברזל הוא אחד היסודות הנפוצים ביותר על פני כדור הארץ, ורובו הגדול נמצא בתוך מינרלים סיליקטיים, המתאפיינים בכך שהם מכילים סיליקט, תרכובת של צורן (סיליקון) וחמצן. עד כה לא היה ידוע אם חיידקים מסוגלים לחמצן את אטומי הברזל שבמינרלים מסוג זה, שמהם בנויים הסלעים השכיחים ביותר בעולם, כמו בזלת וגרניט. חמצון של מינרלים שובר את מבנה הגבישים שבסלע, ומוביל לבלייתו וליצירת החלקיקים שמהם מורכבת הקרקע.
שאלה זו עניינה מאוד את החוקרים: אם יתגלה שאכן יש חיידקים שמחמצנים את אטומי הברזל שבסלעים האלו, עשויות להיות לכך השלכות מרחיקות לכת על האופן שבו אנחנו תופסים את התהליכים ארוכי הטווח שמתחוללים על פני כדור הארץ, ואת מקומם של חיידקים בתהליכים גיאולוגיים שנחשבו עד כה לדוממים. כדי לחקור את הסוגיה חיפשו החוקרים סלע בעל קצב בלייה מהיר יחסית, כדי שמשך הניסויים לא יחרוג מגבולות שנות הקריירה שלפניהם.
הגדרת המשימה הזאת לקחה אותם אל האי פוארטו-ריקו שבמפרץ מקסיקו. שם, לאורך הריו בלאנקו (הנהר הלבן), נחשף סלע מסוג דיוריט (Diorite), הדומה באופיו לגרניט והנחשב לאחד הסלעים הסיליקטיים בעלי קצב הבלייה המהיר בעולם. תחילה חפרו החוקרים לעומק הקרקע עד לסלע היסוד, ומדדו את היקף הפעילות החיידקית בעומקים השונים. הם מצאו כי עיקר הפעילות התרכזה בפני השטח, שבהם קיים עושר של חומרים אורגניים, אך נמצאה פעילות רבה גם בנקודה העמוקה ביותר, שבה הקרקע נושקת לסלע הדיוריט. בעומקי הביניים שבין פני השטח לתשתית הסלע כמעט ולא נצפתה פעילות חיידקית. לצד נוכחות החיידקים הרבה בעומק, נמדדה גם כמות גבוהה של ברזל זמין לחמצון, הנמצא במינרלים שבסלע הדיוריט ואינו קיים בחלקים הגבוהים יותר של החתך. ממצא זה עשוי להסביר מהיכן משיגה אוכלוסיית החיידקים המבודדת, הרחוקה ממקורות מזון אורגניים את האנרגיה הדרושה לה.
החוקרים התמקדו בסלע הדיוריט, הדומה באופיו לגרניט אך בעל קצב בלייה גבוה במיוחד | SPL, Dirk Wiersma
סלעים חלודים
בהמשך אספו החוקרים דגימות מאוכלוסיית החיידקים שנמצאה בעומק הרב ביותר, וגידלו אותן במעבדה על מצע המכיל סלע דיוריט טחון מאתר המחקר, בלי להוסיף שום מקור אנרגיה אפשרי אחר. החוקרים צפו בדגימה במשך 864 ימים, כמעט שנתיים וחצי, ועקבו אחר השינויים שהתרחשו במינרלים ובאוכלוסיית החיידקים. הם קיוו שלאחר המתנה כה ארוכה, יצליחו לגלות בחיידקים ובגרגרי הסלע סימנים שיראו בבירור כי החיידקים מסוגלים לנצל את הברזל שבסלע כמקור אנרגיה יחיד, וכי פעילותם זו גורמת לבליית הסלע ולהיווצרות קרקע.
כאשר בחנו את גרגרי הסלע תחת מיקרוסקופ, הבחינו החוקרים שפני השטח שלהם עברו מעין כרסום, והם מכוסים חריצים וגומות זעירות. הם אף איתרו על פני הגרגרים המחורצים חלקיקי חלודה ננומטריים, העשויים ברזל שעבר חמצון. כמו כן, גרגרי הסלע האלה התמוססו מהר יותר כאשר נחשפו לתנאי הסביבה מאשר גרגרים שלא היו בקרבתם חיידקים. החוקרים בדקו את הרכב אוכלוסיית החיידקים שהתפתחה על פני גרגרי הסלע, ומצאו נציגות של מינים הידועים ביכולתם להפיק אנרגיה מחמצון ברזל, בתהליך המסוגל להסביר את הופעתם של חלקיקי החלודה.
ממצאי המחקר מראים לראשונה כי יש ביכולתם של מיני חיידקים מסוימים לנצל את האנרגיה האצורה בתוך סלעים, וכי חיידקים אלה הם ככל הנראה מרכיב מרכזי בבליית סלעים, וכך בהיווצרות קרקעות ובעיצוב פני השטח. כפי שכרסמו את פני הגרגרים, כך החיידקים מכרסמים גם באופן שבו נהגנו להגדיר עד כה את פניו הדוממות של כדור הארץ.
תובנות המחקר אינן מסתיימות כאן. התרכובות והיסודות שמשתחררים מן הסלעים בעקבות תהליכי הבלייה נשטפים ומוסעים במי נהרות אל מישורי ההצפה הפוריים, שם הם משמשים כחומרי הזנה לצמחים, ולבסוף אל האוקיינוס – שבו הם מסייעים בצמיחת אצות. האצות והצמחים, המשתמשים באור השמש כדי לייצר סוכרים, נמצאים כמובן בבסיס מארג המזון העולמי. אם חיידקים אכן אחראים לחלק לא-מבוטל משטף חומרי ההזנה שהאצות והצמחים משתמשים בהם, הרי שעולם החי חב ליצורים הזעירים הללו הרבה יותר משידענו.
