השאלה המלאה: רציתי לדעת איך זה שיש חיים בעומק הים החשוך? אין שם צמחים שיכולים לעשות פוטוסינתזה, אז מה אוכלים הדגים?
אלי שלום,
תודה על שאלתך.
רובנו מכירים את תהליך הפוטוסינתזה (הטמעה) המתרחש בצמחים. בתהליך הזה הצמחים מייצרים פחמימה (סוכר) מתגובה בין חמצן (המופק ממים) עם פחמן דו-חמצני. מקור האנרגיה לתהליך הזה הוא אור השמש. תהליך זה הינו הבסיס לחיים על פני כדור הארץ.
אך האם ייתכנו חיים ללא אור?
כידוע, אור השמש חודר לתוך המים ומשמש בסיס לחיים גם מתחת לפני הים, אולם ככל שמתקדמים ויורדים למעמקי האוקינוס האור הולך ונבלע, עד לעומק של 200 מטר (השכבה המוארת, אפיפלגית). זו השכבה שבה עדיין גדלים צמחים והפוטוסינתזה משמשת מקור לחיים ובסיס לשרשרת המזון.
מעומק של 200 מטר מתחת לפני הים ועד לעומק של 1,000 מטר (השכבה המזופלגית) כמות האור מועטה מאוד, ומעומק של 1,000 מטר ומטה שוררת עלטה מוחלטת (השכבה הבתיפלגית). בשכבות הללו אין צמחים ולא מתקיימת פוטוסינתזה.
אך האם יש חיים בשכבות הללו? האם קיימת בהן שרשרת מזון?
למרבה הפלא התשובה חיובית. בסרטון המרהיב המצורף אפשר להתרשם ממגוון בעלי החיים הימיים המתקיימים בחושך מוחלט בעומק האוקינוס (מומלץ להפעיל את הרמקולים):
יצורים במעמקי האוקיינוס | הסרטון לקוח מ-YouTube; נוצר בידי BBC
במעמקי האוקיינוס מתקיימים חיים עם שרשרת מזון מלאה של יצרנים וצרכנים, שמתמודדים עם תנאי סביבה קשים הכוללים עלטה, לחצים גבוהים מאוד, מיעוט חמצן וטמפרטורות מים נמוכות. בעלי חיים בשכבה המזופלגית מותאמים לסביבתם. צבעם כהה, מבנה גופם צר, לחלקם עיניים גדולות, פה גדול וניבים חדים. חלקם מסוגלים לייצר לעצמם תאורה בעזרת תהליך הקרוי ביולומינסנציה, כלומר הארה ביולוגית – פליטת אור על ידי אורגניזם.
דג טורף בשכבה מזופלגית | התמונה לקוחה מוויקיפדיה; נוצרה בידי Brauer, A., 1906
בעלי החיים בשכבה הבתיפלגית מותאמים לסביבה קשה אף יותר. הם עמידים ללחצים מאוד גבוהים (300 קילוגרם לסנטימטר מרובע) ולטמפרטורות נמוכות (עד 4 מעלות צלזיוס) ולחלקם אין עיניים.
דג טורף בשכבה בתיפלגית | התמונה לקוחה מוויקיפדיה; נוצרה בידי Brauer, A., 1906
סוד החיים בעלטה
אם כן, מה הבסיס של שרשרת המזון בסביבה נטולת אור ומעוטת חמצן?
הסוד לחיים בעלטה מוחלטת טמון בתהליך ביוכימי הקרוי כימוסינתזה (כימו=כימי, סינתזה=הרכבה), שבו אורגניזמים (בקטריות) מייצרים חומר אורגני ראשוני ממולקולה מבוססת פחמן שאינה אורגנית בלי צורך באור. אפשר לחלק את התהליך לשני שלבים עיקריים: בראשון נוצרת אנרגיה כימית הנפלטת מתגובת חמצון של גזים כמו מימן, אמוניה ומימן גופרתי. לצורך החמצון נעשה שימוש לעתים גם בתרכובות אחרות פרט לחמצן. בשלב השני קורה תהליך של המרה ביולוגית של מולקולה מבוססת פחמן (מתאן, פחמן דו-חמצני) לחומר אורגני דוגמת סוכר. התהליך הזה משמש בסיס לשרשרת מזון, כיוון שהבקטריות הללו מייצרות לעצמן את המזון ולכן הן ה"יצרנים" הבסיסיים (כימואוטוטרופים).
ישנם כמה סוגים של בקטריות כימוסינתטיות שכל אחת מהן מקיימת תהליך כימוסינתטי שונה. התהליך עצמו התגלה לראשונה בשנת 1887 על ידי סרגיי ניקולביץ' וינוגרצקי (1953-1856) במהלך מחקר שערך על בקטריות כימוסינתטיות.
דוגמה לתהליך של כימוסינתזה אפשר לראות במעמקי האוקינוס ליד נביעות געשיות (הידרותרמיות). בתנאים אלו חיה התולעת ריפטייה (Riftia Pachyptila) שבקטריה סימביוטית חיה בתוך אברון בגופה הקרוי טרופוזום, שנמצא בחלל נוזלי בין המעיים לדופן הגוף של התולעת. הריפטייה היא הצרכנית הראשונית בשרשרת מזון, והיא מזינה בתורה בעלי חיים גדולים יותר.
תולעת ריפטייה המאכלסת בקטריה כימוסינתטית | התמונה לקוחה מוויקיפדיה; נוצרה בידי C. Van Dover
נסכם את התהליך המתרחש בבקטריה כימוסינתטית המתאכלסת בתולעת הריפטייה:
תוצר גופרתי + סוכר → מימן גופרתי + מים + פחמן דו-חמצני
כפי שהוסבר, התהליך מורכב משני שלבים עיקריים: בשלב הראשון הבקטריה מייצרת אנרגיה הנפלטת מחמצון של יון מימן גופרתי, ובשלב השני היא משתמשת באנרגיה הזו לצורך כימוסינתזה של פחמן דו-חמצני וליצירת מולקולה אורגנית (סוכר). השלב הזה הוא מסלול מטבולי נפוץ המתרחש בצמחים ובבקטריות. הוא אינו מצריך אור ונוצרת בו פחמימה ממולקולה אי-אורגנית של פחמן דו-חמצני (מעגל קלווין-בנסון).
בומרנג – בחזרה אליך
תהליך הכימוסינתזה מאפשר חיים בלי שימוש בחמצן מולקולרי לצורך תגובת החמצון ולפליטת אנרגיה כימית חיונית. האם תוכלו לחשוב על מקום נוסף מלבד מעמקי האוקיינוס שאם מתקיימים בו חיים אז כנראה הם מתבססים על כימוסינתזה?
עופר רוטלוי
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
