השאלה המקורית: מדוע אומרים שנשימה ובעירה מכלים את החמצן? האם יכול להיווצר מצב של חוסר בחמצן, ואיך הטבע מונע את זה?



שלום שחר ותודה על שאלתך המעניינת,

חמצן הוא אחד היסודות הנפוצים בטבע, והוא חיוני לקיום החיים על פני כדור הארץ. המצב כיום, שבו כ-21 אחוזים מהאוויר שאנו נושמים הם חמצן, לא היה קיים תמיד. לפני כ-2.4 מיליארד שנה, במה שמכונה "מהפכת החמצן", חלה עלייה משמעותית בריכוז החמצן האטמוספרי בגלל פעילותם של חיידקים כחוליים (ציאנובקטריה) שהפיקו  אנרגיה תוך קיבוע של מולקולות פחמן דו-חמצני באמצעות אור שמש ומים. התהליך הזה ייצר חמצן "על הדרך", ולכן שגשוגן של האצות הביא לעלייה משמעותית בכמות החמצן באוויר תוך זמן קצר יחסית, ובמקביל הכחיד צורות חיים רבות שהחמצן הרעיל אותן יותר משהביא להן תועלת.

החמצן נמצא בכדור הארץ בשלושה מאגרים עיקריים: האטמוספירה, הלא היא שכבת הגזים שמקיפה את כדור הארץ; החומר הביולוגי שנמצא בביוספירה, שהיא סך כל המערכות האקולוגיות שבהן מתקיימים חיים על פני כדור הארץ; והליתוספירה, שהיא מעטה הקרקע והסלעים של כדור הארץ.

איזון ומחזוריות

לטבע יש דרכים מיוחדות לשמור על איזון – כלומר לנצל חומרים מחדש ולאפשר כך לחיים על פני כדור הארץ להימשך. המחזוריות בטבע באה לידי ביטוי בשינויי מזג האוויר בין עונות השנה, ביום ובלילה, בגאות ובשפל, וגם בצמיחה ובקמילה של צמחים ובלידה ובמוות של בעלי חיים. חומרים רבים עוברים גלגולים עם הזמן. במחזור המים בכדור הארץ, למשל, מולקולות מים שנמצאות בנהר מתאדות והופכות לחלק מהאוויר. לאחר מכן הן מתעבות לעננים, יורדות כגשם, ברד או שלג, ומצטרפות מחדש למאגרי המים על פני כדור הארץ.

מחזור החמצן קשור באופן הדוק למחזור הפחמן, ושניהם יחד מעידים על שני תהליכים חשובים שחיוניים לשמירה על איזון הגזים בעולם: פוטוסינתזה ונשימה, שהיא למעשה תהליך של שריפה. שני התהליכים הללו מנוגדים זה לזה מבחינות רבות, שמיד נסביר.

במהלך מחזור הפחמן, אטומי פחמן עוברים מתצורה אורגנית, שבה הם מצויים במצב מקובע בתוך יצורים חיים, לתצורות אנאורגניות שמקורן אינו ביצורים חיים. מולקולות של פחמן דו-חמצני (CO2) שנמצאות באוויר (זו תצורה אנאורגנית) מקובעות למולקולות גלוקוז (חד-סוכר שנוסחתו הכימית היא C6H12O6) בשילוב עם מולקולות מים (H2O) באמצעות אנרגיית אור השמש, בתהליך הפוטוסינתזה. הגלוקוז היא תרכובת פחמימנית, אורגנית, שמכילה בנוסף על פחמן גם חמצן ומימן. בתהליך הזה נוצרות גם מולקולות חמצן, נוסף על מולקולות הסוכר, בתהליך הבא:

       6H2O + 6CO2 + אור    C6H12O+ 6O2  


המבנה המרחבי של מולקולת הגלוקוז | התמונה לקוחה מוויקיפדיה

בשלב הבא של המחזור, הצמח שמייצר את הסוכר, או יצור אחר שניזון מהצמח, מפרק את הסוכר בתהליך של שריפה שנקרא נשימה תאית. תהליך הנשימה ביצורים אווירניים (אירוביים), שמשתמשים בחמצן להפקת אנרגיה, כולל כמה שלבים. התגובות הביוכימיות עם החמצן מתרחשות בשלב שנקרא "זרחון חמצני". התהליכים הללו מתחילים עם גלוקוז, ובין התוצרים שלהם נמצאים מים ופחמן דו-חמצני.

הנשימה מאפשרת לייצר אנרגיה זמינה בצורת מולקולות ATP, שהן "מטבע האנרגיה" של כל היצורים החיים. בעלי החיים זקוקים לאנרגיה הזו לביצוע פעולות חיוניות, כמו הפעלת שרירים, פינוי פסולת תאית והפעלת מנגנונים אחרים צורכי אנרגיה. בסוף התהליך, אותם אטומי פחמן שהתחילו בצורת גלוקוז נמצאים בתצורה אנאורגנית של פחמן דו חמצני, והנה הושלם המחזור.

"שריפת" חמצן

שריפה, או בעירה, היא תהליך כימי שבו אלקטרונים מועברים מחומר אחד לאחר (תגובת חמצון-חיזור), וכתוצאה מכך משתחררת אנרגיה רבה בצורת חום ואור. ברבים מתהליכי השריפה מולקולות חמצן משמשות כחומר מחמצן שמקבל אלקטרונים מהחומר שנשרף. זו הסיבה שניצול של מולקולות חמצן מהאוויר אינו מוגבל רק לנשימה התאית, אלא מתרחש בכל תהליך של שריפה באמצעות חמצן, כמו שריפה של עצים או חומר אורגני אחר.


בעירה של חומר אורגני | התמונה לקוחה מוויקיפדיה

תהליכי שריפה, כאמור, מכלים מצד אחד את החמצן, ומצד שני הוא נוצר מחדש בתהליך הפוטוסינתזה. כמעט כל הצמחים מקיימים פוטוסינתזה, אך לא רק הם אלא גם קבוצות מסוימות של אצות, חיידקים ופרוטיסטים (קבוצה של יצורים בעלי גרעין כמו אצות מסוימות, עובש ועוד).

בעשורים האחרונים חלה עלייה משמעותית בכמויות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה, בין היתר בשל פעילות אנושית ענפה שעושה שימוש בתהליכים תעשייתיים רבים ליצירת אנרגיה. כשריכוז הפחמן הדו-חמצני באוויר עולה, הצמחים יכולים לקלוט אותו מהאוויר בכמויות גדולות יותר ולייצר חמצן בקצב גבוה יותר, וכך לצמצם את רמות הפחמן הדו-חמצני באוויר. מצד שני, הריכוז הגבוה של הפחמן הדו-חמצני עלול גם לגרום בעקיפין לתמותה של יצרנים ראשוניים ולהשפיע על מחזור הפחמן.

פארקים, שמורות טבע ו"ריאות ירוקות" לא רק משרים שלווה מבורכת על נפש האדם, אלא חשובים לשמירה על איזון החמצן בטבע. ברוח הדברים הללו וברוח ט"ו בשבט שחל ממש לא מזמן, מומלץ לקחת נשימה עמוקה וטובה, ואולי ללכת לחבק עץ או שניים.


יערות גשם באוסטרליה | התמונה לקוחה מוויקיפדיה

בומרנג – בחזרה אליך
כדי לעשות פוטוסינתזה, צמחים צריכים לקלוט פחמן-דו חמצני מהאוויר. רוב הצמחים עושים את זה באמצעות פתיחת מבנים מיוחדים בעלים שנקראים "פיוניות". אך אבוי – במהלך קליטת הפחמן הדו-חמצני מתאדים מים, וזה עלול להפריע לשמירה על משק המים של צמחים, במיוחד באזורים חמים ויבשים כמו מדבר. מה עושים צמחים באזורים כאלה כדי להתמודד עם הבעיה? אילו דרכים מתוחכמות התפתחו במהלך האבולוציה כדי לאפשר לצמחים כמו קקטוסים להתקיים בסביבות קשות?

דברת כהן
המחלקה למתמטיקה שימושית ומדעי המחשב
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. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

תגובה אחת

  • נירין

    פוטוסינטזה

    אם אפשר בבקשה קצת יותר הרחבה על התהליך הכימי בפוטוסינטזה זה יעזור להבין את התהליך בצורה טובה יותר.