מה הקשר בין חיידקים כחוליים, חרקים ענקיים, חלודה, שריפות ויערות גשם? כולם קשורים לסיפור המרתק של ריכוז החמצן באטמוספרה של כדור הארץ והתפתחות החיים כאן

אנחנו נושמים חמצן, שמקיף אותנו מכל עבר – כ-21 אחוז מהאטמוספרה היא חמצן. כל כך התרגלנו לקיומו עד שרק מעטים מאיתנו טורחים לעצור ולחשוב: מדוע הוא נמצא שם בכלל? האם הוא תמיד היה באטמוספרה לאורך כל קיומו של כדור הארץ?

החמצן מעורב מאוד במגוון תהליכים יומיומיים נוסף על נשימה: למשל ברזל מחליד בתגובה כימית עם חמצן, ואש היא בעצם תגובה עם חמצן שמשחררת אנרגיה רבה. נוכחותו גם אינה מובנת מאליה – כדור הארץ הוא כוכב הלכת היחיד במערכת השמש שהאטמוספרה שלו מכילה כמות משמעותית של חמצן.

החמצן הוא יסוד פעיל מאוד מבחינה כימית, ומגיב כמעט עם כל היסודות בטבלה המחזורית, אם כי בדרך כלל נדרש חימום כדי שהתגובה תתחולל. בטבע הוא משתחרר בעיקר כתוצאה מפירוק מים בתהליך הפוטוסינתזה, אך כשכדור הארץ נוצר לפני כ-4.5 מיליארד שנה, לא היו עליו יצורים חיים שיפיקו חמצן. אם כך, מה היה הרכב האטמוספרה אז?

צילום: מעבדת חיל האוויר של ארה"ב, ויקיפדיה, נחלת הכלל.
הגז הנחוץ לכולנו חסר צבע, אך במצב נוזלי הוא כחלחל-תכלת: חמצן נוזלי | צילום: מעבדת חיל האוויר של ארה"ב, ויקיפדיה, נחלת הכלל.

החִמצון הגדול

בראשית ימיו של כדור הארץ לא היה כמעט חמצן באטמוספרה שלו, וכך נשאר המצב במשך 2-1.5 מיליארדי השנים הראשונות לקיומו. היצורים החיים הראשונים, שהופיעו כמה מאות מיליוני שנים אחרי שכוכב הלכת נוצר, לא פלטו חמצן ולא נזקקו לו. למעשה אין כמעט ספק שהוא היה רעיל עבורם.

חשוב לציין כי אין הדבר אומר שלא היו אטומי חמצן בכדור הארץ או באטמוספירה: כמות החמצן הכוללת בכדור הארץ כמעט ולא השתנתה מאז היווצרותו. מה שמשתנה הוא הריכוז באטמוספירה של החמצן בצורתו הדו אטומית, O2. כאשר ריכוז החמצן באטמוספירה נמוך משמעות הדבר היא כי יותר חמצן מצוי בצורות אחרות - למשל מים, פחמן דו חמצני או תחמוצות אחרות.

השינוי התרחש עקב הופעתם של חיידקי ציאנובקטריה, המכונים לעתים בטעות "אצות כחוליות". אלה היו היצורים החד-תאיים הראשונים שביצעו פוטוסינתזה – תהליך הפקת אנרגיה שגם מייצר חמצן. בתהליך הזה הם מנצלים את אור השמש כדי להפוך פחמן דו-חמצני לסוכרים, שהם תרכובות פחמן אורגניות המשמשות גם להפקת אנרגיה. תוצר הלוואי של הפוטוסינתזה הוא חמצן, שהאצות הכחוליות פלטו לאטמוספרה.

כך, לפני כ-2.4 מיליארד שנה, החל תהליך "החמצון הגדול": שיעור החמצן באטמוספרה החל לעלות משמעותית, עד לכמה אחוזים – עדיין הרבה מתחת לריכוזו כיום, אך כבר כמות משמעותית ומורגשת. התהליך היה איטי למדי, מכיוון שהחמצן שנוצר הגיב עם מגוון חומרים והתמוסס באוקיינוסים, ועל כן ריכוזו באטמוספרה עלה בצורה מתונה למדי. 

צילום במיקרוסקופ: MAREK MIS / SCIENCE PHOTO LIBRARY
חיידקי ציאנובקטריה מהסוג Oscillatoria. צילום במיקרוסקופ: MAREK MIS / SCIENCE PHOTO LIBRARY

הסיבות לתהליך הזה עדיין נחקרות וידוע כבר על כמה גורמים שתרמו לו. מודל מעניין שהוצע בסוף 2019 טוען שאחד הגורמים החשובים בחמצון הגדול היה פעילות געשית וטקטונית. לפי המודל, לפני החמצון הגדול חלה עלייה בתנועת הלוחות הטקטוניים של כדור הארץ, והיא האיצה את קצב היווצרותם של הרי הגעש. ההתפרצויות הגעשיות הרבות פלטו כמויות גדולות של פחמן דו-חמצני לאטמוספרה, וכך נוצר אפקט חממה שהעלה את הטמפרטורות בכדור הארץ, בדומה לשינוי האקלים בימינו. 

החוקרים משערים שהעלייה בטמפרטורה הגבירה את כמות המשקעים, ולכן את הבלייה והשחיקה של הקרקע. בעקבות זאת יותר מינרלים הגיעו לאוקיינוסים. בתהליך איטי, שנמשך מיליוני שנים, עלה ריכוז המינרלים באוקיינוסים, שהפכו עקב כך נוחים יותר למחיה עבור החיידקים הכחוליים. זה מה שיכול להסביר את השגשוג שלהם, ולכן את החמצון הגדול. המודל הזה גם קושר בין החמצון הגדול לתופעות גיאולוגיות אחרות, אך הוא עדיין טרי יחסית ויידרש מחקר נוסף כדי לקבוע את תקפותו.

לחמצון הגדול היו כמה השלכות חשובות, ובהן האפשרות לקיום חיים מורכבים: עד לתקופה הזאת כל היצורים החיים בכדור הארץ היו חד-תאיים ופשוטים יחסית, בדומה לחיידקים בימינו. יצורים רב-תאיים דורשים יותר אנרגיה כדי להתקיים, והם משיגים אותה על ידי ניצול החמצן באטמוספרה. השלכה משמעותית אחרת היא שהנוכחות של חמצן אפשרה את יצירתה של שכבת אוזון: אוזון הוא צורה של חמצן, O3, שבה כל מולקולה מורכבת משלושה אטומי חמצן, בניגוד לחמצן רגיל, O2, שבו יש שני אטומי חמצן בכל מולקולה. שכבת האוזון מגינה עלינו מפני הקרינה העל-סגולה של השמש. האוזון נוצר עקב פגיעת הקרינה העל-סגולה מהשמש בחמצן האטמוספרי, כך שגם שכבת האוזון לא הייתה קיימת ללא חמצן. 

הפקת אנרגיה באמצעות תהליך חילוף החומרים הקרוי "זרחון חמצוני" ,שהתפתח בתקופה הזאת, היא יעילה בהרבה בהשוואה להפקת אנרגיה ללא חמצן. בזכות התהליך הזה החלו להופיע יצורים חד-תאיים בעלי גרעין (אאוקריוטיים), ובהמשך גם יצורים רב-תאיים. 

לצד התפתחות החיים המורכבים, המבוססים על חמצן, התרחש תהליך רחב היקף של הכחדת מרבית היצורים החיים המוקדמים, שלא יכלו לשרוד בסביבה רוויית חמצן. אנחנו צאצאיהם של השורדים שהצליחו להסתגל לנוכחות החמצן באמצעות אנזימים שמנטרלים את רעילותו, ובהמשך גם ניצלו אותו לטובתם. ההכחדה של האורגניזמים שהחמצן רעיל עבורם לא הייתה שלמה: עד היום יש מינים רבים של מיקרואורגניזמים שמתים בנוכחות חמצן. חלקם חיים בסביבות אקזוטיות כמו מעמקי האוקיינוס אך יש גם כאלה ששורדים בסביבות הרבה יותר קרובות אלינו, כמו חלק מחיידקי המעיים או החיידק קְלוֹסְטְרִידִיוּם בּוֹטוּלִינוּם (Clostridium botulinum) הגורם להרעלות מזון.

מאז ועד היום

לאחר אירוע החמצון הגדול רמות החמצן לא הגיעו כאמור מייד ל-21 האחוזים בערך שיש באטמוספרה כיום, אלא נעצרו על רמה של אחוזים בודדים. הסיבה העיקרית לכך הייתה שבכדור הארץ הקדום היה הרבה מאוד ברזל. חלק ניכר מהחמצן שנוצר חימצן את הברזל – כלומר גרם לו להחליד, וכך נספג בו ולא נשאר באטמוספרה. רק אחרי שכל הברזל על פני השטח התחמצן, בתהליך איטי שנמשך מאות מיליוני שנים, יכלו שיעורי החמצן באטמוספרה לעלות משמעותית לערכים הקרובים יותר לאלה של ימינו. עד היום רוב הברזל בקרום כדור הארץ מופיע בתוך תחמוצות ברזל, בעיקר המטיט ומגנטיט.

מעבר להשפעות הביולוגיות הייתה לתהליך הזה גם השפעה אקלימית חשובה: לפני החמצון הגדול, הגז מתאן (CH4) היה נפוץ באטמוספרה. החמצן שנפלט הגיב עם המתאן ויצר פחמן דו-חמצני ומים. מתאן הוא גז חממה הרבה יותר חזק מפחמן דו-חמצני, ולכן תהליך פירוק המתאן לווה בהתקררות גלובלית וביצירת עידן קרח משמעותי שהתרחש מבחינה גיאולוגית זמן לא רב אחרי החמצון הגדול. גם תהליך התגובה עם המתאן ספג חלק מהחמצן ולכן האט את העלייה בריכוזו באטמוספרה.

במיליארד השנים הבאות אחרי תום החמצון הגדול נותרו רמות החמצן קבועות יחסית ברמה של אחוזים בודדים. רק לפני כ-850 מיליון שנה תמו לבסוף רוב החומרים שיכלו להגיב עם חמצן ועל ידי כך לספוג אותו מהאטמוספרה. לכן רמות החמצן החלו לעלות בצורה משמעותית, ואיתן החלו להתפתח אבות-אבותיהם של בעלי החיים והצמחים המוכרים לנו היום. 

לפי חלק מהמודלים המקובלים, רמות החמצן עלו אפילו מעבר להיקפן הנוכחי, עד לכ-35 אחוז חמצן באטמוספרה לפני 350-300 מיליון שנה, במהלך תור הקָרְבּוֹן. מהתקופה הזאת שרדו לא מעט מאובנים של חרקי ענק שהיו גדולים משמעותית מהחרקים כיום, ויש מי שטוענים ששיעור החמצן הגבוה סייע לחרקים לגדול. מכיוון שלחרקים אין ריאות ומערכת דם סגורה, והחמצן שהם נושמים מגיע לתאים שלהם רק בדיפוזיה, ככל שהם גדולים יותר והיחס בין שטח הפנים של גופם לנפח קטן יותר, הם זקוקים ליותר חמצן כדי לספק את צורכיהם, כך שסביבה עשירה בחמצן מאפשרת להם לשגשג. 

אף שלכאורה יש היגיון בטענה הזאת, היא עדיין שנויה במחלוקת, ומחקרים אחרים מציינים שרמות החמצן אינן הגורם היחיד שמגביל את גודלם של חרקים. בנוסף יש מי שחולקים על כך שרמות החמצן באטמוספרה הגיעו לשיא כה גבוה בתור הקרבון, אם כי מוסכם שזה היה פרק הזמן שבמהלכו רמות החמצן באוויר הגיעו לשיאן.

מאובן של שפירית ענקית, מוטת הכנפיים היא 68 ס"מ, המוצג במוזיאון בלודב, צרפת | צילום: Didier Descouens, ויקיפדיה
מאובן של שפירית ענקית, מוטת הכנפיים היא 68 ס"מ, המוצג במוזיאון בלודב, צרפת | צילום: Didier Descouens, ויקיפדיה

מחזור החמצן המודרני

ככל שהפוטוסינתזה הפכה נפוצה יותר, כך התרחב גם ייצור החמצן על ידי צמחי יבשה ואצות ופיטופלנקטון באוקיינוס. במקביל, הגידול הרב בכמות היצורים החיים הרב-תאיים הביא לידי כך שהרבה יותר אורגניזמים נושמים חמצן ופולטים במקומו פחמן דו-חמצני. האם יש חשש שהחמצן ייגמר לנו?

גם כיום המקור המשמעותי היחיד לחמצן באטמוספרה הוא תהליך הפוטוסינתזה: אומנם יש תהליכים אחרים שמייצרים חמצן, אך הם זניחים. לחלק ניכר מהחמצן באטמוספרה אחראים יצורים ימיים כמו אצות, אם כי גם צמחי היבשה תורמים תרומה משמעותית. בניגוד למצב ששרר כאן לפני מיליארדי שנים, התהליכים העיקריים המוציאים חמצן מהאטמוספרה הם נשימה של האורגניזמים הצורכים חמצן בכדור הארץ, שהתרבו מאוד במיליוני השנים האחרונות, וכן שריפה של חומרים – הן באופן טבעי והן בידי בני אדם.

יער גשם באוסטרליה | צילום: AustralianCamera, Shutterstock
גם צמחי היבשה תורמים רבות לייצור החמצן. יער גשם באוסטרליה | צילום: AustralianCamera, Shutterstock

שני התהליכים מאזנים זה את זה היטב, כך שרמות החמצן באטמוספרה נשארות יציבות, וכדי למצוא בהן שינויים צריך לנוע בקנה מידה של עשרות ואפילו מאות מיליוני שנים. אפילו הגידול המשמעותי בשריפת הדלקים מאז ראשית המהפכה התעשייתית לא שינה את התמונה בצורה משמעותית וריכוזי החמצן לא קטנו. נכון שבמאתיים השנים שחלפו מאז התחלנו לשרוף דלקי מחצבים בכמויות גדולות, ריכוז הפחמן הדו-חמצני עלה כמעט פי 1.5, מ-0.028 אחוז ל-0.04 אחוז. זהו הבדל משמעותי, אך זניח לעומת ריכוז החמצן הנוכחי, שעומד כאמור על כ-21 אחוז. גם אם נניח שכל מולקולת פחמן דו-חמצני מוציאה מהאטמוספרה מולקולת חמצן אחת, מדובר בהבדל זעיר.

מעבר לכך, כמויות החמצן שנפלטות לאטמוספרה ונקלטות ממנה מדי שנה הן קטנות לעומת גודלה העצום של האטמוספרה כולה. גם אם תיפסק בבת אחת כל הפוטוסינתזה בכדור הארץ, יחלפו עוד אלפי שנים לפני שנראה ירידה משמעותית בשיעור החמצן באוויר. כמובן, במקרה כזה המחסור במזון עקב קריסת כל שרשראות המזון, התלויות לחלוטין בפוטוסינתזה, ייצור בעצמו משבר חמור ומהיר הרבה יותר.

גם שריפת כל מאגרי דלקי המחצבים הידועים לנו – כל הנפט, הפחם והגז הטבעי – לא תשפיע כמעט על ריכוז החמצן באטמוספרה. אפשר להשוות את החמצן האטמוספרי לדוד מים עצום, עם ברז קטן הממלא אותו בטפטוף וחור קטן בתחתיתו. אומנם הברז והחור מאזנים זה את זה, אך המכל כה גדול יחסית לדליפה עד כדי כך שגם בלי הברז יעברו אלפי שנים לפני שנראה ירידה משמעותית במפלס המים במיכל. לא משנה כמה דלק נשרוף או כמה עצים נכרות, מכל בחינה מעשית אין כל חשש שייגמר לנו החמצן לנשימה בעשרות אלפי השנים הקרובות. כמובן יהיו לצעדים כאלה השלכות אקולוגיות שליליות עצומות אחרות שבגללן חשוב לא לכרות עצים לשווא. בינתיים, לפחות לגבי החמצן אפשר להירגע ולנשום נשימה עמוקה.

לשריפת יערות יש השלכות אקולוגיות קשות, אבל הן לא יגמרו לנו את החמצן | צילום:  Peter J. Wilson, Shutterstock
לשריפת יערות יש השלכות אקולוגיות קשות, אבל הן לא יגמרו לנו את החמצן | צילום:  Peter J. Wilson, Shutterstock  

עם זאת, יש סביבות שבהן דווקא עלול להיווצר מחסור בחמצן, למשל באוקיינוסים. גורמים שונים, כגון עלייה בטמפרטורת המים, מפחיתים את המסיסות של חמצן במים ולכן יש פחות חמצן זמין לנשימה עבור דגים ויצורים ימיים אחרים. מדובר בתופעה משמעותית למשל ליד תחנות כוח ומפעלים אחרים ששואבים כמויות גדולות של מי קירור ומחזירים מים חמים יותר למאגר שממנו נלקחו. כמו כן, יש חשש כי ההתחממות הגלובלית תפחית את כמות החמצן באוקיינוסים ותפגע בחיים בים. גודלה הממשי של הירידה החזויה הזאת שנוי במחלוקת.     

ריכוזי החמצן בכדור הארץ השתנו אם כן משמעותית לאורך מיליארדי השנים שכוכב הלכת שלנו קיים. מפליא לראות איך יצורים זעירים כל כך כמו החיידקים הכחוליים חוללו שינוי סביבתי כל כך נרחב ומקיף בכדור הארץ, שהשפיע על כדור הארץ כולו בצורה כה משמעותית – וגם אִפשר את קיומנו היום. 

 

4 תגובות

  • יובב

    משמעות בהתפתחות החיים

    אם לחיידק זעיר כמו הציאנובקטריה היתה משמעות כה גדולה על המשך חיים על פני האדמה יכול להיות שגם לנו יש משמעות לא פחות אלא שעדיין לא השכלנו להשיג זאת?

  • אורי טייכמן

    תשובה

    קודם כל, ודאי שיש לנו משמעות - למשל, אנחנו משפיעים בצורה ניכרת על רמות הפחמן הדו חמצני באטמוספירה ב-150 השנים האחרונות.
    שנית, החיידקים זעירים אבל ההשפעה הגדולה שלהם דרשה זמן רב - לקח למעלה ממיליארד שנים להעלות את רמות החמצן לרמה גבוהה שקרובה לימינו. אין ספק שהאנושות תשפיע על רמות החמצן, אבל אם ייקח מיליוני שנים עד שתהיה השפעה, זה לא מאוד מטריד, אחרי הכל. ההשפעה ללא ספק קיימת, השאלה היא מה סקאלת הזמן הרלוונטית.

  • JACK

    סתירה פנימית

    ברישא של המאמר נטען כי האטמוספירה לא כללה חמצן וייצור החמצן לאטמוספרה נעשה על ידי יצורים חד תאיים. ובהמשך הגיע החמצן דרך פעילות געשית אז יש חמצן באטמוספרה גם בלי היצורים היד תאיים. בנוסף אין התייחסות לאטמוספרה מחזרת וליכולת של יצורים חיים לשרוד את הקרינה הקוסמית בתנאי החמצון הקיימים

  • אורי טייכמן

    תשובה

    לגבי הסתירה: אין פה סתירה. האטמוספירה במקור אכן לא כללה כמעט בכלל חמצן חופשי: כל החמצן שהיה הגיב עם יסודות אחרים. ייצור חמצן לאטמוספירה נעשה כמעט אך ורק על ידי תהליכי פוטוסינתזה (תהליכים אחרים הם זניחים). הפעילות הגעשית המוזכרת לא הביאה ישירות חמצן לאטמוספירה, אלא (לפי המודל) יצרה תנאים בהם חיידקים פוטוסינתטיים יכלו להתפתח ולפלוט חמצן. כמעט ולא היה חמצן באטמוספירה ללא פוטוסינתזה.
    לגבי החלק השני: לא לגמרי הבנתי את כוונתך. אטמוספירה מחזרת לא תגרום לתחמוצות ליצור חמצן מולקולרי. וכאמור, אכן בעבר לא הייתה שכבת האוזון, ולכן הקרינה האולטרה סגולה מהשמש (משמעותית בהרבה מהקרינה הקוסמית) הייתה גורם בעייתי עבור החיים, זה נכון, ומוזכר בכתבה.