משאבת הפחמן של כדור הארץ

בפרקים הקודמים תיארנו את תרומתם של הפיטופלנקטון לקיבוע פחמן וליצירת חמצן בתהליך הפוטוסינתזה, תרומה שוות ערך בהיקפה לקיבוע הפחמן ויצירת חמצן על ידי צמחי היבשה. הודות לחמצן המיוצר באוקיאנוס התפתחו בכדור הארץ צורות חיים מורכבות. כלומר, האוקיאנוס משפיע על עצם קיומנו כאן, כמין אנושי. בפרק זה נבחן את ההשפעה הזו מזווית ראייה נוספת, ונתאר את הים כמאגר אדיר של פחמן. פחמן הוא יסוד קריטי לקיום כל צורות החיים, והוא נע במחזוריות בין האוויר, היבשה, הים הרדוד וקרקעית הים. נצלול לעומקו של התהליך הזה, ובעיקר אל הביולוגיה המרתקת המניעה אותו, ונבין כיצד כל זה קשור אלינו ואל הפעולות היומיומיות שלנו. ייתכן שתלמידים רבים תופסים את הים כמשהו גדול ונצחי, שתמיד יהיה שם... תפיסה זו עלולה להוביל לשאננות בכל הנוגע לאופן שבו הם מתמודדים עם משבר האקלים. לכן חשוב לפתח דיון בכיתה על אודות ההשפעה העמוקה של האדם על הסביבה הימית, ועל הפגיעוּת של יצורים ימיים בעידן הנוכחי. בפרקים הבאים נציג "סיפור מקרה" של קבוצת יצורים פלנקטוניים, ונבחן כיצד היא מושפעת באופן ישיר ובאופן עקיף מפעילות האדם.

כיצד מגיעה מולקולת CO₂ מן האוויר אל קרקעית הים?

הכמות הכוללת של פחמן האגורה באטמוספרה (כ־720 ג'יגה טון פחמן) ובביומסה היבשתית (כ־2,000 ג'יגה טון) היא קטנה מאוד בהשוואה למאגר הפחמן הימי (הקידומת ג'יגה מציינת הכפלה ב־10⁹, כלומר מיליארד). חוקרים מעריכים שהים מכיל כ־40,000 ג'יגה טון פחמן, המצוי ברובו בצורה הכימית של יוני ביקרבונט המומסים במים (HCO⁻₃)(Bopp et al., 2019).
מהיכן מגיע כל הפחמן הזה? האטמוספרה היא מקור משמעותי לפחמן, אשר נספג ונשאב אל תוך הים. לדוגמה, בצורה של פחמן דו־חמצני (CO₂). גז חממה זה (הבולע ופולט קרינה תרמית חזרה לכדור הארץ), הנפלט לאוויר בכמויות גדולות בעקבות פעילות האדם, מתמוסס, נשאב למעמקי הים, ונקבר שם לתקופות של אלפי שנים. אם חושבים על תהליך זה בהקשר של משבר האקלים, אין ספק שהאוקיאנוס ממלא תפקיד מרכזי בהסרת גז החממה הזה מן האטמוספרה: כ־30% מסך ה־CO₂ הנפלט לאטמוספרה נספג ונשאב על ידי מי הים. לכן אפשר לראות באוקיאנוס בלָּם המאט את תהליך ההתחממות העולמית המתרחש בעשורים האחרונים (Gruber et al., 2019). למשל, כשאת נוסעת במכונית, חלק מעשן השריפה של הדלק שנפלט לאוויר (שמקורו בנפט, שהוא תוצר של מאובנים שנדחסו והשתמרו בקרקעית הים במשך מילוני שנים) ימצא את דרכו שוב אל קרקעית הים. בשל המעבר של פחמן מן האטמוספרה לאוקיאנוס, מכונה האוקיאנוס "משאבת הפחמן", ובלעדיה החיים על פני כדור הארץ היו שונים לחלוטין ממה שמוכר לנו. בהמשך הפרק נפרק את המשאבה לגורמים ונכיר את רכיביה העיקריים. המנגנון הראשון המניע אותה הוא פיזיקלי־כימי, הידוע גם בשם משאבת המסיסות. שני המנגנונים הנוספים הם ביולוגיים, ומכונים משאבת הפחמן האורגני ומשאבת הקרבּונט (בספרות המדעית משתמשים לעיתים במושג הכללי "משאבת הפחמן הביולוגית", הכולל בתוכו את משאבת הפחמן האורגני ואת משאבת הקרבונט, שכן שתיהן מתווכות על ידי פעילות ביולוגית)(איור 1). 

כיצד עובדת משאבת המסיסות באוקיאנוס, ואיך היא מושפעת מהתחממות מי הים? 

מי הים נמצאים בתהליך מתמיד של חילוף גזים עם האטמוספרה, כולל CO₂, המתמוסס במים והופך לצורות שונות של פחמן אנאורגני מומס. בתהליך הנקרא "משאבת המסיסות", מים סמוך לפני השטח בקווי הרוחב הגבוהים (רחוק מקו המשווה) סופחים CO₂ מן האטמוספרה ביעילות רבה, מפני שמסיסות גז זה עולָה ככל שהטמפרטורה יורדת. נוסף על כך, מים קרים הם צפופים יותר, ולכן משקלם הסגולי גבוה יותר. כתוצאה מכך הם שוקעים לעומק הים, ועימם שוקע גם הפחמן שהתמוסס. באזורים כגון האוקיאנוס הארקטי, שבהם נוצרים זרמי עומק המביאים מים מפני השטח לעומק הים (המכונים אזורי downwelling), מתרחשת הסרה משמעותית של פחמן מפני השטח (איור 2).

להתחממות מי הים יש השפעה שלילית על משאבת המסיסות. ראשית, מים חמים ממיסים פחות CO₂ ממים קרים, ולכן עליית טמפרטורת מי הים מחלישה את הספיחה של CO₂ ואף גורמת לתופעה הפוכה, שבה הים פולט CO₂ אל האטמוספרה. כמו כן, מאחר שמשטרי הזרימה באוקיאנוס מושפעים מהבדלי טמפרטורות בין גופי מים שונים, המנגנון החשוב של שינוע הפחמן למעמקים נפגע משמעותית כתוצאה מהתחממות המים (Bopp et al., 2019): הערבול האנכי פוחת, ונוצר שיכוּב של עמודת המים: מים קרובים לפני השטח נותרים למעלה, מי עומק נשארים למטה, ואין מעבר של פחמן מומס מפני השטח לעומק הים ולקרקעית.

מהו 'שלג ימי', וכיצד הוא מקרר את כדור הארץ?          

שלג ימי הוא כינוי לחלקיקי חומר אורגני הנושרים בכמויות אדירות מפני השטח למעמקי הים. החלקיקים הללו מכילים שרידי תאים מתים, פלטים של בעלי חיים ועוד, ושקיעתם  תורמת באופן משמעותי להסרת פחמן מן האטמוספרה ומשכבת המים העליונה, ולאחסונו ארוך הטווח בקרקעית הים. ללא תופעת השלג הימי, CO₂ היה מצטבר באטמוספרה וגורם להתחממות ניכרת של כדור הארץ. ייצור שלג ימי מושפע מהדינמיקה של פריחות הפיטופלנקטון שתוארה בפרק הקודם (איור 2). לדוגמה, בשלב הגידול, הפחמן מצטבר במולקולות האורגניות הנוצרות בתאים (מה שנקרא "פחמן אורגני חלקיקי"), או מופרש למים בצורת מולקולות אורגניות המשתחררות מתאים שמתים ומתפרקים ("פחמן אורגני מומס") (Moran et al., 2022). בשני מצבים אלו, הפחמן זמין לצריכה על ידי אורגניזמים שונים, כפי שנתאר בהמשך פרק זה. כמו כן, פחמן שוקע בעמודת המים בצורת שלג ימי המכיל תאים מתים, חלקי תאים או צברי חלקיקים של חומר אורגני מת (איור 3). 

החשיבות האקולוגית של השלג הימי הביאה אותו לקדמת הבמה מבחינת המחקר המדעי, ולגילוי המופלא והמפתיע של מי הים – שעד לא מזמן נדמו כאחידים ו"משעממים" – כמורכבים ביותר מבחינה כימית וביולוגית. ממה עשוי השלג הימי? באיזו מהירות הוא נושר? כיצד הוא מושפע מההתחממות הגלובלית ומשינויים נוספים המתרחשים באוקיאנוס כתוצאה ממשבר האקלים? ביחידה זו לא נוכל להעמיק בכל אותן שאלות מרתקות על הפחמן המומס והחלקיקי הנמצא במי האוקיאנוס בכמויות עצומות, אך נתאר באופן עקרוני את המנגנון הביולוגי המרכזי האחראי למעבר הפחמן אל הים העמוק. תהליך זה נקרא "משאבת הפחמן האורגני", והשלג הימי ממלא בו תפקיד מרכזי. 

כיצד המיקרוביום הימי תורם להעברת הפחמן מן האטמוספירה אל קרקעית הים? 

"משאבת הפחמן האורגני" הוא מונח המתאר שרשרת של תהליכים ביולוגיים המתרחשים בתוך תאים או ביניהם באוקיאנוס, וההשפעה האקולוגית המצטברת של תהליכים אלה היא רחבת־היקף, ומשפיעה על האוקיאנוס כולו. התהליך הראשוני הוא תהליך הפוטוסינתזה, המתרחש בתאי הפיטופלנקטון שבשכבת המים המוארת (כ־200 המטרים העליונים). בתהליך זה, התאים מקבעים CO₂ מומס ליצירת סוכרים וביומסה, באמצעות אנרגיית השמש. בשלב הבא, הפחמן שבתאים יכול לעבור מהפיטופלנקטון ליצורים הניזונים מהם, הנקראים זואופלנקטון, ומשם לטורפיהם: חסרי חוליות, דגים, יונקים ימיים, ולבסוף טורפי־על. במסלול זה, הפחמן "עולה" ברמות ההזנה של שרשרת המזון (איור 5, מסלול ירוק). בסופו של דבר, הפחמן שאינו נצרך שוקע לקרקעית כשלג ימי, פלטים של בעלי חיים, או יצורים מתים, ובתוכם אותו פחמן אשר קֻבַּע בתהליך הפוטוסינתזה. חלקיקים אלה, המגיעים לעומק הים, אינם יכולים לחזור לשכבת המים המוארת או לאטמוספרה במשך אלפי שנים, משום שהם נקברים במעמקים ומתגבשים למסלע בקרקעית הים (איורים 3,4).

מעבר במעלה שרשרת המזון אינו הגורל היחיד של פּחמן בסביבה הימית. קיימים מסלולים חלופיים, המתווכים על ידי המיקרוביום הימי, המשפיעים השפעה ניכרת על מעבר הפחמן לים העמוק, ואף על חזרתו לאטמוספרה כ־CO₂. נתאר שניים מהם:

• מחזור מיקרוביאלי: חלק מהפחמן המקובע על ידי הפיטופלנקטון מופרש מן התא החי, וחלק אחר משתחרר לאחר מותם, בצורת חומר אורגני מומס, אשר נצרך על יד חיידקים (Moran et al., 2022) . בצורה זו, הפחמן זמין  לטורפי החיידקים, שהם סוגים שונים של חד־תאים. כלומר, במקום שהפחמן יעלה ברמות ההזנה בשרשרת באמצעות טריפה על ידי בעלי חיים, הוא ממוחזר ל־CO₂ דרך נשימה תאית על ידי חיידקים וטורפי חיידקים ובעצם נשאר ברמות הנמוכות של מארג המזון. התהליך של שחרור פחמן מתאי הפיטופלנקטון (מתים או חיים) ועיבודו על ידי חיידקים וטורפיהם נקרא מחזור מיקרוביאלי (Pomeroy, 2007). לפחמן שמעובד על ידי חיידקים יש כמה גורלות: הוא יכול להשתחרר למים שוב כחומר מומס הזמין ליצורים חיים, לחזור לאטמוספרה כ־CO₂ בעקבות נשימה תאית, או להפוך לצורות פחמניות להפוך לצורות כימיות של פחמן שאינן ניתנות לפירוק על ידי אנזימים (בלתי פריק ביולוגית). כמו כן, חלק קטן מאוד מאותו פחמן יגיע לבסוף לקרקעית וייקבר שם לתקופות של אלפי שנים (Moran et al., 2022)(איור 5, מסלול אדום).
• הסטה נגיפית: גם לנגיפים יש השפעה משמעותית על מעברי הפחמן בים. נגיפים המדביקים פיטופלנקטון, למשל, יכולים להשמיד פריחות בתוך ימים ספורים. כשזה קורה, תאי האצות מתפרקים, והחומר האורגני (המכיל פחמן) מתפזר במים ונצרך על ידי חיידקים הטרוטרופיים. תהליך זה נקרא הסטה נגיפית, מפני שהוא מסיט את הפחמן והאנרגיה מרמות ההזנה הגבוהות, כמו הזואופלנקטון והדגים, אל הצורה המומסת או החלקיקית המזינה חיידקים הטרוטרופיים. תהליך זה מעביר, או מסיט, כמות עצומה של פחמן – כרבע מסך כל הפחמן בים! (Suttle, 2007)( איור 5, מסלול כתום).

משאבת הפחמן האורגני (המכונה גם משאבת הפחמן הביולוגית) מעסיקה חוקרים רבים ברחבי העולם, המנסים להבין את המנגנונים המתווכים אותה וכיצד הם מושפעים משינויי האקלים, במיוחד באזורים רגישים כמו האוקיאנוס הארקטי שבקוטב הצפני (ראו סרטון).   

כיצד יצורים חיים תורמים לשאיבה של פחמן אנאורגני למעמקי הים?

עד כה תיארנו את הפוטוסינתזה והנשימה כתהליכים תאיים עיקריים המשפיעים על מחזור הפחמן באוקיאנוס. כעת נתעמק בתהליך שלישי, הנקרא ביומינרליזציה, כלומר, יצירה ביולוגית של מינרלים (בדומה לתהליך בניית העצמות בגופנו). בפרק זה נתמקד ביצורים המייצרים מינרל בשם סידן פחמתי, המשמש לבניית השלד שלהם (הנקרא גם: שלד גירני). זוהי יכולת בעלת חשיבות אקולוגית רבה, המשותפת לקבוצות שונות של יצורים ימיים. יצורים אלו מסוגלים להשתמש בסידן ובביקרבונט , כדי ליצור סידן פחמתי (CaCO₃ – קלציום קרבונט, הנקרא גם אבן גיר). שוניות אלמוגים, לדוגמה, הן מבנים ממקור ביולוגי המשתרעים לאורך קילומטרים, והבנויים משלדים גירניים של אלמוגים.  
אף על פי ששוניות אלמוגים יכולות להיות עצומות ומרשימות מאוד, הקבוצות שתרומתן משמעותית ביותר לביומינרליזציה בהקשר של משאבת הפחמן באוקיאנוס הן דווקא אלו שחיות בפלנקטון. מעצם היותם פלנקטונים, יצורים אלו צורכים פחמן מומס ומייצרים את השלד שלהם בגוף המים. עם מותם, הם שוקעים לקרקעית כחלקיקי שלג ימי, ומשנעים את אותו פחמן האגור בשלד לאחסון ארוך טווח בקרקעית. לאורך מיליוני שנים, הצטברותם ודחיסתם יוצרת סלע משקע - קירטון. בדרך זו, פלנקטון משקיעי גיר תורמים תרומה משמעותית ליצירת מסלע גירני בכדור הארץ. כשאת צועדת באזורים מסוימים בישראל ובעולם, את למעשה דורכת על סלע שנוצר מאינספור תאי פלנקטון זעירים בעלי יכולת ביומינרליזציה. קיימות תצורות גאולוגיות מפורסמות העשויות משלדי פלנקטון שהיו פעם (לפני כ־100 מיליון שנה) מתחת לפני הים, כגון "חמוקי ניצנה", גבעות לבנות ברמת הנגב, המעניקות לנוף מראה קסום וירחי; ובאנגליה – "הצוקים הלבנים של דובר", הנישאים לגובה של יותר מ־100 מטר, ומשתרעים לאורך 13 ק"מ של חוף דרום־מזרח אנגליה (איור 6). בפרק הבא נתמקד בפלנקטון משקיעי גיר כמקרה בוחן, ונעמיק בהשפעות המורכבות של משבר האקלים על קבוצה חשובה זו.