נשימות עמוקות

על קרקעית האוקיינוס, במקום בו יש מעט מאוד חמצן, חיים חיידקים ה"נושמים" גופרית. רחוק מהיערות, ממלאים חיידקים אלה תפקיד חיוני במחזור הפחמן של כדור-הארץ: הם מעכלים כחצי מהחומר האורגני השוקע לקרקעית. מחקר חדש, שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה הלאומית למדעים של ארה"ב" (PNAS), מציע גישה חדשה להבנת הפעילות המטבולית של חיידקים אלה, על בסיס עקרונות ביוכימיים וידע תיאורטי אודות איזוטופים יציבים. גישה זו עשויה לעזור לפענח מנגנונים חיוניים באקולוגיה של כדור הארץ – בעבר, בהווה ובעתיד.

 

ד"ר איתי הלוי, מהמחלקה למדעי כדור-הארץ וכוכבי-הלכת של מכון ויצמן למדע, וד"ר בוסוול ווינג מאוניברסיטת מקגיל שבמונטריאל, קנדה, שאפו להסביר תופעה שנצפתה בניסויים מדעים מזה כמעט 60 שנה: חיידקים "נושמי" גופרית מבדילים בין ארבעת האיזוטופים היציבים של גופרית בהתאם לתנאי הגידול שלהם. תוך כדי ה"נשימה" הם קולטים מסביבתם תרכובת מסוימת של גופרית, גפרה (sulfate), ומשתמשים בגופרית שבתרכובת זו כדי להריץ את התגובות המטבוליות שלהם. אך החיידקים מעדיפים גפרה המכילה את האיזוטופים הקלים יותר של גופרית. עקב כך, בסביבתם הקרובה, הם משנים את היחס בין האיזוטופים לטובת האיזוטופים הכבדים יותר. ניסויים מגלים כי ככל שגובר קצב ה"נשימה", כך החיידקים נעשים בררניים פחות ומשפיעים פחות על יחס האיזוטופים. לעומת זאת, השפעתם על יחס זה גוברת כאשר גפרה מצטברת בסביבתם בכמויות גדולות. הבנת דפוסים אלה משמשת לשיחזור התנאים הסביבתיים של העבר על סמך ריכוז האיזוטופים השונים של גופרית בשכבות גיאולוגיות. אך עד עכשיו, לא היה מודל ממצה כדי להסביר ולחזות דפוסים אלה.

 

בדיוק את המודל הזה פיתחו המדענים. לשם כך, הם שילבו בין מידע על תגובות ביוכימיות ועל נתונים סביבתיים השולטים בתהליכים המטבוליים של חיידקים צורכי גפרה, לבין ידע כימי על איזוטופים של גופרית אשר נקלטים על-ידי החיידקים בתוך תרכובות מסוימות, ונפלטים בתרכובות אחרות – בדיוק כפי שקורה כאשר אנחנו נושמים חמצן ונושפים דו-תחמוצת הפחמן. לדברי ד"ר הלוי, הוא ושותפו למחקר השתמשו בעקרונות שעזר לפתח פרופ' רון מילוא, מהמחלקה למדעי הצמח והסביבה של המכון, המתארים את הקשר בין קצב התגובות הביולוגיות לבין היבטם האנרגטי ולאנזימים המעורבים בהם.

 

המודל החדש פותח אפשרויות רבות. אם הוא יקבל אישור מהניסויים הנערכים כעת במספר מעבדות בעולם, אפשר יהיה להשתמש בו להבנת פעילות החיידקים כיום ובעבר הרחוק. המודל עשוי להפוך לכלי בעל ערך רב בחקר ההיסטוריה העתיקה, כיוון שיעזור בהבנת האופן שבו השאירו חיידקים "נושמי" גופרית את חותמם על שכבות סלעים שונות. כמו כן, המודל עשוי להוביל לכיווני מחקר חדשים. "אפשר ליישם את המודל שלנו להבנת הצריכה של יסודות אחרים על-ידי החיידקים", אומר ד"ר הלוי. "למשל, אפשר ליישם אותו כדי להבין את השפעת החיידקים על היחס בין איזוטופים שונים של חנקן – תהליך חשוב במחזור החנקן בכדור-הארץ, או את פעילות החיידקים המייצרים גז מתאן, הגורם לתופעת החממה, שהיא אחד הגורמים בהתחממות הגלובלית".