קפסולות הזמן של הים

פחמן הוא יסוד החיים – אבן הבניין של כל יצור חי, מהחלבונים והסוכרים ועד השומנים ול-DNA. אל מי האוקיינוסים משתחרר פחמן באופן תדיר: מיצורים חיים המבצעים פוטוסינתזה – בתהליך שבו פחמן דו-חמצני נקלט ומיוצרת תרכובת פחמן אורגני, שהיא תרכובת הבנויה מפחמן הקשור למימן ולעיתים ליסודות נוספים – וגם מיצורים אחרים שמתפרקים לאחר מותם ומשאירים את שייריהם במים.

מחקר חדש שהתפרסם בכתב העת Nature, בהובלת החוקר הישראלי ניר גלילי, מגלה כי פחמן אורגני מומס (DOC) עשוי להישמר במשך מיליארדי שנים במעין “קפסולות זמן” טבעיות. הפחמן נקשר למינרלים המכילים ברזל ומוטמע בתוך סלעי האוקיינוסים. באופן זה, הופכים סלעי האוקיינוס, שנוצרו בקרקעית הים, לארכיון טבעי של תהליכים ביולוגיים שהשתמר במשך יותר ממיליארד שנים.

בעבר, לא הצליחו לבודד ולמדוד במדויק את ערכו של הפחמן האורגני המומס, אולם במחקר הנוכחי פיתחו החוקרים שיטה חדשה לשחזור רמות הפחמן האורגני. הגופים שבהם השתמר הפחמן האורגני המומס נקראים אואוידים (ooids) – כדורי ברזל מיקרוסקופיים הנוצרים במים רדודים וכולאים בתוכם פחמן אורגני. עם הזמן הפחמן האורגני מתפרק, אך היחס בין האיזוטופים השונים של הפחמן נשמר גם לאחר שנים רבות, ומשמש סמן לכמות המקורית.

פיתוח שיטת המדידה לא היה פשוט: החוקרים נאלצו לזהות ולבודד גרגרי ברזל זעירים במיוחד שגודלם עד שני מילימטרים, מתוך שכבות סלע עתיקות, ולאחר מכן למדוד ברגישות גבוהה מאוד את האיזוטופים של הפחמן הכלוא בהם. כל כדור ברזל מכיל “טביעת אצבע איזוטופית” המאפשרת לשחזר את מצב האוקיינוסים לפני יותר ממיליארד שנים.

הסיפור של הים

מאחר שהמחקר בחן תקופות קדומות במיוחד, הדגימות לא נאספו מספינות מחקר בלב ים, אלא מסלעי משקע עתיקים ברחבי העולם, שנחשפו על פני היבשה לאחר תהליכים הקשורים בתנועת הלוחות המרכיבים את קרום כדור הארץ ותהליכי שחיקה. מאחר שכל דגימה מייצגת את התקופה הגיאולוגית שבה נוצרה, שילוב המדידות אפשר להרכיב לראשונה תמונה מקיפה של השינויים ברמות הפחמן לאורך יותר מ-1.5 מיליארדי שנים.

החוקרים גילו כי ריכוזי הפחמן האורגני המומס באוקיינוסים השתנו במידה ניכרת לאורך ההיסטוריה של כדור הארץ. הממצאים תואמים את הידע הקיים על האבולוציה של החיים ומשקפים את השפעתם. לפני כ-1.6-1 מיליארד שנים, בתור הפלאופרוטרוזואיקון (פלאו=עתיק, פרוטרוזואיק=חיים מוקדמים), התקיימו בעיקר יצורים חד-תאיים קטנים. בתקופה זו רמות הפחמן האורגני המומס היו גבוהות ויציבות יחסית. פעילותם של האורגניזמים החד-תאיים הביאה לשחרור של הפחמן למים, והאוקיינוסים העמוקים והדלים בחמצן אפשרו לפחמן להשתמר  – מאחר שהיעדר החמצן מנע את פירוקו.

לאחר מכן, לפני כ-1-0.54 מיליארד שנה בתור הניאופרוטרוזואיקון (ניאו=חדש, פרוטרוזואיק=חיים מוקדמים), נראית ירידה חדה – של 90 עד 99 אחוז – בכמות הפחמן האורגני המומס. רמת החמצן במים נותרה דומה לזו שנצפתה קודם, אך נראה שהתאים הפרימיטיביים שהתפתחו ליצורים מורכבים יותר השפיעו במידה ניכרת על רמת הפחמן האורגני במים. ככל הנראה, בתקופה זו הצטבר יותר פחמן בקרקעית ושקע בשכבות הסלע, ולכן  רק כמות זעירה נותרה מומסת במים.

לבסוף, בתור הקמבריון – לפני כ-540 מיליון שנה – חלה עלייה מחודשת בריכוזי הפחמן האורגני המומס, במקביל להופעתם של יצורים מורכבים ומגוונים יותר שהשפיעו על הפצת הפחמן והחמצן באוקיינוסים כאחד. יותר אורגניזמים ביצעו פוטוסינתזה, ולכן כמות החמצן עלתה, ועם ריבוי היצורים החיים נוצרו כמויות גדולות יותר של פחמן אורגני. בשלב זה הפך האוקיינוס לעשיר בחמצן, אך גם כמות הפחמן האורגני המומס עלתה בצורה ניכרת, מה שייצב את רמתו במים.

הבנת מחזורי הפחמן האורגני המומס חיונית לא רק ללימוד התהליכים הביולוגיים הקדומים של כדור הארץ, אלא גם להבנת מחזור הפחמן הגלובלי כולו. מרכיב זה מהווה מאגר עצום, שלעיתים קרובות נותר מוזנח בהשוואה למחזורי הפחמן הנחקרים בכדור הארץ, אף שכמותו דומה לזו של הפחמן הדו-חמצני המצוי באטמוספרה. למעשה, שינויים משמעותיים ברמת הפחמן באוקיינוסים עלולים לחולל תגובות שרשרת המשפיעות הן על המגוון הביולוגי והן על האקלים, המושפע ישירות מהתהליכים המתקיימים באוקיינוסים.