שעונים ביולוגיים אסטרונומיים

כיצד ינהגו השעונים האסטרונומיים לו היו יצורים בכוכבי לכת אחרים, באורך יממה שונה למשל בטיטאן בו משך היממה רק 16 שעות

תופעה מוכרת בעולם החי היא הקשר בין פעילותם או אי פעילותם לבין אור השמש. ישנם בעלי חיים הפעילים בשעות היום ומנגד ישנם בעלי חיים הפעילים בשעות הלילה. תופעות דומות של תגובות לאור ולחושך קיימות גם בעולם הצומח. אם נתרגם תופעה זו למונחים אסטרונומיים, הרי שסיבוב כדור הארץ סביב צירו הוא שמכתיב את התנהגות החי והצומח באשר לחלק ממועדי הפעילות הרצויה. האם שעות מועדי פעילות אלה הם תוצאה לתהליכים אבולוציוניים או שמא תוצאה להתאמות סביבתיות? קשה לדעת. שאלה שמזכירה מה בא קודם, הביצה או התרנגולת.

כאשר בוחנים את שאלת קיומם של חיים מחוץ לכדור הארץ, יש להתייחס גם לתופעה זו. זאת מהסיבה שכוכבי לכת בכל מקום ביקום סובבים סביב צירם וסובבים סביב שמשות. גם אם נתייחס לירחים של כוכבי לכת, נושא זה עדין תקף. אמנם ירחים אלה מראים רק צד אחד מפניהם לכוכבי הלכת, אך זהו מצב בו אורך היממה שלהם שווה לזמן הקפתם את כוכבי הלכת ולפיכך ישנם פרקי זמן בהם פני השטח מוארים על ידי השמש וישנם פרקי זמן בהם פני השטח חשוכים, משך היממה מותנה במהירות סיבוב הצירית של כוכבי הלכת והירחים. על כדור הארץ מוכרים שלושה שעונים ביולוגיים אסטרונומיים המוגדרים באורך המחזור שלהם. שעון אחד הוא המחזור הקצר והבסיסי – זהו הזמן בו כוכב הלכת נע סביב צירו – היממה, המחזור הבינוני – זהו הזמן בו כוכב הלכת מקיף את השמש – השנה והמחזור הארוך – זהו הזמן בו הכוכב מקיף את השמש מספר שנים – זהו המחזור הרב שנתי.

המחזור הקצר

מחזור זה הוא המחזור הדומיננטי אצל בעלי חיים וצמחים. אצל בעלי חיים מכיון שבתנועתם ובחיפושיהם אחר מקורות מזון, הם מתבססים בעיקר על חוש הראיה. חושים אחרים כמו חוש השמיעה וחוש הריח, תורמים אמנם בצורה משמעותית לצרכים אלה, אך בלעדי חוש הראיה הם היו מתקשים בתפקודם. ציפורים למשל במסעות נדודיהן עפות במהירויות גבוהות והן חייבות להסתמך על האור ולכן הן פעילות ביום. בלילה הראיה מוגבלת ולפעמים גם בלתי אפשרית. בעלי חיים טורפים במרדפם אחרי מקורות מזון משתמשים בעיניהם כדי לתור אחר מזון זמין. הם חייבים לכוון את עצמם היטב לעבר קורבנם ובאותה מידה חייבים לכוון את הסתערותם על הטרף, כדי שיוכלו לנעוץ את ניביהם בצווארן של החיות הנטרפות. בלי אור היום הם היו מתקשים בכך.

בעולם הצומח התהליכים הפוטוסינטטיים מתרחשים רק בשעות היום, ומגיבים בצורות שונות לאור ולחושך. “ישנם צמחים המקפלים את עליהם לקראת הלילה באותה שעה מדי ערב בערב… צמחים רבים מנצלים את שעוניהם לפתיחת פרחיהם וסגירתם בזמנים קבועים מדי יום”. באשר לגדילה, הרי שזו מקבלת אפיונים מסויימים לשעות הלילה. “הצמחים גדלים בצורות שונות בחושך ובאור. תגובה צפויה לחושך היא התנוונת הדרגתית בשל חוסר המשאבים הנוצרים בפוטוסינתזה”. הפעילות בשעות היום יכולה לנבוע גם מסיבות אחרות. זוחלים למשל הם בעלי דם קר ואין בגופם מנגנונים המסוגלים לווסת את חום גופם. בשעות הלילה גופם מצטנן והם נעשים רדומים. נוח יהיה להם יותר על כן לפעול בשעות היום כשחם בבית הגידול שלהם .(Habitat)

אפשרות אחרת היא העתקת הפעילות לשעות החשכה, מכיון שאור היום הוא גורם מפריע. דפוס התנהגות זה אפשר למצוא אצל דו-חיים כמו צפרדעים, קרפדות וטריטונים. בשעות היום, הלחות יורדת ועורם של בעלי חיים מתייבש. בכדי להמנע מכך הם מסתתרים בשעות היום ורק בשעות הלילה, כאשר האויר מתקרר ונעשה לח יותר הם מלקטים את מזונם.

סוג מיוחד של פעילות לילית קשור לירח. כאשר הירח הוא במופע מלא פעולתם של דגים מליחים וצלופחים גדולה יותר עם הצטמצמות המופע של הירח מצטמצמת גם פעולתם. דפוס התנהגות אחר הקשור למלאותו של הירח נוגע לרבייתם של בעלי חיים: מוצאים אותו בקו המשווה. בתחום גיאוגרפי זה אורך היום שווה לאורך הלילה כמעט לאורך כל השנה. מופעי הירח הם בעלי החשיבות הבלבדית לקביעת מועדי ההתרבות. השחפיות השחורות מאיי אסונסיון הטרופיים שבות מדי שנה בשנה בחודש העשירי בלוח השנה הירחי, לאיים אלה כדי להקים את קיניהן.

מחזור הזמן הבינוני

מחזור זה הוא בעל משמעות רבה בעולם החי מאחר שעל פיו נקבע במקרים רבים מועד ההזדווגות. למחזור זה קשר לנטיית ציר כדור הארץ למישור המלקה. כתוצאה מנטייה זו השנה מתחלקת לשניים. בחלק אחד הימים הולכים ומתארכים והלילות הולכים ומתקצרים בחצי הכדור הצפוני, ובחצי הכדור הדרומי הימים הולכים ומתקצרים והלילות הולכים ומתארכים. במחצית שנה זו קיץ בחצי הכדור הצפוני וחורף בחצי הכדור הדרומי. בחלק השנה השני בחצי הכדור הצפוני הימים הולכים ומתקצרים. במחצית שנה זו חורף בחצי הכדור הצפוני וקיץ בחצי הכדור הדרומי.

לשינויים אלה במספר שעות היום השפעה קרדינלית על התנהגותם של יונקים. בקרב קבוצת בעלי חיים זו בלוטת האצטרובל שבמוח משחררת, סרטונין ובלילה הסרטונין מומר למלאטונין המשתלב בתוך זרם הדם.

בכך מושגים מספר דברים:
.1 פיקוח על השעון הביולוגי – המלטונין שומר על מחזורי שינה ועירות.
.2 עם התארכות הלילה מוגבר קצב ייצור ההורמונים המשנים את התאבון וקצב חילוף החומרים .ישנם בעלי חיים המאיטים את פעילותם עם התארכות הלילה. אצל דובים, סנאים וגיריות עם הגעת החורף קצב פעימות הלב והנשימה מואטים.
.3 השינויים באורך היום (אורך היום משפיע על יצור הורמוני המין) קובעים את מועד ההזדווגות – וולדות חייבים בכמות גדולה של מזון בכדי להבטיח את התפתחותם ואת השרדותם. הן ברמת הפרט והן ברמת המין .(Species) בעל חיים גדול חייב בכמויות מזון גדולות ובעל חיים קטן חייב בכמויות מזון קטנות יותר. בכל מקרה הלידה מתרחשת באביב כשהצמיחה היא בשיאה וחרקים מצויים בכמות גדולה מאוד. ככל שבעל החיים גדול יותר, מועד ההזדווגות מתבצע קרוב יותר לתחילת החורף – כשהימים הולכים ומתקצרים ואילו אצל בעלי חיים קטנים, מועד ההזדווגות מתרחש במועד מאוחר יותר בחורף, עם התארכות שעות היום.

אצל צמחים מספר שעות היום משפיע על עשיית פקעות ועל השרת עלים. בעונות השנה השונות צמחים רבים הפורחים באביב, רגישים ללילות ההולכים ומתקצרים (אלה צמחי יום ארוך). צמחים אחרים הפורחים בסתיו, הם “במקרים רבים צמחים הפורחים בעקבות האות ההתפתחותי של לילות הולכים ומתארכים (אלה צמחי יום קצר)”. צמחי יום ארוך הם למשל ציפורנים, צנוניות, מרגניות ותלתן וצמחי יום קצר הם למשל חרציות, תירס ושיחי קפה. ראוי עם זאת לציין שישנם צמחים שמספר שעות היום אינו משמעותי מבחינתם כמו חמניות, עגבניות ותפוחי אדמה.
עצים אינם מסוגלים לקלוט מים באותו קצב שאלה מתנדפים ובכדי לא לאבד מים יקרים אלה הנשירה נעשית בסתיו. האות למועד התחילתה של הנשירה הוא התקצרות שעות היום.

מחזור הזמן הארוך

מחזור זה משתרע על מספר שנים. כל תופעה מסויימת חוזרת על עצמה אחת למספר שנים. אצל ציקאדות למשל מספר השנים העובר בין הטלת הביצה להתפתחות הבוגר השלם הוא 13או 17שנים. צמחי הבמבוק של הרי ההימלאיה פורחים אחת ל- 50שנה. מה שמייחד צמחים אלה הוא שגם אם יגדלו אותם במקומות בעלי מאפיינים טופוגרפיים ואקלימיים
שונים הפריחה שלהם תהיה עדיין אחת ל- 50שנה. בכל מקום בו הם נשתלים הם מפרקים כמות גדולה מאוד של זרעים. תהליך זה לא מובן עדין. מכל מקום מה שברור הוא שקיים איזה שהוא מכניזם המבצע את ספירת השנים. מכיון שהתהליך הוא אותו דבר במקומות שונים, ברור שאין מדובר בתופעה מקומית מחזורית אלא באיזו שהיא מחזוריות אוניברסלית הנצפית באחד מ”חושיו” של הבמבוק. מנגנון ספירה קיים כנראה גם אצל הציקאדות. כאן המדידה יותר מורכבת מכיון שמדובר באחד משני מחזורים הנתונים ל”בחירתה” של הציקאדה.

נגזרות ביו-אסטרונומיות

אבחון זה של השעון האסטרונומי נותן בידינו כלי שבעזרתו אפשר לנסות לבנות צפי באשר לשעונים ביולוגיים על פני כוכבים שונים. מתוך הכרותנו את מערכת השמש בה אנו חיים, אנו יודעים שישנם כוכבי לכת וירחים שהיממה שלהם ארוכה מאוד, או ארוכה יותר מיממת כדור הארץ, או קצרה מאוד – קצרה יותר מיממת כדור הארץ. כוכב הלכת היחידי שאורך היממה שלו כמעט זהה לזה של כדור הארץ הוא המאדים. אורך היממה של קליסטו הוא 16יממות ארציים, ושל טריטון הוא 5.8ימים. לכן ככל שהיממה ארוכה יותר הרי לבעלי החיים יש יותר שעות פעילות ולצמחים יש יותר שעות פוטוסינתזה. אם נקבל כהנחה שגם על כוכבים אחרים יש מגוון רחב של בעלי חיים וכי קיימים בעלי חיים טורפים ובעלי חיים צמחוניים, הרי שלרשותם של בעלי החיים הטורפים יעמדו יותר שעות פעילות לאורך היום, בהם יוכלו לחפש את טרפם וביממה קצרה יעמדו לרשותם פחות שעות. יכול להיות שלכך תהיה השפעה גם על מהירות הריצה שלהם. אם היממה ארוכה יותר יוכלו להאיט את קצב ריצתם, שהרי עומד לרשותם זמן רב. אם היממה קצרה יותר יצטרכו להיות מהירים יותר. זה תלוי כמובן במידת הזמן שעוברת מהרגע בו הם חשים שבעים עד לרגע בו הרעב מתעורר שוב. יש להביא בחשבון ש”שעון השובע” שלהם גם הוא מותאם לאורך היממה. גורם חשוב שיש להביא בחשבון הוא יממה ארוכה במיוחד. אם היממה היא כמו על טריטון למשל, קשה להאמין שבעל חיים יחזיק זמן רב במונחים ארציים בלי לאכול. במקרים אלה צריך להביא בחשבון שבעל החיים במהלך האבולוציה שלו חידד חושים אחרים כדי שיוכל לצוד גם בלילה, כמו ראיה אינפרא אדומה (במאמר מוסגר ראוי לציין שדבורים רואות גם באולטרה סגול) טווח שמיעה גדול יותר וחוש ריח מפותח.

על פני כדור הארץ זוחלים הם בעלי דם קר, בשעות הלילה הם כמעט חסרי פעילות מכיון שאין הם מסוגלים לחמם את גופם. יש לשער שזוחלים על פני כוכבים בעלי יממה שווה או קצרה מזו של יממת הארץ, התנהגותם תהיה דומה. לעומת זאת בכוכבים בעלי יממה ארוכה ספק אם הם יוכלו להתקיים לאורך זמן ללא תנועה. האפשרויות הן שתיים, או שעל כוכבים אלה לא יהיו זוחלים בכלל או שהם יהיו בעלי דם חם. דו-חיים לעומת זוחלים אינם פעילים ביום בשל הפוטנציאל להתייבשות מהירה של עורם, מה שיביא למותם. מסיבה זו בכוכבים בעלי יממה שווה או קצרה לזאת של כדור הארץ התנהגותם תהיה דומה לדו-חיים ארציים בכוכבים בעלי יממה ארוכה. ספק אם הם יוכלו לשרוד זמן רב ללא פעילות. האפשרויות הן אם כן שתיים, או שעל כוכבים אלה לא יהיו דו-חיים בכלל או שהלחות בכוכבים אלה תהייה גבוהה דיה כדי שיוכלו לפעול גם בשעות היום.

באשר לציפורים הרי שביממה ארוכה מאוד עומדות לרשותן יותר שעות יום למעופן, אך האם תנצלנה את כל שעות היום הארוך? האם ציפורים יכולות לעוף, למשל עשרות ואולי מאות שעות ללא הפסק? הן תזדקקנה לשעות מנוחה, כדי לצבור כוח ולהמשיך במעופן. האם תפסקנה לעוף משעה שתרגשנה עייפות או שתפתחנה שעון פנימי שיורה להן מתי לנוח בשעות היום?

כפי שראינו השעון הביולוגי יכול להיות מותנה בקיומו של ירח. אם לכוכב לכת למשל אין שום ירחים, לא יתפתח אצל בעלי החיים שום שעון ירחי. יכול להיות שלאותו כוכב לכת מספר ירחים ואז יכולים להתקיים זה ליד זה בעלי חיים המתנהגים על פי שעונים ירחיים שונים. כאשר שעונים אלה מותנים במידת מלאותם של הירחים ואו בצבע האור המוחזר מהם.

באשר לצמחים, השאלה המתעוררת היא אופן התנהגותם בכוכבים אשר להם יממות ארוכות ומספר השעות שהם ללא פוטוסינטזה הוא ארוך והם עלולים להתנוון. האם שעות הפוטוסינטזה הרבות שהם זוכים להם ביום מספיקים להם, כדי לעבור את הלילה הארוך או שהם פיתחו מקורות אנרגיה נוספים המופעלים בשעות החשכה? שאלה אחרת היא עד כמה לילה ארוך ישפיע על אפיוני הצמיחה, ובאם אפיונים אלה אכן קיימים, האם הם פועלים בשעות מסויימות של הלילה?

התארכות היום והתקצרות הלילה הם תוצאה לנטיית ציר כדור הארץ. עקרון זה נכון לכל כוכב לכת ולכל ירח באשר הם. הדוגמה הבולטת המוכרת היא מאדים. רוב כוכבי הלכת נטויים גם כן. מה שמאפיין את המאדים הוא שזווית הנטיה שלו זהה לזאת של כדור הארץ ולכן התארכות היום והתקצרות הלילה הם אקוויוולנטיים לאלה המתרחשים על כדור הארץ. ההבדל היחידי בין שני כוכבי הלכת לענין זה הוא אורך המחזור הבינוני. מכיון שהמאדים מרוחק יותר מהשמש, השנה שלו היא ארוכה יותר. מכיון שאורך השנה שלו הוא 687יום לעומת 365יום של יצור הארץ, עונות השנה שלו ארוכות יותר פי .2באם קיים כוכב לכת במקום אחר ביקום, בסדר גודל של המאדים, אך עם אטמוספירה דומה לזאת של כדור הארץ ובמידה ויש עליו חיים כפי שאנו מכירים, הרי שגם בקרב בעלי החיים אלה יתרחשו אותם שינויים מטבוליים, עם חילופי העונות, המלטונין ישמור גם פה על מחזורי השינה והעירות. השאלה המתבקשת כאן היא באם האטת קצב הפעילות בחורף תהיה גם כן למשך זמן כה ארוך. מכיון שהשנה היא ארוכה יותר, יש להניח שלאורך השנה יש השפעה גם על מועד ההזדווגות.

בשנה כה ארוכה האם משך ההריון יהיה גם הוא קשור לאורך החורף, בהתייחס לגודלם של בעלי החיים או שמא גם כאן לאורך עונת החורף יהיה קשר לכך? כלומר, מכיון שהחורף מאוד ארוך, יתכן ומועד ההזדווגות גם אצל בעלי חיים גדולים יהיה קרוב יותר, עם התארכות שעות היום.

מדברים אלה מתבקשת המסקנה שקיומן או אי קיומן של עונות שנה תלוי בזווית הנטיה של כוכב הלכת או הירח. אם ציר הסיבוב של הכוכב ו/או הירח ניצב או כמעט ניצב למישור התנועה, הרי שאין למעשה שום עונות שנה. במצב זה גם מספר שעות היום כמספר שעות הלילה לא משתנה לכל אורך השנה ולא תהיה שום האטה בקצב הפעילות.

באשר למועדי ההזדווגות, בעלי החיים יפתחו שעונים ביולוגיים אחרים. אם ציר הסיבוב של הכוכב כן נטוי, אזי מתבקשת המסקנה שככל שהציר נטוי בזווית גדולה יותר עם כניסת הקיץ מספר שעות היום ילך ויגדל ועם כניסת החורף מספר שעות היום ילך ויקטן. אם ניקח שני כוכבי לכת דומים בגודלם, אך אם זווית נטיה שונות, אחד עם זווית נטיה של 23.5(כמו כדור הארץ והמאדים) ואחד עם זווית נטיה של ,50הרי שזה בעל הזווית הנטיה הגדולה, מספר שעות האור שלו יהיה גדול יותר מאשר זה בעל זווית הנטיה הקטנה יותר. לכך תהיינה השפעות מרחיקות לכת יותר על השעון הביולוגי ועל כל המשתמע מכך. מקרה מיוחד הוא של כוכבי לכת שזווית הנטיה שלהם היא 90כמו במקרה של אורנוס ופלוטון במקרה זה היממה של הכוכב שווה לשנה שלו. אזורי הקטבים יהיו מוארים וחשוכים במחזוריות שנתית ואזור קו המשווה יהיה מואר כל השנה, אם כי יהיה זה אור חלש מאוד, מה שהוא דומה לאור דמדומים. לגבי קו המשווה לשעונים הביולוגיים האסטרונומיים לא תהיה שום משמעות, אך לגבי שאר האזורים בפרט הקטבים תהיה לכך משמעות רבה. מכיון שהיממה מתלכדת עם השנה, השעונים הביולוגיים יקבלו מופעים שונים ממה שמוכר לנו, על כדור הארץ.

באשר לצמחיה בכוכבי לכת נטויים אפשר בהחלט להתייחס לקיומם של צמחי יום קצר ולצמחי יום ארוך, שהרי אם כוכב הלכת או הירח נטויים השנה שלהם מתחלקת גם כן לשניים, לתקופה בה הימים הולכים ומתארכים ולתקופה בה הימים הולכים ומתקצרים, תלוי כמובן באיזה חצי כדור מדובר הצפוני או הדרומי. כוכבי לכת וירחים שאין להם זווית נטיה לא תהיה בהם אבחנה זו של צמחיה הזאת מהסיבה שמספר שעות היום שווה למספר שעות הלילה. מכיון שהאקלים הוא אותו אקלים לאורך כל השנה, הם יצטרכו לפתח שעונים ביולוגיים יחודיים שיסווגו את מועד נשירת העלים באשר למחזור הזמן הארוך. בשל נדירותה של התופעה על כדור הארץ (אקלים קבוע) כדור הארץ מתקיים רק באזור קו המשווה), קשה לדעת באם היא יכולה להיות שכיחה או נדירה גם כן על כוכבי לכת אחרים וירחים נושאי חיים. מכל מקום מה שכן אפשר לומר שאם שנת הכוכב היא שוות ערך למשל ל- 5שנים ארציות, הרי שמדובר במחזורים ארוכים במיוחד.

סיכום

בחינתו של השעון הביולוגי מראה כי הוא בעל חשיבות רבה ביותר באשר לקיומם של חיים על כדור הארץ, וכפועל יוצא גם על כוכבים אחרים. השפעתו מורגשת בהתנהגותם של בעלי חיים, בדרך בה מופעלים חושיהם בעקבות שינויים במספר שעות היום ובמספר שעות הלילה, במטבוליזם ובבקרה הורמונלית שלהם. באותה מידה השעון הביולוגי משאיר את חותמו גם על הצומח. אפשר להרגיש בו במנגנונים הפוטוסינטזים בדרכי הצמיחה ובמועדי הנשירה של העלים.

מורכבות זו של הקשר בין השעונים הביולוגיים למערכים אסטרונומים של כוכבים לבין שאורחות החיים יכולה להבדק בצורה אפקטיבית בעזרת סימולציות מחשב.

הערות

.1 ג'ון דאונר – עולם החושים התפישה החושית בעולם החי, הוצאת
מודן, ,1991עמ' .124
.2 זקס צבי – משמעות הצורה בצמחים, אוניברסיטה משודרת, משרד
הביטחון, ,1989עמ' .33
.3 ג'ון דאונר – שם, עמ' .202
.4 שם, עמ' .136
.5 שם, עמ' .137
.6 שם, עמ' .132
.7 שם, עמ' .133

.8 זקס צבי – שם, עמ' .35
.9 ג'ון דאונר – שם, עמ' .128
.10 שם, עמ' .129
.11 שם, שם.
.12 שם, עמ' .140
.13 זקס צבי – שם, עמ' .37
.14 מזר חיים – “מחזורי יום ולילה במערכת השמש”. כל כוכבי אור
1988 5-6עמ' .194-198
.15 שם, שם.