מתי הפכו אצות חד-תאיות למזינות כל-כך – וכיצד השינוי סלל את הדרך לקפיצת מדרגה אבולוציונית
גם יצור זעיר עשוי להותיר חותם אדיר על האבולוציה של החיים בכדור-הארץ – במיוחד אם ערכיו התזונתיים גבוהים. האצות המיקרוסקופיות המאכלסות את פני האוקיינוסים מייצרות כמחצית מכמות החמצן בכדור-הארץ ומהוות את הבסיס של המערכת האקולוגית הימית כולה, אבל מתי ואיך הן הפכו לארוחה מזינה כל-כך? במחקר שפורסם באחרונה, חושפים מדעני מכון ויצמן למדע כיצד שינויים בתכולת חומרי המזון (נוטריינטים) של מיקרו-אצות באוקיינוסים קידמו תהליכים אבולוציוניים משמעותיים בחצי מיליארד השנים האחרונות.
בדומה לצמחים ביבשה, האצות המיקרוסקופיות בים, הידועות גם בשם פיטופלנקטון, מייצרות באמצעות פוטוסינתזה שלל תרכובות כימיות הנחוצות לקיום חיים בכדור-הארץ. מיקרו-אצות אלה הן גם הבסיס למארג המזון הימי: יצורים זעירים בשם זואופלנקטון נהנים מבופה אצות עשיר ומשמשים בתורם ארוחה מזינה ליצורים גדולים מהם, כגון מיני דגים וסרטנאים שונים וכן הלאה. כתוצאה מכך, הנוטריינטים שמכילות האצות מתפשטים לאורכו ולרוחבו של מארג המזון ומזינים את כל צורות החיים הימיות. אך מה משפיע על ההרכב של הנוטריינטים באצות ועל כמותם? התשובה לשאלה זו נותרה עד כה ללא מענה מספק.
פרופ’ איתי הלוי מהמחלקה למדעי כדור-הארץ וכוכבי-הלכת ותלמידת הדוקטורט שלו לשעבר, ד”ר שלומית שרוני, מתמקדים בשנים האחרונות בהיבטים הגאו-פיסיים והגאו-כימיים המשפיעים על הערכים התזונתיים של מיקרו-אצות. במחקר קודם הם הראו כי תכולת הנוטריינטים הממוצעת של האצות תלויה במידה רבה בסוג האצה: ישנם זני אצות שפשוט עשירים יותר בחומרי מזון. אין זו הפתעה מוחלטת, אם כך, שבמקומות שבהם תנאי הסביבה מתאימים לקיומם של זני אצות עשירים בנוטריינטים, מארג המזון כולו יאופיין בערכים תזונתיים גבוהים יותר. “מי הים הקרים והעשירים בנוטריינטים בקרבת אנטארקטיקה מאפשרים לזני פיטופלנקטון מזינים במיוחד לשגשג, בעוד באזורים חמים יותר שולטים זנים מזינים פחות. לפיכך, באזורים שונים, המערכת האקולוגית הימית כולה תהיה עשירה או דלה בנוטריינטים בהתאם לתנאים הסביבתיים”, מסבירה ד”ר שרוני.
במחקר הנוכחי, ביקשו החוקרים לאמוד כיצד השתנו התנאים הסביבתיים המשפיעים על הערכים התזונתיים של האצות, קרי האקלים וריכוז הנוטריינטים במים, במהלך ההיסטוריה של כדור-הארץ, ובפרט במהלך 540 מיליון השנים האחרונות הידועות כפנרוזואיקון – עידן-על גאולוגי שהחל עם הופעת בעלי-החיים הנראים לעין ונמשך עד ימינו. עידן זה מאופיין בטביעת רגל גאולוגית – מאובנים של חיות שנשתמרו בסלעי משקע ומאפשרים לחוקרים לא רק להתחקות אחר תהליכים אבולוציוניים, אלא גם להבין תהליכים אלה בצמוד למדידות ולמודלים גאוכימיים, וכך לשרטט תמונה מלאה של התהליכים שעיצבו את פני השטח של כדור-הארץ.
כדי להשיג את יעדם, פיתח צוות החוקרים מודל חישובי המחבר בין מחזורים ביוגאוכימיים בולטים, ובפרט מחזוריהם של ארבעה יסודות: פחמן, חמצן, חנקן וזרחן. באמצעות המודל יכלו החוקרים להקיש על בסיס אומדנים של תהליכים גאולוגיים – מפעילות געשית ועד לדפוסי משקעים – מה היה קצב המעבר של יסודות אלה מהיבשה והאוויר לאוקיינוס ובחזרה. מעברים אלה, הנקראים גם שטפים, השפיעו על שיעור הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה וכפועל יוצא על האקלים ועל ריכוז נוטריינטים חיוניים, כגון פוספט (תחמוצת זרחן), במי הים. כאשר נתוני האקלים וזמינות הפוספט חושבו באמצעות המודל, יכלו החוקרים להסיק כיצד השתנו לאורך התקופה הערכים התזונתיים של המיקרו-אצות.
בשלב הבא, השוו החוקרים את תחזיות המודל לממצאים שמקורם במאובנים, והצליחו להסביר כמה דפוסים אבולוציוניים חשובים של עידן הפנרוזואיקון. בעוד לפי הנחות בעבר, הערכים התזונתיים של המיקרו-אצות נותרו פחות או יותר קבועים, המודל החדש חשף כי תכולת הנוטריינטים כמעט הוכפלה ב-540 מיליון השנים האחרונות. תחזית זו מתיישבת היטב עם השינויים שחלו בהרכב המיקרו-אצות באוקיינוס – כלומר מעבר מזנים מוקדמים ודלי-נוטריינטים לזנים בני זמננו המתפשטים במהירות ועשירים בחומרי מזון חיוניים. “ניכר כי האיכות של מיקרו-אצות ימיות כמקור מזון עיקרי הלכה וגדלה לאורך העידנים”, אומר פרופ’ הלוי, “ייתכן ששיפור זה באיכות המזון תרמה להתפתחותם של יצורים ימיים גדולים ומורכבים הזקוקים לכמות גדולה יותר של נוטריינטים זמינים”.
בנוסף, החוקרים הצליחו לקשור בין אירועים אבולוציוניים וטקטוניים משמעותיים ובין הצמיחה בכמות הנוטריינטים באצות. עד לפני כ-350 מיליון שנים, פוטוסינתזה התרחשה באוקיינוס באופן כמעט בלעדי. רק בסביבות העת ההיא, התפתחו צמחי היבשה שלקחו על עצמם את הרחבת מפעל הפוטוסינתזה. צמחים, כידוע, מאיצים תהליכים של בליה כימית, שבמהלכם יסודות ממוצים מסלעים ועושים דרכם לים. לפיכך, השתלטות הצמחייה על היבשות הגבירה באופן משמעותי את זרימת הנוטריינטים לאוקיינוס. בנוסף, התפרקות יבשת-העל הפרהיסטורית פנגיאה לפני כ-200 מיליון שנים, הגבירה אף היא זרימה זו. “אירועים אלה בסופו של דבר הגבירו את הזמינות באוקיינוס של פוספט הנמצא באופן טבעי בסלעים ובמינרלים. במקביל, מיקרו-אצות ימיות עברו ככל הנראה תהליכים אבולוציוניים שאפשרו להן לנצל את הזמינות ההולכת וגוברת של פוספט”, מסבירה ד”ר שרוני. כך הפכו האצות למזינות יותר ויכלו לתמוך בהתפתחות המואצת של צורות חיים ימיות אחרות. “החיבור בין אירועים גאולוגיים לתהליכים אבולוציוניים, אפשר לנו לכתוב מחדש את ההיסטוריה הגאולוגית של הנוטריינטים באוקיינוס – והאופן שבו השפיעו על התפתחות צורות חיים ימיות”, מסכם פרופ’ הלוי.
לבד מהיסטוריה מדויקת יותר של החיים על-פני כדור-הארץ, הגישה שפיתחו החוקרים מאפשרת להבין טוב יותר כיצד החיים באוקיינוס מושפעים כיום משינוי האקלים. ההתחממות הגלובלית וזיהום מי הים בשפכים תעשייתיים וחקלאיים עשויים בהחלט לשנות את זמינות הנוטריינטים באוקיינוס. השינוי צפוי להשפיע על הערכים התזונתיים של האצות, ולפיכך על המערכת האקולוגית הימית כולה.
עוד בנושא באתר הידען:
