פחמן היישר מהיצרן

פחמן הוא אחד היסודות החשובים ביותר לחיים בכדור הארץ. הוא יכול ליצור קשרים כימיים עם יסודות אחרים, כמו חמצן, חנקן, מימן ועוד, ולבנות איתם משפחה עצומה של חומרים שנקראים ברובם "תרכובות אורגניות". חומר שעשוי מאטומי פחמן בלבד קרוי "פחמן יסודי". הפחמן היסודי יכול להופיע במבנים סדורים, למשל בגרפיט או יהלום, או בצורה שאינה קבועה ואינה מסודרת (אמורפית), למשל פחם.

בדרך כלל פחמן יסודי נוצר בטבע בטמפרטורה גבוהה ובתנאי לחץ גבוה, בלי שום קשר לתהליכים ביולוגיים. עם זאת, יצורים חיים אכן משתמשים בפחמן שנמצא בתרכובות אורגניות מסוימות ומפרקים אותו לצורכי בנייה ומזון. במחקר, שהתפרסם בכתב העת "Science Advances", הצליחו חוקרים להראות שחומר שחור שהתגלה בקרבת מושבות של יצורים זעירים במעמקי הים הוא אכן פחמן יסודי שהם ייצרו. זוהי הפעם הראשונה שמתועדת מעורבות של יצורים חיים בייצור פחמן יסודי.

בדרך כלל פחמן יסודי נוצר בטבע בטמפרטורה גבוהה ובתנאי לחץ גבוה, בלי שום קשר לתהליכים ביולוגיים. | צילום: Miriam Doerr Martin Frommherz Shutterstock

סביבה קשה ועוינת

היצורים שהתגלו הם חיידקים וארכאות – סוג נוסף של יצורים חד תאיים. הם נמצאו על קרקעית האוקיינוס השקט מול חופי קליפורניה ובשפך נהר הנילוס במזרח הים התיכון. בשני המקרים סביבת המחיה שלהם היא נביעות של מים חמים מעורבים בגזים ממקור געשי, המכונות נביעות הידרותרמיות.

נביעות גז הידרותרמיות הן מקום טוב לחפש בו יצורים יוצאי דופן. הסיבה היא שתנאי הסביבה בנביעות הללו הם קיצוניים וקשים במיוחד. לכן היצורים שהסתגלו לסביבה הקיצונית הזאת, יהיו בהכרח יוצאי דופן. למשל הסביבה הזאת דלה מאוד בחמצן והטמפרטורה בה יכולה להגיע לפעמים עד 400 מעלות צלזיוס. כמו כן, הגזים שנפלטים מהנביעה עשירים בדרך כלל בגופרית.

ליד היצורים החד תאיים הללו היה חומר שחור בלתי מזוהה. כדי להבין מה מקורו של החומר היה על החוקרים לגדל את החיידקים והארכאות בתרבית במעבדה כדי להראות שאכן הם אלה שמייצרים אותו. נמצא שרק כשהחיידקים והארכאות גדלו יחד באותה תרבית, הופיע בה החומר השחור – דבר שעשוי להעיד על שיתוף פעולה בין שני המינים.

כדי להוכיח שהחומר השחור הוא אכן פחמן טהור, ללא חומרים אחרים, בדקו אותו החוקרים במיקרוסקופ אלקטרונים ונעזרו בשיטות דימות ואנליזה כימית. בנוסף, הם עקבו אחרי התגובות הכימיות שלו עם חומרים אחרים. כל הבדיקות האלה שכנעו אותם שמדובר בפחמן בלבד. הוא הוגדר פחמן אמורפי, שכן צורתו אינה ברורה ומסודרת.

תרבית החיידקים והארכיאות תחת מיקרוסקופ. | צילום גונטר וגנר/בנדיקט ברמן MPI

מאין הפחמן מגיע?

רוב התגובות הכימיות שמפיקות פחמן יסודי מתרחשות בתנאי לחץ גבוה וטמפרטורה גבוהה, לרוב מעל 250 מעלות. עם זאת, במעבדה גידלו את החיידקים והארכאות משפך הנילוס ב-20 מעלות בלבד ואת התרביות מחופי קליפורניה ב-50 מעלות, ועדיין הם הצליחו להפיק את הפחמן. נכון לעכשיו לא ברור איך הם עושים את זה, אך מכמה ניסויים שנעשו עולה כי ייתכן שמדובר בתהליך של חמצון מולקולה בשם מתאן.

אחת ההשערות שהעלו החוקרים היא שהחיידקים והארכאות משלבים בתהליך גם מולקולות של פחמן דו-חמצני, ולא רק מתאן, אך עדיין קיימים סימני שאלה רבים בנוגע לתהליך המדויק המתרחש בתוך היצורים החד-תאיים הללו. כמו כן, לא ברור עדיין לאיזה צורך הם משקיעים משאבים בייצור פחמן יסודי? השערת החוקרים היא שהפחמן משמש חומר בניין שמסייע ליצורים שכנים המפיקים תועלת הדדית להיצמד זה לזה. ייתכן גם שהפחמן משמש להגנה מפני רעלים בסביבה הקיצונית שבה הם חיים.

דרוש עדיין מחקר רב כדי לענות על כל השאלות שנותרו פתוחות. מיני החיידקים והארכאות שנמצאו נפוצים למדי במעמקי הים. ייתכן שהתגלית החדשה יכולה ללמד על תפקיד חשוב שהם ממלאים במחזור הפחמן בעולם, ואולי אפילו נוכל להשתמש בה לוויסות האקלים ולפירוק גזי חממה כמו מתאן.