שחזור של סביבת המחיה שהייתה בכדור הארץ הקדום חיזק את ההנחה שכמות החמצן באטמוספרה הושפעה בין השאר מאורך היממה, שהיה אז קצר יותר

החמצן המצוי כיום באטמוספרה של עולמנו נוצר בתהליך הפוטוסינתזה – שבו צמחים, אצות וחיידקים כחוליים נעזרים באור השמש כדי לבנות סוכר מפחמן דו-חמצני וממים. תוצר הלוואי של התהליך הזה הוא חמצן. היצורים הראשונים שפלטו חמצן היו החיידקים הכחוליים, שהחלו בכך לפני יותר מ-2.5 מיליארדי שנים. זמן קצר לאחר מכן החל ריכוז החמצן באטמוספרה לטפס, במה שמכונה מהפכת החמצן, אולם נדרשו לו כמעט שני מיליארד שנה להגיע פחות או יותר לריכוזו הנוכחי. המדע עדיין מתקשה להסביר מדוע קצב הצטברות החמצן באטמוספרה היה איטי כל כך, אך ייתכן שמחקר חדש פותר חלק מהתעלומה.

המחקר, שהתפרסם בכתב העת Nature Geoscience, בחן את היקף ייצור החמצן בסביבת מחיה שהתנאים בה דומים כנראה לאלה ששררו בכדור הארץ הצעיר. הוא מצא קשר מפתיע בין האטת קצב הסיבוב של כדור הארץ, שמכתיב את אורך היממה, לעליית ריכוז החמצן באוויר במשך השנים. כאן גם המקום לציין שכיום אנחנו רגילים ליממה של 24 שעות, אך קצב הסיבוב של כדור הארץ סביב עצמו האט מאוד מאז שנוצר ועד היום. משערים כי לפני כארבעה מיליארדי שנים הסיבוב היה מהיר עד כדי כך שכל יממה נמשכה כשש שעות בלבד.

שריד מימי קדם

לחלק משמעותי מתהליכי הפוטוסינתזה שהתרחשו בעבר הרחוק של כדור הארץ, ולכן גם חלק משמעותי מהחמצן שנוצר אז, הייתה אחראית מערכת אקולוגית קדומה המכונה מרבדי חיידקים. עד להופעת בעלי החיים הרב-תאיים לפני כ-600 מיליון שנה, לא היה דבר שהפריע לחיידקים לכסות בקרום צפוף שטחים נרחבים מקרקעית האוקיינוס. בקרום החי הזה חיו יחד מינים נפרדים של חיידקים שניהלו יחסי גומלין מורכבים. ביניהם היו אלה שייצרו סוכר באופן עצמאי ולכן מכנים אותם "יצרנים ראשוניים", ואחרים שניזונו מהתוצרים האורגניים של היצרנים הללו ומכאן נובעת ההתייחסות אליהם כ"צרכנים".

החמצן באטמוספרה נוצר בין היתר בתהליך פוטוסינתזה של חיידקים כחוליים החיים במים. אגם יורון | צילום: pavels, Shutterstock
החמצן באטמוספרה נוצר בין היתר בתהליך פוטוסינתזה של חיידקים כחוליים החיים במים. אגם יורון | צילום: pavels, Shutterstock

מרבדי החיידקים כמעט ונעלמו מהאוקיינוסים עם הופעת בעלי החיים הרב-תאיים הראשונים, שניזונו מהמרבדים הללו. לשם כך הם נברו בקרקעית, פעולה שפגעה במבנה השכבתי העדין שלה הנחוץ להתפתחות מושבות החיידקים. כיום נותרו בעולמנו מרבדי חיידקים בעיקר בסביבות מחיה קיצוניות שאינן מאפשרות לבעלי חיים להתקיים.

אחד האתרים שבהם אפשר עדיין למצוא מרבדי חיידקים הוא בבולען השוכן בקרקעית אגם יורון בצפון אמריקה. הבולען מתאפיין בחדירה איטית של מי תהום דלי חמצן. תנאי הסביבה הייחודית שהתפתחה בו דומים כנראה לאלה ששררו בכדור הארץ הצעיר לפני החמצון הגדול, ולכן הוא הפך כר פורה למחקרים המבקשים ללמוד על התהליכים הכימיים שעיצבו את כוכב הלכת הקדום. מרבד החיידקים בבולען מורכב בעיקר משני סוגי חיידקים: חיידקים כחוליים המפיקים אנרגיה מאור השמש, וחיידקים מחמצני-גופרית המפיקים אנרגיה משחרור האלקטרונים בתרכובות גופרית.

החוקרים שבחנו את מרבד החיידקים בבולען זיהו בו תופעה מעניינת. כדי לשרוד, שני מיני החיידקים מבצעים מעין ריקוד יומי קבוע: בשעות החשכה החיידקים מחמצני הגופרית עולים אל פני המרבד, מעל לחיידקים הכחוליים, כנראה כדי ליהנות מגישה נוחה לתרכובות הגופרית המומסות במים. כשהשמש זורחת החיידקים הכחוליים עולים לכיוון האור, ומחמצני הגופרית חוזרים לתחתית המרבד.

אולם החיידקים הכחוליים לא מתחילים את הפוטוסינתזה מיד, אלא מתברר שדרושות להם כמה שעות מהזריחה ועד שיתחילו להפיק סוכרים וחמצן. זה הזמן שנחוץ להם כדי להגיע אל פני המרבד החשופים לאור ולייצר את החלבונים הנחוצים לתהליך. כך שרק בחלק משעות היום המוארות הם עושים פוטוסינתזה בפועל. מהתצפית הזאת עלתה ההשערה כי לשינויים שחלו באורך היום במשך שנות קיומו של כדור הארץ הייתה השפעה מכרעת על היקף הפוטוסינתזה ועל כמות החמצן הכוללת שנוצרה בה.

על פי ההשערה, אם אכן מרבדי החיידקים הקדומים פעלו ברובם באופן דומה לזה שבאגם יורון, היקף פליטת החמצן שלהם לא היה תלוי בהכרח רק בסך שעות האור היומי, אלא גם ברציפותן. לדוגמה במהלך מחזור יומי של 24 שעות שלאורך מחציתן השמש זורחת, ייפלט יותר חמצן מאשר בשני מחזורים דומים של 12 שעות. לפיכך, ככל שמשך היום בכדור הארץ התארך, כך עלה קצב הצטברות החמצן באטמוספרה, והחיידקים בזבזו נתח יחסי קטן יותר של שעות אור על ההכנות לפוטוסינתזה.

כדי לבחון את ההשערה גידלו החוקרים מרבדי חיידקים דומים במעבדה, חשפו אותם למחזורי אור בכמה אורכים ומדדו את כמות החמצן שהצטברה במים שמעליהם. הם מצאו כי במחזורים הקצרים מ-12 שעות לא נמדדה שום עלייה בריכוז החמצן. בימים של 16 שעות כבר החל להצטבר חמצן, אך כמותו גדלה כפליים בימים של 21 שעות, ופי שלושה ביממות של 24 שעות.

מרבד חיידקים בבולען בקרקעית אגם יורון | צילום: Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary
תנאי הסביבה באגם דומים כנראה לאלה ששררו בכדור הארץ הצעיר. מרבד חיידקים בבולען בקרקעית אגם יורון | צילום: Phil Hartmeyer, NOAA Thunder Bay National Marine Sanctuary

האטה הדרגתית בקצב הסיבוב 

שחזור השינויים שחלו עם הזמן באורך היממה הוא משימה מורכבת למדי, שכוללת אי-ודאויות רבות. אחד השחזורים המקובלים ביותר קובע שהיממה התארכה בהדרגה מכשש שעות בלבד לפני כארבעה מיליארד שנים לקרוב לעשרים שעות לפני 2.4 מיליארד שנים. לאחר מכן התהליך נבלם למשך כמיליארד שנה, אולי בגלל שינויים זמניים בכוחות הגאות שמפעילים השמש והירח, והתחדש לפני כ-600 מיליון שנה.

דפוס התארכות היממה המשוער הזה תואם באופן מפליא את דפוס עליית ריכוז החמצן באטמוספרה, המיוחס ברובו לפעילות החיידקים הכחוליים. מהפכת החמצן הראשונה התרחשה כאמור לפני 2.5-2 מיליארד שנה, וריכוז החמצן נשאר אחרי כן פחות או יותר קבוע למשך מיליארד השנים הבאות, שגיאולוגים נוהגים לכנות "המיליארד המשעמם". הוא שב לטפס לפני כ-600 מיליון שנה. לאור ממצאי המחקר, ייתכן כי זמן ההכנות הממושך שהיה נחוץ מדי בוקר לחיידקים הכחוליים כדי להניע את תהליך הפוטוסינתזה בתוך מרבדי חיידקים, מסביר את הקשר המסקרן בין התארכות הימים לעליית ריכוז החמצן באטמוספרה.

התארכות היממה אולי הגבירה את יצרנות החמצן במרבדי החיידקים, אך בעקיפין היא כנראה גם הביאה עליהם כליה. התקרבות ריכוז החמצן באטמוספרה לרמתו הנוכחית נחשבת לאחד הגורמים המרכזיים שאפשר את הופעת בעלי החיים לפני כ-600 מיליון שנה. יצורים כאלה זקוקים להרבה חמצן שיזין את רקמותיהם הפנימיות ואת פעלתנותם הרבה. זו, בתורה, דחקה בסופו של דבר את רגליהם של המרבדים הירוקים מקרקעית הים הרדוד. אך אל חשש, גם בהיעדר המרבדים, החיידקים הכחוליים המשיכו לשגשג במים עצמם ולחמצן את האוקיינוסים, כתאים בודדים או בשרשראות תאים קצרות הצפות בתוך הפלנקטון, ועד היום זוהי אחת מצורות החיים המצליחות ביותר בעולם.

סרטון על המחקר: