מַחְזוֹרֵי חֳמָרִים — פַּחְמָן וְחַנְקָן

בואו נתחיל עם שאלה שנראית פשוטה: מאיפה מגיעה המסה של עץ אורן גדול? רוב האנשים עונים מיד — מהאדמה, כמובן, מהמינרלים שהשורשים שואבים. אבל התשובה הנכונה מפתיעה. כמעט כל מסת הפחמן של אותו עץ — הגזע, הענפים, העלים, הקליפה — הגיעה מהאוויר. מפחמן דו-חמצני שנקלט דרך פוטוסינתזה. השורשים אמנם שואבים מים ומינרלים, אבל אלה לא מה שבונה את גוף העץ. זה הדבר הראשון שחשוב להבין לפני שצוללים לנושא מחזורי החומרים.

הנושא הזה מתחיל בהבחנה בסיסית שחוזרת שוב ושוב בבגרות. אנרגיה וחומרים נעים בצורות שונות לגמרי בתוך מערכת אקולוגית. אנרגיית השמש נכנסת פעם אחת, עוברת בין רמות טרופיות תוך אובדן בכל מעבר, ויוצאת כחום שאינו זמין עוד. חומרים לעומת זאת — פחמן, חנקן, זרחן — עוברים במחזורים סגורים. אותו אטום חוזר שוב ושוב בין הסביבה הדוממת ליצורים החיים. מערכת אקולוגית זקוקה לאנרגיה מבחוץ באופן מתמיד, אבל אינה זקוקה להוספת חומרים חדשים. זאת אמירה חזקה, וכדאי לעצור עליה רגע.

מחזור הפחמן מתחיל בפוטוסינתזה. זהו השער היחיד שדרכו פחמן אורגני נכנס לעולם החי. צמחים, אצות ומיקרואורגניזמים פוטוסינתטיים קולטים פחמן דו-חמצני מהאוויר ובונים ממנו מולקולות אורגניות. מאותו רגע הפחמן יכול לעבור הלאה — לצרכנים שאוכלים את הצמח, לטורפים שאוכלים את הצרכנים, ולבסוף למפרקים. בכל שלב, חלק מהפחמן חוזר לאטמוספרה כפחמן דו-חמצני דרך נשימה תאית. כאשר יצור מת, המפרקים — פטריות וחיידקים — מפרקים את החומר האורגני ומשחררים את הפחמן שבו חזרה לאוויר. בנוסף, שריפות, ייצור אנרגיה מדלקי מאובנים והתפרצויות געשיות הם עוד תהליכים המחזירים פחמן לאטמוספרה.

חשוב להבין את ההבדל בין פחמן ביולוגי לפחמן גיאולוגי, כי הוא מסביר הרבה על משבר האקלים. פחמן ביולוגי — זה שבצמחים ובבעלי חיים — מסתובב במחזור מהיר יחסית, בסדר גודל של שנים עד מאות שנים. פחמן גיאולוגי — זה שנקבר בתוך הקרקע ונהפך לנפט, פחם וגז טבעי לאורך מאות מיליוני שנים — נשמר מחוץ למחזור הפעיל. כשאנחנו שורפים דלקי מאובנים, אנחנו משחררים בבת אחת פחמן שנצבר על פני קנה מידה זמן עצום, והמחזור הביולוגי אינו מסוגל לספוג כמויות כאלה בקצב כזה.

כריתת יערות מחריפה את הבעיה בשתי דרכים שכדאי להכיר בנפרד. ראשית, העצים הכרותים מתעכלים בקרקע על ידי מפרקים ומשחררים את כל הפחמן הצבור בהם כפחמן דו-חמצני. שנית, ובמקביל, אין עוד צמחים שקולטים פחמן דו-חמצני בפוטוסינתזה באותו שטח. כלומר — גם שחרור מוגבר וגם קליטה מופחתת. שילוב זה מסביר מדוע שמירת יערות נחשבת לאחד הכלים המרכזיים בהאטת שינויי האקלים.

עכשיו בואו נעבור לנושא השני שנמצא בלב מחזורי החומרים — מחזור החנקן. כאן נכנסת הפתעה גדולה. 80% מהאטמוספרה הוא חנקן מולקולרי. זהו גז שמקיף אותנו בכל רגע, ולמרות זאת — צמחים אינם מסוגלים להשתמש בו כלל. הסיבה היא כימית: שני אטומי החנקן קשורים בקשר משולש יציב במיוחד, שסימונו הוא N≡N. שבירת הקשר הזה דורשת אנרגיה עצומה, ולאף צמח אין את המנגנון הנדרש לכך.

כאן נכנסים לתמונה החיידקים המקבעים חנקן — המרוויחים הגדולים בעולם המיקרוביאלי. חיידקים אלה, ובמיוחד סוג הנקרא ריזוביום, מסוגלים לשבור את הקשר המשולש ולהמיר חנקן מולקולרי לאמוניה — תרכובת שצמחים כבר מסוגלים לספוג ולהשתמש בה. חיידקי ריזוביום חיים בפקעיות על שורשי קטניות כמו חומוס, אפונה וסויה. הקשר הזה הוא דוגמה קלאסית לסימביוזה מוטואליסטית: החיידקים מספקים לצמח תרכובות חנקן זמינות, והצמח מספק לחיידקים סוכרים וסביבה מוגנת בתוך הפקעיות. שני הצדדים מרוויחים, ולכן זה אינו פרזיטיזם.

לאחר קיבוע החנקן, מתחיל שלב שנקרא ניטריפיקציה. חיידקים ניטריפיקטורים הופכים אמוניה לניטרט — צורה אחרת שצמחים מסוגלים לקלוט. כאשר יצורים מתים, חיידקים מבצעים תהליך שנקרא אמוניפיקציה — הם מפרקים חומר אורגני ומשחררים ממנו אמוניה חזרה. המעגל כמעט סגור — אבל יש עוד שלב אחרון.

הדניטריפיקציה היא התהליך שסוגר את מחזור החנקן. חיידקים דניטריפיקטורים, הפועלים בתנאים אנאירוביים — כלומר ללא חמצן — מחזירים ניטרט לחנקן מולקולרי שמשתחרר לאוויר. ולכן, כאשר חקלאי מגלה שקרקע רוויית מים במשך שבוע איבדה חנקן בקצב מהיר — זה בדיוק מה שקרה. מים רוויים דוחקים את החמצן מן הקרקע, נוצרים תנאים אנאירוביים, והחיידקים הדניטריפיקטורים פורחים ומחזירים חנקן לאטמוספרה. החנקן הזה אינו זמין יותר לצמחים.

ההבנה של מחזור החנקן מסבירה גם שיטות חקלאיות מסורתיות. כאשר יועץ חקלאי ממליץ לגדל אפונה שנה אחת לפני שחוזרים לתירס, זה לא סתם מנהג. שורשי האפונה נושאים פקעיות עם חיידקי ריזוביום שמקבעים חנקן מולקולרי לאמוניה. לאחר פירוק שאריות האפונה בסוף העונה, רמת החנקן בקרקע עולה — ומיטיבה עם יבול התירס שיגיע אחריה. זוהי דוגמה לאיך ידע ביולוגי מיתרגם ישירות לפרקטיקה.

אבל ההיכרות עם מחזורי החומרים מגלה גם צד אחר — מה קורה כשהמחזור מואץ מדי. בשנות גשמים כבדים, דשן חנקני נשטף משדות לנחלים ולאגמים. תוצאה: פריחת אצות מסיבית. כאשר האצות מתות, מפרקים צורכים כמויות גדולות של חמצן כדי לפרקן. ריכוז החמצן המומס בגוף המים צונח, ודגים מתים. תהליך זה נקרא אאוטרופיקציה, וחשוב להבין מה באמת גורם לנזק: לא הדשן עצמו הוא הרעל, אלא עודף חומר מזון שמזרז את מחזור החומרים מהר מדי, ומערכת האקולוגית אינה מסוגלת להתאזן.

לסיכום, הרעיון המרכזי שכדאי לקחת מהפרק הזה הוא שאטומים אינם אובדים. הפחמן שנושמים עכשיו יצא קודם מאדם אחר, ולפניו אולי מגזע עץ, ולפניו מבעל חיים שחי לפני מיליוני שנים. אותו עיקרון מנחה את מחזור החנקן. ההבדל בין מערכת בריאה לבין מערכת שנמצאת בצרות טמון לעיתים קרובות לא בכמות החומרים, אלא בקצב שבו הם עוברים — ובמי שמנהל את המעברים.