חיידקים קושרי חנקן

כל הצמחים ובעלי החיים המוכרים לנו זקוקים לתרכובות חנקן מהסביבה. אך רק מיני חיידקים וארכאונים מעטים יכולים לבצע קשירת חנקן

פקעיות שורש
ציור מהמאה ה-17 - מרצ'לו מלפיגי 

היסוד חנקן (N) מהווה מרכיב חשוב בחומצות הגרעין (RNA, DNA), ובחלבונים של כל היצורים החיים. הצורה הנפוצה ביותר של החנקן היא במצבו הגזי, המולקולרי (N₂), המהווה 78 אחוזים מהרכב האטמוספרה של כדור הארץ. כל הצמחים ובעלי חיים המוכּרים לנו, כולל רוב המיקרואורגניזמים, אינם יכולים לנצל חנקן מולקולרי לבניית תרכובות אורגניות, והם זקוקים לתרכובות חנקן מהסביבה, כמו אמוניה (NH₃) או ניטרט (NO₃^-). אך כמותן של תרכובות אלה מוגבלת, וריכוזן מהווה גורם מגביל.

     

אמוניה - תוצר הקשירה (מקור)                                      חנקן מולקולרי (מקור)

רק מיני אורגניזמים מעטים – רובם חיידקים ומיעוטם ארכאונים - יכולים לבצע קשירת חנקן (Nitrogen fixation) ובכך להשתמש בחנקן המולקולרי כמקור לחנקן.

בין שני האטומים של החנקן המולקולרי יש שלושה קשרים (N≡N) המקנים לו יציבות גבוהה, ויש צורך בהשקעה רבה של אנרגיה כימית, כדי לפרק אותם. המערכת האנזימית הקושרת את החנקן נקראת ניטרוגנז (Nitrogenase), והיא כוללת שני אנזימים, דיניטרוגנז (Dinitrogenase) ודיניטרוגנז רדוקטז (Dinitrogenase reductase). שני גורמים מעכבים את המערכת – אמוניה (התוצר של הקשירה) וחמצן מולקולרי (O₂) - המפריע לפעילות של האנזים דיניטרוגנז רדוקטז. עיכוב המערכת על-ידי החמצן יוצר את הפרדוקס של קשירת חנקן, כי נוכחות חמצן מולקולרי מאפשרת ליצורים האווירניים להפיק בעזרתו את האנרגיה הרבה הנדרשת לקשירת חנקן. בהמשך נגלה כיצד קושרי החנקן האווירניים מתמודדים עם פרדוקס זה.

את קושרי החנקן אפשר לחלק לשתי קבוצות: עצמאיים וסימביונטיים: עם קושרי החנקן העצמאיים נמנים חיידקים אווירניים רבים, וביניהם רבים מהחיידקים הכחוליים. עם קושרי החנקן האל-אווירניים נמנים גם חיידקים  וגם ארכאונים;

החיידקים הכחוליים - קושרי החנקן שאינם מוגבלים באנרגיה:

כל החיידקים הכחוליים פולטים חמצן – כי הם מבצעים פוטוסינתזה חמצנית. מרביתם קושרים חנקן. חלקם קושרים את החנקן בלילה – כשלא מתרחשת הפוטוסינתזה, והחמצן שחודר לתאיהם מבחוץ נצרך בנשימה האווירנית. אך אחרים, כמו החיידקים מהסוגים Anabaena ו-Nostoc קושרים חנקן גם ביום. חיידקים אלה הם קוריים (גדלים בשרשרת) ומתקיימת בהם "חלוקת עבודה": רוב החיידקים שבשרשרת הם "רגילים", ומקיימים פוטוסינתזה חמצנית, ואילו מעוטם (אחד מכל כ-10 תאים), מתמיינים להטרוציסטים (heterocysts) קושרי חנקן.  הדבר שמייחד את ההטרוציסטים הוא המעטפת עבה יותר שאינה מאפשרת לחמצן לחדור דרכה, וכן העובדה שאחת ממערכות האור שלהם מושבתת (בפוטוסינתה חמצנית פועלות ביחד שתי מערכות אור), ולכן הפוטוסינתזה שהם מבצעים לצורך הפקת אנרגיה אינה פולטת חמצן, ואינה מפריעה לקשירת החנקן. ההטרוציסטים מתמיינים רק כשאין לחיידק מקור חנקן חיצוני זולת חנקן אטמוספירי.

קור של חיידקים כחוליים מהסוג Anabaena. שימו לב להטרוציסט הבודד שבמרכז הקור
המקור: יונה בנדלאק, Wikimedia commons

במקרים מסויימים מהווים החיידקים הכחוליים סימביונטים קושרי חנקן. המקרה הבולט ביותר הם חיידקי  Anabaena azollae המתאכסנים בחללים מיוחדים בשרכי המים הזעירים מהסוג אזולה (Azolla), הגדלים כמרבדים על פני השטח של אגמים, ביצות, ונהרות איטיים. בתוך חלל כזה, ממוקמים בין 2000 ל-5000 תאי חיידקים, לפעמים בני זנים שונים. בתנאים טובים, מכפילים תאי השרכים את כמותם בפחות מיומיים. אחת מצורות ההתרבות של השרך היא קיטוע של גוף השרך. בכל מקטע נמצאים גם החיידקים הסימביוטיים. אפשר להרחיק מהשרכים את החיידקים, אך אי אפשר להעביר חיידקים לשרך אחר. חשוב לציין שאי אפשר לגדל את החיידקים ללא השרך.

מרבד של שרכי אזולה בנהר Canning, מערב אוסטרליה
צילום:  Gnangarra, wikimedia commons

הסימביוזה הזו, בין החיידקים והשרכים, מספקת אמוניה לגידולים חקלאיים, בעיקר לאורז, בשדות הנרחבים שבהודו ובמזרח אסיה (שבשלבים המוקדמים של התפתחות שתיליהם הם מכוסים, כידוע, מים, ומהווים בעצם ביצות מלאכותיות). גידול מואץ של השרך והחיידקים הסימביוטיים הכרחי להמשך התפתחות האורז: כשיורדים פני המים נובלים השרכים, ועמם מתים גם מרבית החיידקים שבתוכם ונרקבים בהמוניהם על פני השדה הבוצי (הרקבון הוא תוצר פירוק על-ידי חיידקים אחרים). כתוצאה מכך, תוצרי הפירוק של השרך, ובכללם האמוניה ותוצריה החלבוניים והאחרים שסופקו על-ידי החיידקים, וכן שיירי החיידקים עצמם - הם עיקר הדשן החנקני החיוני לצמיחת האורז.

עידן השליטה הארקטית של שרכי ה-Azolla 

מאובנים של שרכי Azolla , המתוארכים כ-55 מיליון שנה לפני זמננו, נמצאו במעמקי הים הצפוני, קרוב לקוטב הצפוני - שבו כיום לא נמצא השרך כלל. הממצאים מעידים שמרבדי השרך כיסו את האזור במשך כ-800,000 שנה.

בתקופה זו לא היה כלל קרח בקוטב הצפוני (וגם לא בדרומי), כתוצאה מעליית ריכוז הפחמן הדו-חמצני (שהוא גז-חממה חשוב) באטמוספירה לכ-2500 חלקיקים למיליון, ולעליית טמפרטורה משמעותית על פני כדור הארץ, וכמובן גם בקטבים. בקטבים היו יערות שהיום היינו מכנים אותם "טרופיים". מאז רק ירדה הטמפרטורה.

החשודים העיקריים בהורדת כמות הפחמן הדו החמצני באטמוספירה, ולירידת הטמפרטורה מאז, הם השרכים, ביחד עם החיידקים הסימביוטים שלהם...

קושרי החנקן עבור הצמחים

הצמחים, כאורגניזמים היצרניים, זקוקים לתרכובות חנקן לקיומם. את החנקן מספקים להם חיידקים. יש חיידקים קושרי חנקן החיים בסביבת השורשים (המכונה ריזוספרה), וקושרים את החנקן גם להם וגם לצמחים "שמעליהם". המוכּרים ביותר (בהקשר אחר...) מביניהם הם חיידקי Klebsiella pneumoniae, חיידקי המעיים מחטיבת הפרוטאובקטריה, הגורמים למחלות משניות בבתי חולים.

משורשי דגניים שונים, כולל קנה הסוכר, בודדו חיידקים נוספים קושרי חנקן. חיידקים אלה "מתנחלים" בתוך חללים בין-תאיים של איברי צמח שונים ושם הוא קושרים חנקן. חיידקים אחרים יוצרים יחסי סימביוזה מורכבים ומעניינים עם מאכסניהם. קשירת החנקן בסימביוזה עם צמחים יבשתיים מתרחשת בשורשים, ולעתים מערבת "גופיפי אכסון" מיוחדים לחיידקים בשורשים, המכונים "פקָעִיות שורש" (root nodules), תופעה זו מוכרת במינים רבים ממשפחת הקטניות, אך גם במינים של צמחים מסדרות אחרות.

פקעיות שורש של קטנית ובהן חיידקי Rhizobium 
צילום - Terraprima, ויקיפדיה

הקטניות (Legums), הכוללות צמחי חקלאות חשובים כסויה, פול, תלתן, אספסת, אפון, שעועית, חימצה (חומוס) ודומיהם – מקיימות סימביוזה שורשית עם מינים רבים של חיידקים המכונים בשם הכול" Rhizobia, על-שם הסוג הראשון שנחקר, Rhizobium (מהמילה rhizo  – שורש ביוונית , ומכאן שם החיידק: חי בשורש). רובם מהפרוטאובקטריה.

חיידקי ה-Rhizobia העצמאיים אינם קושרים חנקן כלל. במעבדה הם קושרים חנקן רק כשכמות החמצן נמוכה משמעותית (תנאים מיקרואירופיליים). לרוב יימצאו בגרם קרקע כעשרה מהם. אבל כאשר הם נמצאים בקרבת מין מתאים של קטנית, מתפתחים ביניהם יחסי גומלין סבוכים, שמאפשרים לקטנית לשגשג במקומות ובתנאים שצמחים אחרים היו מתקשים לגדול.

כיצד מתפתחת הסימביוזה? חומרים כימוטקטיים (מושכים) שמפריש הצמח לקרקע מזרזים את תנועת החיידקים אל השורש ואת התרבותם. בקרבת השורש עולה ריכוזם במהירות (לכ-10 מיליוני חיידקים בגרם קרקע). החיידקים מגיעים אל יונקות השורש, נצמדים אליהן ומפרישים חומר כימי (המכונה גורם הסתעפות, NOD) הגורם להסתעפויות ולהסתלסלות של חלק מהן. היונקות בתגובה מפרישות חומרי מזון וריר, והחיידקים חודרים בהמוניהם ומתרבים בהן, והיונקות הופכות ל"חוטי הדבקה". בקצוות של החוטים נוצרות שלפוחיות גדושות חיידקים, שבסופו של תהליך הופכות לפקעיות, המזכירות בצורתם עפצים או גידולים "סרטניים", שצבעם אדמדם חום. הביולוג הנודע מרצ'לו מלפיגי (Malpighi). צייר את פקעיות השורש כבר במאה ה-17.

בתוך הפקעיות חל שינוי גם בחיידקים, והם גדלים, מתנפחים ומתמיינים לבקטרואידים (bacteroids). ההתמיינות אינה הפיכה, והבקטרואידים מאבדים את יכולת החלוקה שלהם. שתי תרכובות מיוחדות - בתוך הבקטרואיד ומחוצה לו, קושרות אליהן חמצן, ובכך מרחיקות אותו מהניטרוגנז ומאפשרות את קשירת החנקן: האחת, בתוך הבקטרואיד, היא החלבון ציטוכרום אוקסידז, והשנייה בציטופלזמה של התאים המאכסנים את הבקטרואידים, לֶגהמוגלובין (leghemoglobin – המוגלובין של קטניות), והיא המקנה את הצבע האדום לפקעיות. הלֶגהמוגלובין היא תרכובת מעניינת: את החלבון גלובין תורם הצמח, ואילו הבקטרואיד תורם את התרכובת קושרת החמצן Heme. קשירת החנקן בפקעיות נמשכת עד שהצמח משלים את מחזור חייו הטבעי (או עד שהוא נקצר בידי החקלאי). אז מתים גם הבקטרואידים, ועם התפרקותם, עם שיירי המאכסן, הם מעשירים את הקרקע בחנקן. עתה מתחילה שוב הסימביוזה, בנבטים חדשים של קטניות  עם צאצאי ההחיידקים החופשיים שנותרו באדמה, מסביב לצמחים. חיידקי ה-Rhizobia שבשורשי הקטניות מעשירים את הקרקע ב-50 ק"ג חנקן לדונם בשנה. ולכן הם חשובים מאד לחקלאים וחוסכים להם דישון מלאכותי בתרכובות חנקן.

ביערות הטרופיים, ובצמחי מים, מתרחשת קשירת החנקן בתהליך דומה, אבל בגבעולים, לא בשורשים.

החיידקים הקוריים Frankia, מחטיבת האקטינובקטריה, יוצרים פקעיות שורש, על שורשים של צמחים ממשפחות שונות. בניגוד לחידקים הקושרים חנקן בקטניות, חיידקי Frankia אינם מתמיינים לבקטרואידים.

החדרה של חיידקים קושרי חנקן לתאי צמחים - במקום דישון מלאכותי

קבוצת המחקר של אדווארד קוקינג (Cocking), מאוניברסיטת נוטיגהם, מנסה להחדיר את חיידקי Gluconacetobacter diazotrophicus לתאי שורש של צמחי חקלאות רבים, ובכך להימנע מהצורך בדישון, ומהזיהום הסביבתי המתלוה אליו. החיידקים, שכונו על ידם N-fix אמורים להיות מופצים כציפוי לזרעי הצמחים וברגע שהאחרונים יתחילו לנבוט בשדה, יחדרו לתאי השורש צאצאי החיידקים ויספקו לצמחים הגדלים את האמוניה הדרושה לגידולם.

בהודעה לעיתונות שפרסמו ביולי 2013, טענו החוקרים שבמהלך עשר השנים שקדמו להודעתם נבדקו החיידקים בתנאי מעבדה, ובמרבית הגידולים שנבדקו, נוצרו יחסי הסימביוזה בין החיידקים לצמחים, והצמחים גדלו ללא דישון מלאכותי. החיידקים הועברו לחברת Azotic Technologies לנסיונות שדה ויישום מסחרי. החברה הודיעה שהמוצר יהיה זמין לחקלאים בעוד כשנתיים או שלוש.

קשירת חנקן ביצורים ימיים

הסביבה האוקיינית היא סביבה דלת חנקן. המגוון הרב של האצות הצורניות הוא מרכיב חשוב ונפוץ של הפיטופלנקטון, שהוא הבסיס לשרשרת המזון האוקיינית. את החנקן החסר להן הן מקבלות מחיידקים כחוליים המתאכלסים בתוך תאיהן, החיידקים מועברים בהעברה אופקית לדורות הבאים.

גם שוניות האלמוגים מהוות סביבה דלה בחנקן, והאלמוגים המרכיבים אותן מאכלסים שני סוגי סימביונטים לפחות. אצות חד תאיות (zooxanthellae) וחיידקים קושרי חנקן, הן מקבוצת הכחוליים והן מהפרוטאובקטריה. האצות החד-תאיות מספקות גליצרול כמקור לפחמן ולאנרגיה גם לאלמוג, וגם לקושרי החנקן (אם לא מדובר בחיידקים הכחוליים, הקושרים פחמן דו חמצני מהאוויר).

גם ב"חללי העיכול" של בעלי חיים מהספוגיים נמצאים חיידקים – כחוליים ופרוטאובקטריה - הקושרים חנקן. החיידקים הכחוליים מספקים למאכסן גם מקורות פחמן ואנרגיה. גם קיפודי ים, כוכבי ים וכנראה שגם יצורים נוספים מקווצי העור מסתמכים על חיידקים סימביונטיים בחללי העיכול שלהם, לרוב חיידקים כחוליים, כמקור לחנקן זמין.

קשירת חנקן ביצורים יבשתיים

הטרמיטים חיים בתוך גזעי עצים יבשים וניזונים רק מהם, וזו תזונה דלת חנקן בעליל. מסתבר שהם מצליחים להסתדר עם מעט חנקן גזי המגיע למעיהם, ושם הוא נקשר על ידי חיידקים סימביונטיים קושרי חנקן. אך כמות החנקן שקושרים החיידקים מספקת רק כ-60% מהחנקן הדרוש לטרמיטים. כפתרון משלים ממחזרים הטרמיטים ביעילות את תוצריהם המטבולייים הכוללים חנקן - חומצת שתן למשל, שביצורים אחרים היו מופרשים החוצה.

קושרי חנקן בגן הפטריות של הנמלים הגננות

מינים רבים של נמלים גננות (ראו להרחבה) מגדלים זה כ-50 מיליון שנה פטריות ממינים שונים בקניהם. הנמלים מסלקות (בעזרת חיידקים סימביוטיים מפרישי אנטיביוטיקה) את כל מתחרי הפטרייה ומספקים לה את מזונה - עלי צמחים, הרעילים לאוכלי העשב האחרים שביער. הפטרייה גדלה בתוך הקן, והנמלים עצמן ניזונות מחלקי הפטרייה ומהפרשות סוכריות שלה. כשמשווים את תכולת החנקן של העלווה המוכנסת לקינים, שכבכל עלווה ירוקה היא בעלת תכולת החנקן נמוכה מאד, לביומסה המצטברת של הפטריות והנמלים, מוצאים פער גדול בתכולת החנקן, שיכול להיות מוסבר רק על-ידי קשירת חנקן מהאוויר בתוך המושבה. ואכן, מתברר שבקיני הנמלים נמצאים חיידקי Klebsiella variicola ו- Pantoea agglomerans המשמשים כספקי החנקן. מכאן, שגם החיידקים קושרי החנקן, החיים בין הפטריות, מהווים חלק מהמערכת הסימביוטית המורכבת של הנמלים הגננות.

מדוע לא אוזל החנקן מהאטמוספרה?

חנקן הוא חומר חיוני לחיים, והיחידים שיכולים להעבירו ממצבו הנפוץ, חנקן אטמוספרי, לתרכובות זמינות, הם החיידקים והארכאונים קושרי החנקן.

חיידקים אלה קושרים את החנקן מהאטמוספרה כבר למעלה מ-3 מיליארד שנים ואנחנו לא רואים ירידה בריכוזי החנקן. הסיבה לכך היא שיש גם חיידקים אחרים, שעושים את הפעולה ההפוכה - ממחזרים חנקן קשור לחנקן אטמוספרי.

לקריאה נוספת

על נמלים חקלאיות, פטרייה מזיקה וספקי התרופה הסמויים

פורסם במקור ב"גליליאו" גליון 194, נובמבר 2014, עודכן.